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。     

基于Mindlin解的压力型锚杆锚固段的受力分析

假设锚杆为与周围介质相同的材料,视锚杆作用的岩土体为弹性半空间位移体;基于Mindlin位移解,求出集中力作用下周围岩土体沿锚固体的轴向位移;根据压力型锚杆锚固段的受力状态,计算锚固体在轴向荷载作用下压缩变形,利用锚固体与周围岩土体变形协调假定,推导出锚固段轴向应力和剪应力分布的理论解。经过与已有现场试验实测数据对比分析,验证了理论解的可行性,并在此基础上讨论了相关岩土参数对锚固段轴向应力和剪应力的影响。锚杆现场试验和理论分析结果表明:压力型锚杆的锚固段所受轴向应力和剪应力与锚固力成正比;压力型锚杆的锚固段所受剪应力的分布形式受周围岩土体弹模、泊松比以及锚固体与周围岩土体界面的内摩擦角等因素的影响。其中周围岩土体的弹模影响最大。     

预应力锚索锚固作用机理的数值模拟研究

在探讨预应力锚索现场足尺试验实施难点的基础上,利用FLAC3D对预应力锚固体的应力、位移特点,不同的锚索刚度、岩土体弹性模量以及预应力大小对锚固体剪应力的分布规律的影响、塑性破坏区的转移趋势进行了数值模拟,拟合了剪应力呈指数函数关系的分布公式。在剪应力峰值不断向锚固端扩展的推断下,提出了注浆体接触面处的锚索极限锚固力的计算公式,具有一定的理论和实践意义。     

土层锚固体应力传递机制

基于锚固体轴对称受力特征开发了一种土层锚固界面试验装置,结合二维数字散斑相关方法,获得随着荷载加大锚固体周边土体的位移场及应变场变化规律。试验结果表明,锚固体的位移带动周边土体变形主要出现在靠近锚固体的一小薄层范围内,其变形具有范围稳定、连续、线性和剪胀等特征。采用与Coulomb屈服条件相关联的流动法则建立锚固体界面层的本构关系,并推导出了锚固体在拉拔荷载条件下的轴力和剪应力分布的表达式。分析结果表明,锚固体上的剪应力分布的均匀程度与土层密实度密切相关,土层的密实度越低,其抗力系数、内摩擦角越小,则锚固体上的剪应力分布越均匀,而抗力系数和内摩擦角较大的土层,其剪应力分布特征与岩石锚固体的理论及实测成果相似。     

基于小波函数的锚杆拉拔全过程分析

基于小波函数伸缩平移的特性,建立了能反映锚杆界面黏结?软化?滑动力学特性的剪应力?位移非线性本构模型,克服了三折线软化界面模型需要分段分析的复杂性。结合锚固体荷载传递的力学微分方程,推导了锚杆拉拔荷载?位移曲线的解析表达式,并提出了锚固体位移、轴力、周边剪应力的数值计算方法和步骤。通过算例分析,得到不同张拉位移作用下的锚固段位移、轴力和剪应力分布,获得的锚杆拉拔荷载?位移和锚杆轴向力分布计算值与实测值进行了对比分析,验证了该方法的有效性。该方法能准确地反映锚杆在不同荷载下的传力机制,模拟锚杆从弹性工作状态到塑性滑移的全过程。最后,通过参数分析,得到了锚杆锚固长度、轴向刚度以及锚固界面本构参数对锚固效果的影响规律。     

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。     

预应力锚索锚固段荷载传递解析算法

锚固是岩体工程增稳的主要措施,对充分发挥岩体的自承潜力,调节和提高岩体自身强度和自稳能力有着十分重要的作用。由于锚固工程本身的复杂性和多样性,导致目前锚固机制、设计理论以及计算方法都不够完善。现有的锚固段荷载传递解析解存在两大难题,一是没有反映锚固段应力变化过程,随着荷载不断加大,接触面是逐渐被破坏,剪应力的峰值将由端口逐渐向内转移;二是在端口处是一个应力奇异点,难以很好地解决。通过对当前多种锚固段荷载传递解析解的适用性及局限性进行分析归纳,指出应将锚固段应力分布划分为弹性、塑性和破坏3个阶段,在不同的阶段应力分布形式不一样,不能一概而论。在此基础上,基于传递系数,针对沿锚固段剪应力呈非均匀性分布形式,提出了一种能反映这3个阶段变化规律的荷载传递解析公式,获得了锚固段剪应力和轴力的分布规律和影响因素。对各解析解方法求出的临界锚固长度进行了算例对比,证实所提算法是合理和有效的。该算法适用于预应力锚索锚固段工程设计。     

拉力型锚杆锚固界面剪应力分布偶应力理论分析

锚杆锚固段界面剪应力分布规律是锚杆设计研究的重点,直接影响锚固效果。锚固段界面上的剪应力会引起界面附近的岩土体较大的应变梯度,而用经典弹性理论分析锚固段剪应力时没有考虑应变梯度。偶应力理论引进弯曲曲率,考虑弯曲效应对介质变形特性的影响,基于该理论建立平面应变问题的有限元计算模型,研究拉力型锚杆锚固段界面上的剪应力分布、界面附近的边界层效应和偶应力的尺度效应,并将偶应力理论的计算结果和经典弹性理论的计算结果进行比较。结果表明,在偶应力理论下,拉力型锚杆锚固段界面的剪应力和剪应变有所减小,特别是峰值处的剪应力减少明显;界面处的剪应力不再连续;界面附近的剪应变突变有所改善,出现一个过渡区域。特征长度减小,过渡区域变小,应变梯度增大,第二剪切模量对剪应力分布的影响不明显。     

预应力锚索锚固段剪应力分布与锚固段长度研究

基于弹性理论,按照半空间体在边界上受法向集中力作用,对预应力锚索锚固段剪应力沿长度方向的分布规律进行模型研究。通过分析实际工程和现场试验中剪应力分布特征,引入与预应力、锚固段长度、岩体强度、胶结材料强度等相关的参数?和与剪应力最大值的位置、锚固段直径等相关的参数?后,可以较好地模拟锚固段的剪应力分布规律。根据锚固段胶结材料的抗压强度?c、内摩擦角?以及参数?与预应力大致成线性反比例关系,可以估算极限承载力。同时,按所述方法计算实际需要的锚固段长度Ls是设计锚固段长度Ld的2tan?倍。最后,实例分析表明,研究成果是合理的。     

考虑施工过程的基坑锚杆支护模型试验研究

通过大型室内模型试验,研究了土质基坑在开挖和预应力锚杆施工过程中土中应力、锚固段应力及基坑壁侧向位移的变化规律。结果表明,在基坑开挖过程中,基坑壁附近的土体应力状态变化显著;锚杆锚固段应力呈非线性递减分布;基坑壁侧向位移随施工过程的进行而呈增大的趋势。在模型试验基础上,对土层锚杆的锚固和变形机理进行了探讨,结果表明：必须建立一个包括基坑周围土体以及锚杆等在内的完整力学模型,且考虑施工过程,才能较精确地求解基坑周围应力场和位移场。     

Computing of the Anchor by the Method of Three-Dimension Point-Radiate Infinite Elements

On the basis of the one-dimension infinite element theory, the coordinate translation and shape function of 3D point-radiate 8-node and 4-node infinite elements are derived. They are coupled with 20-node and 8-node finite elements to compute the compression distortion of the prestressed an- chorage segment. The results indicate that when the prestressed force acts on the anchorage head and segment, the stresses and the displacements in the rock around the anchorage head and segment con- centrate on the zone center with the anchor axis, and they decrease with exponential forms. Therefore, the stresses and the displacement spindles are formed. The calculating results of the infinite element are close to the theoretical results. This indicates the method is right. This article introduces a new way to study the mechanism of prestressed anchors. The obtained results have an important role in the re- search of the anchor mechanism and engineering application.     

模拟岩石节理试样剪切变形特征和破坏机制研究

通过RMT－150C电伺服试验机,利用人工浇注素混凝土节理试样进行了不同剪切变形速率、法向应力和起伏角情况下的剪切试验,研究了节理破坏模式和刚度特征及其与起伏角、剪切变形速率和法向应力之间的关系。研究结果表明,试样破坏模式主要受起伏角控制,小起伏角情况下节理呈现磨损破坏模式,大起伏角情况下节理呈现剪断破坏模式,法向应力和剪切变形速率对节理破坏模式有一定的影响;节理的剪切刚度随剪切变形速率和起伏角的增大而增大,增大幅度随变形速率的增大有减小趋势;节理的剪切刚度随法向应力的增大而增大,基本呈线性关系。提出了考虑剪切速率和起伏角度影响的节理剪切刚度公式,并根据试验结果对剪切刚度公式进行了拟合。     

风化岩体中压力型锚索锚固段的剪应力分析

岩体在风化过程中,其物理力学性质会随着风化程度的不同有所差异。结合均质岩体中压力型锚索受力特点,以及内部对称荷载作用下横观各向同性弹性体内的剪应力分布特点,推导出了压力型锚索在横观各向同性弹性岩体内的剪应力分布方程。假定风化岩体为横观各向同性弹性体,其弹性模量及剪切模量均按指数函数变化,分析结果表明：①由于风化岩体的弹性模量随着深度的变化,锚索锚固段的剪应力也随着岩体的弹性模量的增加（减小）而增加（减小）;②在承压板附近,锚索锚固段的剪应力随锚索孔半径的增加而减小,由于风化岩体剪切模量的变化,因而导致剪应力的变化量很大;③在承压板附近,锚索锚固段接触面上的剪应力随着垂直于岩体横向等向面的剪切模量的改变而相应的改变。研究成果可为实际工程中压力型锚索设计提供参考。     

基于SURPAC模型的采空区与露采边坡相互影响的FLAC3D分析

采用SURPAC建立了瓮福磷矿穿岩洞矿段采场的三维地质模型,利用接口程序将模型导入FLAC3D对采空区与露采边坡之间的相互影响进行了计算,并在边坡坡顶、坡脚与采空区四周布置了监测点以监测各点应力与位移的变化。计算结果表明:采空区的存在极大地改变了采空区周边与边坡的应力分布;使得采空区周边水平位移出现明显增加,并且改变了采空区位置周边的竖向位移场,对各个采空区之间的区域的影响最为显著,使得回弹量减小;边坡与采空区监测点的应力与位移随着边坡露采的进行出现规律性的变化;采空区的存在极大地改变了岩体塑性区的分布,对于有采空区边坡,塑性区分布范围随着开挖的进行有减小的趋势,但坡面上出现明显的拉伸破坏区,不利于边坡稳定;采空区使得露采边坡的安全系数降低。     

浅埋偏压连拱隧道的施工优化及支护受力特征分析

用岩土工程专用分析程序FLAC3D,对铜黄高速公路汤屯段富溪浅埋偏压连拱隧道进口段采用的施工过程进行了三维快速拉格朗日差分方法分析,比较了先开挖浅埋侧主洞与先开挖深埋侧主洞两种开挖施工顺序,获得了浅埋偏压连拱隧道在采用不同开挖顺序施工时各阶段隧道变形、中隔墙及支护结构的应力和位移等变化情况,通过对比、分析,从而使得实际隧道施工顺序得到优化,结果与现场监控量测资料相比较,得出的结论可为富溪浅埋偏压连拱隧道施工提供科学依据与技术指导。     

基于卸荷和抗震分析理论的大岗山坝肩边坡锚固优化研究

基于卸荷岩体的理论和方法,对大岗山水电站坝肩边坡进行研究。以大型通用有限元程序ADINA为计算平台,对比分析坝肩边坡卸荷后,不同地震加速度及不同锚固长度和锚固吨位在卸荷条件下关键点的位移和应力以及塑性区的变化规律,认为边坡开挖变形由两部分组成,一部分为卸荷回弹,另一部分是由于大吨位锚索施加后产生的朝向坡内的压缩变形。研究表明,由于锚索穿过V岩体底部界线,在可能的滑坡剪出口形成强大的阻滑键,增加锚索长度或吨位均可有效地减小坝肩塑性区,地震加速度为0.1g和0.15g时,在各加固吨位下均可能形成塑性区的贯通;在不同的地震加速度下,受不同锚固长度和锚固力影响,不同关键点处水平向位移呈现线性变化和非线性变化,非线性关系中的拐点应重点关注;若要减少岩体塑性区,相同比例下增大锚固长度效果更好。为了有效减少在高地震烈度时边坡塑性区的发育,建议采用增加120%的锚固长度。     

Analytical solutions for stresses and displacements around tunnels driven in cross-anisotropic rocks

In this paper, closed-form solutions for the stresses and displacements around unlined circular tunnels excavated in an elastic, orthotropic (cross-anisotropic) medium are developed. The effect of both the elastic parameters characterizing the behaviour of the medium and the anisotropy of the initial stress system on the stresses and displacements induced are evaluated. An example of utilizing the theoretical solution for design analysis is given. For convenience of application, design charts are prepared for the determination of stresses and displacements for given values of initial stresses and the elastic parameters. Copyright © 1999 John Wiley & Sons, Ltd.     

预应力锚索锚固效应的三维数值模拟及其工程应用研究

预应力锚固技术在岩土加固的各个领域中得到了广泛的应用,但是关于其锚固机理的研究仍处于探索阶段。本文采用快速拉格朗日分析法(FLAC3D)对预应力单、群锚体系作用下锚固段、自由段以及锚头部位的受力、变形和破坏机理进行了三维数值模拟分析,探讨了影响锚固段剪应力分布的一些因素,在此基础上得出了一些有益的结论,可为预应力锚固的工程设计和理论研究提供参考。最后,将其应用到工程实践中,证明了其有效性。      

2-D deformation analysis of a half-space due to a long dip-slip fault at finite depth

Closed form analytical expressions of stresses and displacements at any field point due to a very long dip-slip fault of finite width buried in a homogeneous, isotropic elastic half-space, are presented. Airy stress function is used to derive the expressions of stresses and displacements which depend on the dip angle and depth of the upper edge of the fault. The effect of dip angle and depth of the upper edge of the fault on stresses and displacements is studied numerically and the results obtained are presented graphically. Contour maps for stresses and displacements are also presented. The results of Rani and Singh (1992b) and Freund and Barnett (1976) have been reproduced.     

Analytical and Numerical Study of the Mechanics of Rockbolt Reinforcement around Tunnels in Rock Masses

Summary  This paper addresses the problem of quantifying the mechanical contribution of rockbolts installed systematically around tunnels excavated in rock masses. The mechanical contribution referred to here is that of increased stress confinement and decreased tunnel convergences as compared with corresponding stresses and displacements obtained for non-reinforced tunnels. The problem is treated analytically first by presenting a closed-form solution for stress and displacement distributions around a circular tunnel excavated in elastic material and reinforced by grouted or anchored rockbolts. The analytical solution assumes that rockbolts are regularly spaced around the tunnel and that axi-symmetry conditions of geometry and loading apply. The results obtained with the closed-form solution are shown to be equivalent to the results of the same problem solved with traditional numerical methods. Based on the analytical and numerical results and by introducing dimensionless ratios that allow to quantify the increase of radial stresses and the decrease of radial displacements in the reinforced region of the tunnel, the paper shows that reinforcement can have a significant mechanical effect (i.e., increasing the confinement and decreasing the convergences) in tunnels excavated in rock masses of poor to very poor quality. The paper analyzes then the mechanical contribution of rockbolt reinforcement when the rock mass is assumed to behave elasto-plastically. For this case, it is shown that rockbolt reinforcement can also have a critical effect in controlling the extent of the plastic failure zone and the convergences of the tunnel. Correspondence: C. Carranza-Torres, Department of Civil Engineering, University of Minnesota, Duluth Campus, 1305 Ordean Court, Duluth, USA