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。     

预应力锚杆对岩体板裂化的控制机制研究

为探究预应力锚杆对岩体板裂化破坏的控制机制,首先进行了岩体板裂化破坏的室内物理模型试验,并运用FLAC数值模拟技术,模拟了平面应变状态下板裂化破坏的形成过程;在此基础上,通过3种不同的预应力锚杆施加方案,进行预应力锚杆对岩体板裂化破坏控制机制的数值试验。研究结果表明：预应力锚杆的作用削弱了裂隙尖端应力集中现象,有效地抑制了岩体内裂隙的扩展与贯通、板裂化破坏的形成;作用在板裂区边界的预应力锚杆,不仅能够抑制板裂化破坏的形成,而且能在一定程度上控制板裂化破坏的范围;作用在板裂破坏区内的预应力锚杆,可有效限制板裂岩体向临空面的位移,体现出提高板裂岩体整体变形刚度的作用。研究结果对认识深埋隧洞围岩板裂化破坏的形成机制、板裂化破坏的合理支护控制以及岩爆防治具有重要指导价值。     

大变形锚杆-围岩耦合模型及其计算方法

在矿山、水利、交通等工程领域中大变形锚杆已经获得了广泛的认可和应用,而相应理论水平落后于工程实践的现状则限制了大变形锚杆支护技术的进一步发展。针对大变形锚杆的力学及变形特性,提出了一种锚杆-围岩耦合作用结构模型,并基于塑性增量理论,从锚杆-围岩相互作用的角度,提出了大变形锚杆加固岩体的求解方法,推导了加锚岩体的平衡方程、位移协调方程和锚杆响应方程。在Visual Basic开发环境中编制有限差分计算程序,利用龙格库塔法求得了大变形锚杆-围岩耦合模型的半解析解,并通过数值模拟验证了理论模型的有效性。基于上述理论模型和计算方法,不仅可以计算得到大变形锚杆轴力和剪应力分布情况,定量分析其支护效应,还可以系统地求得加锚岩体的地层响应曲线及锚杆自身的响应曲线,对于地下工程中大变形锚杆的支护设计有基础性指导意义。     

全长黏结锚杆的数值流形方法模型

基于流形方法的有限覆盖技术,确定流形元覆盖系统下锚杆的位移函数,由此建立全长粘结锚杆的数值流形方法模型,定义了锚杆流形单元,并推导了锚杆流形单元的数值计算格式。该模型符合全粘结的物理意义,是一种局部解析的锚杆数值方法,具有较高的精度。同时锚杆与数学覆盖相对独立,只要求锚杆完全处于数学网格的覆盖之中,对其相对位置没有要求,所以一般网格可以适应锚杆的复杂布置。该模型可以应用于岩土锚杆模拟及钢筋与混凝土共同作用分析等问题。     

边坡岩体疏干巷道排水动态过程的数值模拟

渗流数值计算是岩体排水设施和仿真模拟、动态分析、效果评价及预测的有效工具。应用边界元数值方法模拟研究了巷道疏干边坡地下水的动态过程。结果表明,岩体的渗透系数张量、可疏干孔隙率对疏干排水效果及其动态过程变化产生显著影响。同时可见边界元数值方法模拟断面尺寸较小的排水设施时,十分有效。     

基于切比雪夫谱元模型的成层场地地震反应分析

将切比雪夫谱元模型应用于成层场地的一维波动分析,发展了一种具有高阶数值格式的场地地震反应时域分析方法。通过谱单元离散基岩和覆盖土体,建立各个单元的波动方程,并在基岩内设置透射人工边界,模拟底部无限域对内域波动的影响;利用切比雪夫正交多项式构造高阶单元位移模式,得到空间离散后的场地节点运动方程;利用中心差分原理,结合人工边界的数值格式,推导了一种稳定的时域积分数值方案。最后通过2个算例阐释了该方法在场地地震反应分析中的应用,并与传统方法进行了对比分析。数值试验表明,该方法具有高精度特性,在使用较少节点的条件下仍能得到较为可靠的计算结果,可显著地提高场地地震反应分析的计算效率。     

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。     

用改进的DDA方法模拟公路隧道的稳定性

用改进的非连续变形分析(DDA)方法对某公路隧道进行了稳定性分析。采用有限元网格生成方法--行波法,在计算区域内自动生成三角形的DDA块体。块体的边界分为真实节理和虚拟节理,虚拟节理的强度取岩体的真实强度。另外,计算中还考虑了预应力锚杆对隧道围岩的加固作用。将计算得到的隧道拱顶、边墙的位移与现场监测结果进行了对比,两者基本吻合,说明改进的DDA方法在地下隧道的稳定性分析方面具有应有前景。     

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。     

FLAC3D模拟全长注浆锚杆的作用效果

介绍了FLAC3D的基本原理及其求解过程。通过对某边坡进行数值模拟,对比分析了此边坡在锚杆支护前后水平位移等值线图、竖直位移等值线图及安全系数的变化,说明了FLAC3D模拟边坡开挖以及支护的简便性和锚杆对边坡稳定性的作用效果。     

不同支护条件下锚杆支护作用的模型试验研究与数值分析

以重庆至长沙公路共和隧道为研究对象,研制出相似模型材料和配套试验设备,进行不同长度锚杆支护条件下的隧道超载试验。采用应变测量技术,测量两种不同长度锚杆支护工况下的隧道关键部位的应变值,据此分析围岩体在锚杆支护后的应力变化规律。通过模型材料室内试验,获取岩体相关计算参数,采用与模型试验相同的边界条件进行相应工况的有限元数值模拟,研究围岩体的变形量、应力场和锚杆轴力因锚杆长度不同而产生的变化。结果表明,模型试验和数值模拟反映围岩体应力和锚杆轴力因锚杆长度的不同而产生的变化是一致的。     

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。     

Effect of anchor plate on the mechanical behavior of prestressed rock bolt used in squeezing large deformation tunnel

Anchor plate is a necessary component of the prestressed rock bolt, which plays a decisive role in actively resisting the rock mass deformation and improving the self-bearing capacity of the surrounding rock. In this paper, in order to investigate the effect of anchor plate on the mechanical behavior of prestressed rock bolt used in squeezing large deformation tunnel, a series of numerical, field and laboratory tests were performed. The mechanical characteristics of anchor plate with different shapes and sizes were systematically analyzed. Based on the Muzhailing Tunnel in Gansu Province, China, which is a typical deep-buried soft rock tunnel and suffered from serious squeezing large deformation disaster, the field verification was carried out. Meanwhile, the influences of spherical washer on the mechanical behavior of bolt shaft and anchor plate were also investigated. The result shows that the bowl-shaped plate has much better performance than the flat one, while the rounded bowl plate performs slightly better than the squared bowl plate. With the increase of plate thickness or plane size, the anchor plate has the better bearing capacity, while the stress transfer effect will be worse. Furthermore, the non-uniform deformation will gradually increase with the decrease of plate thickness or increase of plane size. Therefore, it is advised to increase the plate thickness rather than the plane size under the condition of better bearing capacity. The bending-induced stress of the anchor plate increases rapidly with the increase of the inclination angle between bolt shaft and anchor plate. Whereas the installation angle is unavoidable in practice, the spherical washer which has great effects on reducing the bending-induced stress could be a necessary component of the prestressed rock bolt system.

     

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。     

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。     

全长粘结式锚杆加固节理边坡的动静态位移响应

锚杆通常被作为表面粗糙的轴力杆单元进行分析,但在节理边坡加固中,由于节理面的错动,同时考虑锚杆的轴向和横向作用显得更加合理。通过理论分析,建立锚杆三弹簧单元的力学特征模型和变形特征模型,对其受力和变形进行全面分析;运用拉格朗日元数值方法(FLAC3D),建立以理想弹塑性本构Mohr-Coulomb准则为基础的节理边坡模型,应用三弹簧锚杆单元,对其锚固前后的动静态位移响应进行模拟。结果表明：节理面锚固处理后,岩体的刚度得到提高;边坡各部位的位移减小,节理两侧位移的突变值变小;锚杆对节理的上下盘岩体起到有效的拉结作用,抑制了两盘之间的较大变形位移,有利于边坡稳定。     

喷锚支护节理岩体的弹性复合单元模型

利用复合单元技术,建立节理岩体喷锚支护的弹性模型。该模型可先不考虑节理、锚杆、喷层等细部结构,生成常规有限元网格,然后根据节理、锚杆、喷层的相关信息,形成复合单元网格信息。该模型可重点考虑锚杆和喷层在节理面上的局部化非线性变形与相互作用关系。算例研究验证了模型的合理性。该复合单元算法同时包含等效模拟和离散模拟的优点,有着较好的应用前景     

预应力锚索+系统挂网锚杆在人工高边坡支护中的应用

以河北钢铁集团舞钢新建厂区北边坡第4工段支护工程为例,介绍了预应力锚索和系统挂网锚杆的支护结构在破碎的岩石高边坡支护中的应用。     

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。     

基于完整锚杆动测技术的围岩质量识别研究

完整锚杆系统是由完整的锚杆杆体、饱满的锚固介质以及围岩组成的有机体系。在描述锚杆低应变动力响应的数学力学模型中,将锚固介质与围岩对锚杆体的作用简化为沿杆长均匀分布的杆侧弹性系数与阻尼系数,以及均匀分布在杆底的刚度系数与阻尼系数,即锚杆系统的动力参数。它们不仅表征了锚杆锚固质量,而且体现出锚杆所处围岩的物理参数。通过建立围岩物理参数与完整锚杆系统动力参数的映射关系,可以对围岩质量进行识别。为此,建立了完整锚杆三维轴对称有限元计算模型,得到不同的围岩物理力学参数所对应的锚杆杆顶速度响应;根据完整锚杆低应变动力响应理论解和遗传算法建立了完整锚杆动力参数的识别方法;通过对不同围岩下完整锚杆的数值模拟结果的动力参数识别,建立了杆侧弹性系数与围岩变形模量之间的关系式,提出了一种基于完整锚杆动测技术的围岩质量识别方法。