锚索与锚杆联合锚固支护岩坡的有限元分析

针对广东某高速公路74 m高的7级挖方边坡,采用三维弹塑性有限元数值计算方法分析山区路堑开挖岩质边坡的锚固支护的受力情况。分别计算了坡体无锚和3种不同的锚固方案。通过坡体无锚方案的计算确定坡体的滑动面并为锚固方案的设计提供依据。3种锚固方案中的预应力锚索和锚杆按不同方式进行了组合。所建立的锚固坡体三维有限元分析模型对锚固坡体进行了合理简化并节约了计算量。计算中锚索的预应力采用预先施加应变的方式施加。计算分析表明,边坡加锚后可显著减少边坡塑性区。实际工程中采用预应力锚索和锚杆交错布设方案进行边坡锚固支护可较好地达到安全与经济并重的边坡处治原则。现场监测结果表明,锚固边坡有限元分析合理可行。     

分段锚预应力锚杆加固围岩力学分析

基于端锚锚杆支护的优越性和围岩破坏分区及破坏深度逐步向深部发展的规律,针对煤矿深部巷道采用加长或全长锚固锚杆支护时,锚杆的锚固段整体受力不均,抗剪切承载能力低,而端锚锚杆无法适应其大变形缺点的问题,建立了两段锚预应力锚杆支护模型。运用理论计算和数值模拟的手段研究了两段锚预应力锚杆锚固段的受力特征和承载能力,并进行了算例对比分析。结果表明:两段锚分区锚固的支护方式明显改变了加长或全长锚固锚杆锚固段的剪应力曲线变化趋势,使原本呈负指数变化趋势的剪应力曲线变得平缓,提高了锚杆锚固段的剪切承载能力;在相同预紧力作用下,与端锚锚杆相比,明显降低了锚杆锚固段的荷载和剪切应力;在不同预紧力下,两段锚预应力锚杆的两锚固段可分别起到围岩不同变形时期端锚锚杆的支护作用,继续发挥端锚支护的优越性。     

卸荷条件下锚杆对节理岩体力学参数的影响

岩体在加载和卸荷条件下,其力学性质有本质的区别。采用数值模拟方法,以ADINA软件为计算平台,研究了卸荷条件下,锚固密度、锚杆长度和岩体性质3个因素对节理岩体力学参数的影响。采用等效变形参数的方法计算节理岩体和锚固体的等效变形模量和泊松比。在分析数值计算结果的基础上,分析了加锚后等效变形模量En与锚固密度N和锚杆长度L之间的关系。     

锚杆锚固对节理岩体剪切性能影响试验研究及机制分析

为研究锚杆锚固对节理岩体剪切性能的影响规律及锚杆抗剪作用机制,开展不同锚杆倾角及不同法向应力作用下加锚节理岩体室内剪切试验研究,探究加锚节理岩体在法向力及剪切力作用下的变形和受力特征,对比分析节理岩体锚固前与锚固后的剪切变形规律,讨论锚杆倾角、节理面法向应力等因素对节理岩体抗剪性能的影响。试验结果表明,锚杆锚固能够有效地增加节理面的黏聚力和内摩擦角,提高节理岩体的抗剪强度;锚杆倾角对加锚节理岩体的抗剪强度及剪切变形规律有重大影响,较大的锚杆倾角有利于发挥锚杆的"销钉"抗剪作用;节理岩体施加锚杆后其剪力–位移曲线存在弹性阶段、屈服阶段及塑性变形阶段3个区段;在锚杆倾角相同的条件下加锚节理岩体的抗剪强度随节理面法向应力的增加而增大。分析试验后试件破坏形态可知,加锚节理岩体中锚杆的屈服破坏主要发生在节理面附近的区段,岩体材料由于锚杆横向的挤压作用,也会在节理面附近发生局部破坏现象。     

锚固方式对节理岩体剪切性能影响试验研究

分别采用预制混凝土块、45号钢螺杆、矿用化学浆液来模拟围岩、锚杆及锚固剂进行节理岩体室内剪切试验,研究在无锚、端锚和全锚3种情况下节理岩体抗剪特性及锚杆受力变形特征。研究结果表明:在不同锚固方式下节理岩体的剪力-位移曲线有显著的差异,无锚试件表现为脆性特征;端锚试件在调动锚杆抗剪强度时会有一剪力小幅下降的转折点,全锚试件与节理匹配性较好,可以承受更大的剪力;对于加锚试件,无论是端锚还是全锚锚杆,根据锚杆变形特点,均可分为拉伸区、剪拉区和压缩区。锚杆在剪力和拉力综合作用下破坏时即发生在剪拉区。锚固方式不同,剪切试验过程中锚杆轴力分布也不同,全锚锚杆主要分布于节理面附近,随着与节理距离增加,轴力迅速衰减。端锚锚杆轴力分布则相对均匀。     

系统锚杆对边坡岩体加固效果的数值模型试验研究

以大型的岩土工程数值分析软件AD INA为研究手段,对边坡岩体的分离块体经系统锚杆加固后,其抗压强度、弹性模量及c、值的提高,并计算和比较了锚固对不同强度岩体的参数影响大小,并对锚固岩体的各向异性进行了初步研究,垂直布锚对岩体的弹性模量影响较大,但是对于岩体的抗压强度的影响相对较小。     

锚杆多种失效模式与双滑块边坡锚固系统可靠性分析

考虑锚杆拉杆拉断、拉杆从注浆体中拔出、锚固段注浆体从岩体中拔出、外锚头破坏以及垫墩底岩体的压坏等失效模式,利用系统可靠性原理和极限平衡分析方法,建立了双滑块边坡多锚杆锚固系统可靠性分析模型。基于蒙特卡罗随机抽样原理提出了该类边坡锚固系统破坏概率的直接求解方法。最后结合算例,分别基于中值安全系数和破坏概率指标分析了各计算参数对计算结果的影响,并讨论了锚杆锚固角和被动滑块可能滑裂面倾角对锚固系统稳定性的影响。     

开挖边坡随机楔体稳定分析与加锚优化方法

随机楔体的破坏是岩石开挖边坡中常见的破坏类型之一，在对组成楔体的结构而调查统计的基础上，应用随机模拟的方法，生成开挖边坡的三维裂隙网络，进一步运用随机搜索方法与块体理论，搜索出边坡面上的随机楔体，进行楔体的稳定分析，采用风险设计的理论，建立系统锚杆的优化设计方法，将研究结果应用于小湾水电站进水口开挖边坡的稳定分析与锚固优化设计中，得到了较为可信的结果。     

西南某电站右岸开挖边坡稳定性的FLAC3D分析

西南某大型水电站引水发电洞进水口边坡顶部在开挖过程中出现带状裂缝 ,引起了多方的极大关注。在对该边坡系统的地质调查基础上 ,确立了其变形破坏模式 ;通过FLAC3D模拟开挖过程 ,客观地验证了实际开挖过程中边坡的变形及其顶部平台出现的裂缝 ;并预测了在采取加固措施后边坡内部变形趋势。经计算 ,开挖面临空方向最大位移量达到 5 .4cm。此后 ,经过有效的锚固处理 ,边坡经过变形和应力的调整 ,总体上趋于稳定 ,为确保进水口隧洞的顺利开挖提供了科学依据     

锦屏一级左岸导流洞出口边坡开挖支护有限元模拟

锦屏一级水电站左岸导流洞出口边坡岸坡陡峻,层间挤压破碎带、顺坡卸荷裂隙及深部裂缝发育。边坡开挖将切除部分维持边坡稳定的坡脚岩体,从而对工程边坡及上部变形拉裂岩体的稳定性产生不利影响。基于锚固岩体弹塑性等效本构关系,采用弹塑性有限元法对边坡开挖、加固及地震作用进行了数值模拟,分析了开挖边坡的稳定性,并对初拟的“先锚后挖、边挖边锚”的施工程序的合理性进行了评价,提出了若干对工程建设具有一定指导意义的建议。     

均质边坡离心试验锚杆的应力响应及布设探究

以低碳钢片模拟全长黏结锚杆,开展均质岩质边坡离心模型试验,研究了锚杆的应力响应规律。基于试验模型锚杆应力响应规律启发及实际均质边坡变形破坏演变规律,提出仅针对边坡松弛区进行局部强度折减,数值模拟探讨了均质岩质边坡单锚应力监测的较佳位置。结果表明:均质岩质边坡变形破坏起始于坡脚的剪切破坏,且随着边坡变形破坏的开展,靠近坡脚的全长黏结锚杆会较早产生明显的应力响应,锚杆应力增长速率会不断增加;锚杆应力监测点距离边坡潜在滑动面（塑性变形区）越近,锚杆应力响应时间越早,且量值越大;建议在距离坡脚0.25~0.35 H（H为边坡高度）的坡面处布设监测锚杆,但对于具体监测边坡对象,应具体问题具体分析。研究成果可为均质岩质边坡的锚杆监测工作提供一定的参考借鉴。      

节理岩体锚杆的综合变形分析

在总结国内外对节理岩体中锚杆加固机制的试验研究和理论探讨基础上,综合考虑锚杆的切向和轴向变形能力,建立节理锚固锚杆在剪切荷载作用下的变形模型,将节理锚固锚杆的变形区划分为弹性变形段和挤压破坏段,引入表征挤压破坏段长度的变量,对锚杆与岩体的相互作用机制进行理论分析,推导了剪切荷载与剪切位移和轴向荷载与轴向位移的关系。通过分析锚杆的屈服破坏形式,得到了确定挤压破坏段长度的方法。最后,通过算例分析了挤压破坏段长度与锚杆直径、岩体强度、锚固角度等参数的关系,得到了以下结论：（1）节理锚固锚杆抗剪作用的实质是锚杆调动岩体的抗压强度抵抗节理切向荷载。在抗压强度较高的硬岩中,挤压破坏段局限于节理面附近,锚杆影响范围小;而在抗压强度较低的软岩中,挤压破坏段较大,而且会产生较大的剪切变形,锚杆影响范围较大。（2）锚杆屈服破坏形式与岩质和锚杆直径有关。硬质岩体发生剪切屈服,而较软岩体中容易发生弯曲屈服;小直径锚杆一般直接剪切屈服,而大直径锚杆可能发生弯曲屈服。锚杆屈服破坏后出现塑性铰,挤压破坏段范围在节理一侧约为直径的1～2倍,继续增加剪切荷载,挤压破坏段长度不再增大。（3）随岩质的不同,锚杆锚固节理的最优锚固角变化较大。岩质较硬时,最优锚固角度较小,反之则较大。     

基于剪切试验的预应力锚杆变形性能分析

为了研究锚杆对节理剪切性能的作用机制和模式,开展了锚固节理岩体的实验室剪切试验,模拟了不同强度的岩体在剪力作用下的变形和受力特征,对比了锚杆加固前、后岩体的剪切变形规律,分析了节理岩体强度、预应力及锚固方式对节理的抗剪能力的影响,试验过程中通过应变片测点监测锚杆轴力的变化规律,研究了节理剪切过程中锚杆的轴向受力机制和变形特性。剪切试验完成后,取出剪切变形后的锚杆,统计了变形段长度与各参数之间的关系。通过试验结果分析,剪力-位移曲线存在明显的3个阶段：弹性阶段、屈服阶段和塑性强化阶段,曲线近似呈现双直线特征,弹性段锚杆主要发挥销钉作用;屈服段锚杆的轴向作用开始调动,锚杆同时存在销钉和约束作用;塑性段锚杆不再发挥销钉作用,只是依靠其轴向约束作用限制岩体的变形;曲线表现出韧性增强的剪切性能,这就使得锚杆锚固节理岩体的破坏特性由脆性转变为塑性,从而提高了岩体的稳定性和安全度。节理面的滑动对锚杆产生剪切作用,由于切向变形而产生了附加的锚杆轴向变形,锚杆的轴向应力随着剪切位移的增大呈增长的趋势,变形剧烈区域集中于节理面附近,且距离节理面越近其轴向应力增大越多。     

软弱围岩隧道取消系统锚杆的现场试验研究

在软弱围岩隧道中,提出初期支护结构由钢架+喷射混凝土+钢筋网+锁脚锚杆+纵向连接筋组成,即取消系统锚杆用钢架联结处的锁脚锚杆代替。以包家山隧道为依托工程,采用现场试验的方法,选取2个试验段,进行锁脚锚杆取代系统锚杆后,有、无拱部锚杆的对比试验研究。对比试验的内容包括：隧道初期支护的净空收敛、围岩压力、钢架应力、喷射混凝土应力、锚杆轴力和纵向连接筋应力等。研究结果表明：2个试验段初期支护变形趋于稳定,结构受力安全,说明取消系统锚杆不影响初期支护结构的安全与稳定;拱部锚杆有受拉,也有受压,但受力都不大,最大拉应力仅为钢材极限强度的11.8%,其支护作用不明显;锁脚锚杆大部分受拉,最大值达到191 MPa,钢架支护作用明显,在支护体系中发挥着重要作用。取消系统锚杆减少了施工工序,降低了工程造价,缩短了工序循环时间,有利于及早封闭围岩以形成完整的支护结构。经济价值和社会效益显著。     

大型地下洞室全长黏结式岩石锚杆锚固机制研究及锚固效应分析

以大型地下洞室为背景,采用隐式锚杆柱单元模拟黏结式岩石锚杆,推导了杆体对围岩模型的附加刚度贡献模型。根据中性点理论,假定锚固体界面的剪切滑移模型,导出了锚杆与围岩相互作用下的荷载传递基本微分方程。基于三维弹塑性有限元增量法计算的围岩离散位移,采用插值拟合获得造成锚杆变形的围岩连续位移,通过求解微分方程得到锚固体界面剪应力和轴向力分布函数。将获得的锚固体剪应力采用等效附加应力模型作用于岩体,反映了锚杆的支护效应。实例分析表明,锚杆新算法能较好地模拟锚杆支护效果。获得的锚固体受力分布特征符合中性点理论,锚固体界面剪应力分为正、负两段,锚固体轴向力分布为单峰曲线。此外,新方法的计算值与实测值较为接近。     

隧道围岩中全长注浆岩石锚杆的应力分布分析

在弹性状态下,根据锚固体的受力情况建立了锚固体的摩阻力分布模型。根据此模型,结合隧道围岩位移变化函数推导了全长注浆岩石锚杆在围岩变形下的全长受力分布函数。并结合工程实例,分析了锚杆的应力分布特征,得出了注浆岩石锚杆在围岩变形中受力的基本特征。     

强震区软弱破碎千枚岩隧道系统锚杆支护作用效果分析

以在建的穿越5•12强震区发震断裂带的广甘高速公路杜家山隧道为工程依托,选取20 m典型围岩区段为试验段,对有、无系统锚杆时的洞周位移、锚杆轴力、钢拱架内力、围岩与初支接触压力、及其二衬内力进行实测对比分析,探讨锚杆支护作用效果不明显的成因,提出了在强震区软弱破碎千枚岩隧道围岩中采用“钢喷”初期支护的支护方案。研究结果表明：设置锚杆的断面,其锚杆轴力值较小,最终洞周变形值及围岩与初支的接触压力值相对偏大,钢拱架和二衬的安全储备相对不足;锚杆的施工不仅在某种程度上加剧了对深部围岩的扰动,而且还延误了喷射混凝土和钢支撑支护对暴露围岩及时封闭的最佳时机;震后深部围岩的震裂损伤和震裂岩体地下水的渗透性增强,致使围岩松弛区域超过了锚杆设置范围,且锚杆与围岩间的黏结力被削弱。     

锚杆支护圆形隧洞的等效强度参数及可靠性分析

通过采用均匀化方法,研究了圆形隧洞的锚杆支护特性,将高密度支护模式下的岩石和锚杆复合体考虑成均匀、连续、强度参数增强的等效材料,简化了岩石和锚杆间复杂的力学耦合问题。通过定义锚杆密度参数来反映不同支护模式的特性,建立锚杆密度参数与Mohr-Coulomb屈服准则中主要参数之间的关系,推导出等效弹性模量、等效黏聚力和等效内摩擦角的表达式,并分析比较了隧洞在支护前后的位移情况。结合可靠性理论,采用容许极限位移量作为失稳判据,分析了隧洞在支护前后的可靠性指标与破坏概率,结果表明,文中提出的方法简单可靠,锚杆支护对隧洞的位移限制效果明显,可显著提高隧洞的可靠性。     

基于隧洞衬砌和等效锚杆模拟的密集地下洞室群稳定性分析

江坪河水电站右岸地下洞群依次布置为导流洞、泄洪放空洞、溢洪道①、溢洪道②四条隧洞,洞室密集,地质条件复杂。三维模型以洞室模拟为主,同时精确模拟了3个洞室出口边坡,4条较大断层,多个岩层分层及坡表的实际形态。洞室开挖后,采用预应力锚索、系统锚杆、初期衬砌和二期衬砌等多种支护措施。支护计算时,对预应力锚索进行了精细模拟。对系统锚杆采用二维“子模型”的进行等效计算,确保了必要的计算精度,提高了建模可行性和计算效率。两期衬砌模拟采用三维壳体结构单元中的Shell单元,通过2次位移等效分别得到考虑锚杆衬砌效应的修正后初期衬砌和二期衬砌变形参数。根据关键点的变形趋势及洞室的最大弯矩值的变化情况对衬砌厚度进行了优化。针对设计规范中衬砌结构配筋所需基础参数,指出利用衬砌单元可有效的读取衬砌弯矩值和剪力值,同时标定其具体位置。分析认为,泄洪洞开挖坡锚索和2条溢洪道之间的上层的对穿锚索可能由于水泥浆强度较低而出现滑移,同时指出加固措施使临空面的最大位移大幅降低,也能一定程度抑制塑性区发育。     

Analytical model for the design of grouted rock bolts

An analytical model which represents the behaviour of a reinforced rock mass near a circular underground opening in a homogeneous, uniform stress field has been developed. The theory adopts the concepts of elastoplasticity and considers a proper interaction mechanism between the ground and the grouted (or friction) bolts. It highlights the influence of the bolt pattern on the extent of the yield zone and tunnel deformation. A dimensionless parameter is introduced as a design tool which relates the tunnel convergence to the bolt spacing for a given bolt length. This publication contains the derivation of the analytical model and an illustration of the effect of bolts on the stress and displacement field near an opening. Its application to tunnel design is discussed briefly. The verification of the theory by laboratory simulation and field measurements will be presented, in detail, in a future publication.