深埋隧道锚杆支护作用的数值模拟与模型试验研究

以重庆至长沙公路共和隧道为研究对象,研制出环氧-硅橡胶的相似模型材料,在大型真三轴模型试验机上进行了隧道在毛洞和锚杆支护条件下的超载试验,采用应变测量技术对隧道关键部位的应变值和锚杆的应变值进行了测量,据此分析了围岩体在锚杆支护后的应力变化规律和锚杆的轴力变化规律。采用与模型试验相同的边界条件进行了隧道在锚杆支护条件下的数值模拟工作,对围岩体的塑性区、应力场和锚杆轴力随荷载的变化过程进行了研究。结果表明,两种手段反映的围岩体应力变化规律和锚杆轴力随荷载的变化规律是一致的     

土质隧道支护方式对围岩稳定性影响的模型试验研究

以相似理论为基础,采用砂土模拟围岩,铁丝模拟锚杆。实测隧道开挖过程中,不同洞周支护力、不同锚杆长度以及锚杆与洞周支护力共同作用下围岩应力分布、稳定性及分区的变化规律。采用有限元模拟不同锚杆长度下围岩的应力分布规律,并基于D-P屈服准则得出围岩塑性区的范围。研究结果表明,采用锚杆与洞周支护力联合支护,更能充分发挥围岩自身的承载能力。锚杆的支护长度应不小于无支护时的松动区外包半径大小。松散围岩条件下,锚杆的长度不宜小于隧洞跨度的1/5,综合支护时洞周支护力大小宜为原岩垂直应力的5%左右。对比试验与有限元模拟结果,有限元模拟所得结果相比于试验较为保守。     

光纤Bragg光栅传感技术在隧道模型试验中应用

在模型试验中,锚杆一般尺寸较小,应变监测较为困难,可将光纤Bragg传感技术（FBG）应用于隧道模型试验中解决该问题。基于西安地铁二号线4个典型断面实际工况进行隧道模型试验,将自行设计封装的光纤Bragg光栅传感器粘贴在锚杆模型表面,监测其在不同应力状态下的应变。根据隧道开挖前、隧道开挖后、衬砌支护后、抗裂极限状态和极限破坏状态5个应力状态的实测数据,得到锚杆轴力在隧道受力过程中的变化规律。试验结果表明,锚杆受力大小在隧道开挖前后有一定变化。衬砌支护后,随围岩压力增加,锚杆轴力基本呈增加趋势,拱顶附近锚杆承受压力,支护后压力变化不大;拱肩到墙角的锚杆承受拉力,衬砌支护后受力开始增加;锚杆在含水率大的黄土隧道中受力较大,更能发挥其作用。文中方法在模型试验中的应变监测方面提出新的可靠途径。     

深隧道围岩稳定性的数值模拟与模型试验研究

在大型真三轴模型试验机上进行隧道的超载试验,试验过程中采用内窥摄影实时监测试件的破坏演化全过程,确定了高应力条件下隧道的变形特征和裂纹演化特征;采用应变测量技术对隧道关键部位的应变值进行了测量,据此分析了围岩体的应力变化规律。针对相似材料的力学特性,建立了应变软化模型,采用与模型试验相同的边界条件进行了数值模拟分析,对围岩体的塑性应变变化过程和应力场进行了研究。结果表明,两种手段反映的破坏演化过程是基本吻合的,所反映的围岩体应力变化规律也是一致的。     

深埋长隧锚杆对围岩支护效应的模型试验研究

采用新研制的环氧-硅胶系的相似模型材料,在解决一系列制作、安装、测试技术问题基础上,通过在大型真三轴模型试验机上形成相同的边界条件,从而对毛洞和锚杆加固模型、不同锚杆加固深度模型进行对比,得出锚杆加固后对围岩影响的规律,即锚杆加固区的应力较毛洞相应区内的应力均有所提高,而在锚杆加固区外围岩应力渐趋于此处毛洞的应力值;锚杆加固区中的最大应力一般也成了整个隧道围岩应力的最大值或接近最大值;锚杆的锚固作用还使毛洞中出现的拉应力状态转化为加固区内岩体的压应力状态。随着支护深度的加大,洞壁处的径向及切向压应力也在不断提高,从而利于增大岩体稳定性;同时,锚杆支护模型在不同加载级下应力分布趋势相同,也说明一定埋深范围内、不同埋深的软岩洞室中锚杆支护对围岩的影响是相同的;通过支护前后模型的应变差对比看出,在拱顶和拱腰分别形成了曲线和近似直线的径向应变差分布,对比结果为研究锚杆机制中的锚杆剪应力分布提供了试验基础。     

砂浆锚杆加固效果的等效数值模拟方法研究

针对常规数值模拟计算无法有效地反映锚杆对围岩的加固效果的缺陷,结合岩体变形在锚杆中产生的支护压力计算公式,提出了一种简单、有效的砂浆锚杆加固等效数值模拟方法。该方法首先在有锚杆支护隧道开挖的计算结果中提取每根锚杆的最大轴力;然后根据该轴力值按锚杆支护压力公式计算其所产生的等效均布力;最后将该均布力施加到相同计算工况下无锚杆支护的围岩表面进行模拟计算。将该方法应用于锦屏二级水电站地下厂房枢纽洞室及乌东德水电站4#导流洞0+ 550 m断面的开挖与支护计算,通过与现场实测数据对比,结果表明,该方法能较好地模拟锚杆支护对围岩的加固效果,其模拟结果可为隧洞的施工与支护设计提供可靠的参考依据。     

隧道锚围岩抗拔机制及抗拔力计算模式初步研究

在普立特大桥隧道锚现场模型试验的基础上,采用数值模拟技术揭示了隧道锚围岩变形破坏过程:围岩破坏面从锚体底部与围岩接触面附近启裂,并逐渐向外呈圆台状扩散,破坏形式为拉剪破坏。并且,锚体前部临空岩体被拱出而发生拉破坏。破坏面上的应力分布随着拉拔荷载增大而发生复杂变化。基于此,通过在破坏面上建立力的平衡关系,提出了隧道锚围岩抗拔力计算模式。该计算模式与现有文献不同,体现了夹持效应以及破坏面上的复杂应力变化。破坏面上的应力分布需要通过模型试验和数值模拟论证得到。今后,在针对不同强度、不同结构特征的岩体进行全面试验分析的基础上,可以对破坏面形态和应力大小进行取值建议。采用该模式验证了试验结果,估算得到大桥原型锚碇的极限抗拔力非常大。目前隧道锚设计普遍偏于保守,隧道锚在中、软岩中仍然可以使用。讨论了破坏面形态特征可能的变化、岩体结构特征对抗拔力的影响等问题。     

考虑锚杆支护的深部围岩分层破裂数值模拟

通过数值模拟研究了锚杆支护对峰后围岩的支护效应。首先,基于Mohr-Coulomb峰后应变软化的遍布节理模型,建立了临界塑性剪切应变η*与支护阻力的耦合关系;然后,根据锚杆加固机理,将锚固作用后围岩的力学参数嵌入到应变软化模型中;最后,将临界塑性软化系数η*影响下的应变软化模型嵌入有限差分FLAC3D中,并通过对锚杆支护下的围岩震荡应力场等分析,研究了不同锚杆支护长度对深部洞室围岩分层破裂范围及应力、变形的影响。数值研究分析表明:考虑锚杆支护,围岩分层破裂化现象明显减弱;支护条件下的围岩应力场、位移及破裂区范围与未支护时差异明显。在一定范围内增加锚杆长度,可使围岩应力峰值点向洞壁移动,破裂区半径减少,拱顶和拱脚沉降均减少;当其支护长度超过临界长度后,竖直和水平方向破裂区半径以及沉降量均趋于稳定值,且两方向上破裂区半径及沉降的数值接近。     

预应力锚杆内锚固段长度效应研究

为研究预应力锚杆内锚固段长度对杆体轴力及围岩支护效果的影响,将锚杆内锚固段长度与杆体总长度之比定义为内锚固段长度系数,根据锚固界面剪应力计算公式,推导锚杆轴力与杆体伸长量的关系式。在分析内锚固段长度系数对杆体轴力影响规律的基础上认为,在锚杆杆体总长度一定的情况下,减小内锚固段长度,可有效控制杆体轴力的增大。基于预应力锚杆加固围岩的组合拱理论,利用FLAC3D数值模拟技术,分析内锚固段长度对锚杆的预应力场及围岩支护效果的影响,结果表明:内锚固段长度的降低,有利于扩大锚杆的预应力场影响范围、提高围岩有效承载圈厚度、减少围岩塑性区深度和变形量。最后,讨论了通过改变锚固长度协调支护刚度的工程意义。     

复杂条件下隧道支护结构稳定性分析

以方斗山隧道为研究对象,建立三维有限元数值分析模型,模拟分析了隧道支护结构的稳定性。以距离隧道洞口10 m处断面支护结构为例,分析了该断面初次支护和二次衬砌的水平应力、竖向应力、竖向位移、锚杆轴力及支护结构破坏域等随掌子面推进的变化规律,并对该断面支护结构特征点的稳定性进行追踪研究。研究结果表明,当掌子面与断面间距离小于30 m左右时,随着掌子面的推进,支护结构应力及位移等均有一定程度的增长,其后支护结构应力及位移基本收敛,且收敛值均较小,表明支护结构是稳定的。对隧道初次支护应力及锚杆轴力的现场监测结果及数值模拟结果进行对比分析,结果表明,数值模拟与现场监测结果基本一致。     

大跨度地下工程支护结构研究

针对大跨度地下工程结构受力复杂、安全风险高的工程特点,采用理论分析、经验评价、数值模拟的综合评价方法,对某地下实验大厅的支护结构稳定性进行综合评价。通过多种塑性力学计算方法,对比了卡柯（Caquot）公式、芬纳（Fenner）公式、修正的芬纳公式或卡斯特纳（Kastner）公式在具体工程中的应用,优化分析得出适合于硬岩条件下大跨度结构的理论分析方法。采用Q评价系统和工程类比方法,确定了大跨度地下工程锚杆、锚索和喷射混凝土的支护参数,通过相似工程的经验类比,认为锚索长度应不小于跨度的40%。采用三维离散元计算方法对支护结构的稳定性进行数值模拟,数值计算中的岩体采用基于HB强度准则的应变软化模型,结构面采用基于摩尔-库仑强度准则的理想弹塑性模型。通过数值分析,对边墙上部施加3排预应力锚索,边墙变形得到抑制,同时围岩潜在失稳块体数量和范围显著得到有效的控制。通过支护结构的应力分析得出60％的锚杆轴力在2.0～2.25 MN之间,表明地下工程具有良好的安全性。建立了塑性区理论分析、经验类比和数值模拟的综合评价方法,形成三位一体的评价体系,可有效地对大跨度支护结构的合理性进行评价。综合分析可知,支护方案设计合理时,能够有效应对围岩中的块体稳定风险和高应力破坏现象;在局部安全性较差的部位,锚索和锚杆应力水平相对较高,可以考虑对适当降低锚索预张拉力、增加随机锚杆数量。     

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。     

隧道围岩全长黏结式锚杆界面力学模型研究

分析围岩弹塑性介质中全长黏结式锚杆的锚固界面层应力分布和变化特征,对研究隧道工程初期支护系统的力学效应具有重要意义。根据全长锚杆微段的受力平衡以及锚固界面层剪应力的传递机制建立了关于锚杆轴向位移的微分方程,通过求解锚杆轴向位移的微分方程可得到锚杆与围岩相互作用下的轴向载荷和锚固界面剪应力的分布函数。然后将锚杆界面剪应力对围岩的支护反力转化为圆形隧道轴对称径向体积力,进而求解有锚喷支护作用下圆形隧道围岩塑性区半径。在此解析模型基础上,可对隧道围岩-支护系统进行详细的分析和评判。算例分析表明,初期支护时机的选择对锚固效应和围岩稳定性有较大影响;适当增加全长黏结式锚杆的锚固层厚度能明显降低锚杆端部剪应力的应力集中度,能有效改善锚杆的锚固效果。     

基于3D-FSM的预紧力端锚数值模拟及其多核并行化研究

在对传统锚杆荷载传递机制分析的基础上,提出了一种考虑托板、锚杆与岩体相互作用的数值模拟方法：通过Kelvin基本解计算出锚杆集中力对围岩的影响,同时就锚杆自由段与相应岩体两端点的位移差相等建立位移方程,结合先前开发的3D-FSM数值模拟系统中的表面受力平衡方程进行联立求解,利用所得结果可以计算域内任意点的应力及位移变化,形成完整的预紧力端锚边界元数值模拟系统。通过与Flac3D系统模拟对比,验证了该系统的可靠性。为提高运算效率,对该系统进行基于OpenMP的多核并行化改进,给出了改进的基本思路和加速比对比图。由于边界元本身具有建模简单、计算区域大、计算精度高等优点,因此,这种模拟方法有很大的应用价值。     

大松动圈围岩锚网索联合支护参数确定方法探讨

对大松动圈围岩巷道,单一锚杆支护难以实现对整个破裂区围岩的锚固控制,采用锚网索联合支护时,应考虑锚杆支护对联合支护设计的作用。通过分析大松动圈围岩锚杆锚固支护机制,提出量化锚杆支护作用的锚固承载系数,形成锚网索联合支护参数量化计算方法。研究结果表明：锚杆锚固支护后将大松动圈围岩分为浅层锚固区和深层破裂区,浅层锚固区具有一定承载能力,可视作锚索的等效托盘;在锚网索联合支护中,浅层锚固区承载结构稳定的条件是锚固结构承载力大于环向轴力且能够有效控制破裂区围岩;锚固承载系数大小主要取决于浅层锚固区与破裂区和锚杆预紧力与设计锚固力的关系,对于大松动圈围岩其取值范围为0.45～0.75。经现场试验可知,巷道顶底板移近量为273 mm,两帮移近量为393 mm,表面位移曲线趋于平稳,采用该方法得到的锚网索支护参数有效保证了巷道的正常使用。     

微观负泊松比锚杆静力学特性及其工程应用研究

相比于传统的小变形锚杆支护材料,负泊松比锚杆/索材料具有大伸长量、高强高韧、高恒阻力、吸能等优异力学特性。在宏观负泊松比（NPR）锚杆/索研究和应用基础上,何满潮研发了新一代微观NPR钢材料和微观NPR锚杆。目前微观NPR钢材料的静力学特性研究较少,微观NPR锚杆在城市地下隧道工程的适用性有待于现场应用验证。通过室内静力拉伸试验对微观NPR钢的力学特性进行了研究,结果表明本批次微观NPR钢平均伸长率为34.68%;恒阻力值范围为203.9～ 240.7 kN;拉伸全过程表现为均匀拉伸变形;无屈服平台,破断时无明显颈缩现象。通过理论推导,建立了微观NPR锚杆在微静力拉伸条件下的弹塑性增量本构模型。以某路地铁站风道段为工程背景,介绍了微观NPR锚杆施工工艺,现场测试了极限拉拔力、伸长率及锚杆轴力等方面,结果表明,微观NPR锚杆具有高恒阻力及大伸长量等优势。在围岩大变形隧道开展了支护应用试验,验证了其具有良好的围岩大变形控制效果。