新型高强预应力让压锚杆巷道支护性能的数值模拟

一种新型的高强高预应力让压锚杆在国内煤矿深埋巷道支护中得到了成功应用,与普通锚杆相比,高强度、高预应力和让压性能是其主要特点。基于高强预应力让压锚杆力学模型,建立了让压锚杆-围岩相互作用体系的有限元数值模型,并对巷道围岩应力分布、位移和锚杆受力性能进行了分析。结果表明,高强预应力让压锚杆系统能够减小锚杆荷载,且可防止大变形和深井巷道支护中锚杆过早地进入屈服,对杆体具有保护作用。     

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。     

全预应力锚杆机械锚固装置的设计与应用

针对目前地下工程中广泛使用的螺纹钢锚杆支护存在的预紧力差、预应力长度短的问题，设计制造了全预应力螺纹钢锚杆机械锚固装置，有效加大了锚杆预应力段的长度，提高了锚杆的预紧力，解决了施工锚杆后因爆破震动或矿压显现造成的托盘反复松动问题。现场应用和矿压观测表明，全预应力锚杆支护能适应恶劣条件，有效控制围岩的变形。     

高应力破裂岩体条件下锚网支护研究

通过研究传统新奥法充分利用和调动巷道围岩强度及其自身承载能力,依靠围岩支护共同作用原理来维护围岩的稳定性。对锚网支护作用机理进行研究,建立预应力锚杆的力学模型,发现高强预应力锚杆的锚固力与围岩性质、锚固方式、锚杆杆体和围岩应力等因素有关;同时分析了锚网支护与围岩共同作用机理,并应用FLAC对锚网支护机理进行研究,发现锚网支护与围岩形成压缩拱,依靠压缩拱来抵抗围岩应力,进而维护巷道围岩的稳定。通过在小官庄铁矿进行试验,在小官庄铁矿41联巷采用高强预应力锚网支护,取消喷射混凝土,巷道围岩变形量比较小,锚网支护能够维护高应力破裂岩体围岩的稳定,在同类矿山中具有推广应用价值。     

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。     

全长黏结式锚杆沿程应力分布模拟方法

全长黏结式锚杆是地下洞室常用的一种围岩支护手段。研究全长黏结式锚杆沿程应力分布特性对于锚杆-围岩组合体的稳定性评价具有重要的作用。利用单元嵌入计算格式,建立锚杆-围岩组合体中锚杆的等效模拟方法。通过轴对称四边形单元模拟锚杆内部变形,据此推导该单元内力、切线刚度及锚杆模型固有内力、计算刚度,最终通过整体及局部坐标的变换建立锚杆模型附加内力及切线刚度的计算方法。锚杆的非线性特性主要由接触面失效、杆体屈服引起,该方法能够较方便地应用隐式有限元计算格式,对围岩及锚杆的非线性特性进行统一分析。该方法在反映锚杆对围岩支护效果的同时,能够较好地反映锚杆的沿程应力分布特性。     

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。     

剪切过程中锚杆的轴向和横向作用分析

为了分析锚杆轴向力和横向剪切力分别换算的结构面抗剪强度大小规律,依据最小势能原理的变分法,并考虑结构面剪胀特性,建立加锚结构面抗剪强度计算公式。通过加锚结构面直剪试验验证理论计算的有效性,结合理论计算公式,分析了在不同锚杆倾角下围岩强度、锚杆直径和法向应力对锚杆轴向力和横向剪切力换算的抗剪强度影响规律,以及预应力对抗剪强度的影响。结果表明：加锚结构面抗剪强度计算结果与试验结果吻合较好;当锚杆倾角逐渐增大时,锚杆轴向力发挥的抗剪强度逐渐降低,横向剪切力发挥抗剪效能逐渐增大,当锚杆倾角为120°～150°时,轴向力换算的抗剪强度基本为0,而横向剪切力换算的抗剪强度最大;随着围岩强度或法向应力的增大,锚杆轴向力换算的结构面抗剪强度减小,但随锚杆直径或预应力的增大,锚杆轴向力换算的结构面抗剪强度增大;当围岩强度和锚杆直径增大,锚杆横向剪切力换算的抗剪强度会明显增大,而预应力增大会使锚杆横向剪切力换算的抗剪强度呈现降低趋势。     

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。     

基于格栅拱架的软岩巷道分步联合控制技术研究

针对煤矿深井软岩巷道大变形灾害频发难题,以淮南矿区潘三矿软岩大变形巷道为工程背景,在系统分析围岩失稳破坏大变形原因的基础上,提出了深部软弱破碎巷道基于格栅拱架的分步联合支护技术,包括：格栅支架+一次锚杆锚索、初喷、浅孔注浆、预应力锚杆、复喷150 mm厚混凝土、深孔注浆和帮顶预应力锚索。进一步,分析了格栅拱架支护控制原理,并采用FLAC^3D确定了基于格栅拱架的分步联合技术的最优支护参数。现场对比分析表明,格栅拱架支护围岩初期变形速率及最终收敛变形量均大于型钢支护,但加设二次支护之后格栅拱架位移能较快收敛,此外,格栅支护在经济和效率方面优于钢拱架支护。最后,通过现场监测,格栅拱架分步联合技术各工序的最优施工周期为：预应力锚杆、锚索合理的支护时间是注浆后10 d内,而深孔注浆之后预应力锚杆2周内较优。实践表明,基于格栅拱架的分步联合控制技术深井是软岩巷道围岩控制的一条有效途径。     

预应力群锚根状效应原位试验研究

根据悬索桥隧道式锚碇系统预应力岩锚原位试验及模拟计算结果,分析了锚索的锚固长度、自由长度、锚固注浆压力以及锚注体与围岩界面结合程度对岩锚极限抗拔力的影响。比较了群锚与单锚作用下的岩锚本身及宿主介质的荷载、位移分布特征。群锚约束岩体向临空面变形,具有增韧止裂的根状效应,受埋深(自由长度)、间距、初始预应力、加载历史等影响。锚索的锚固长度控制着岩锚的极限承载力,而自由段长度控制着其在隧道式复合锚碇系统中参与荷载分担的贡献值和时机,自由段长度对有效传递和分散围岩应力有关键作用。指出群锚整体破坏形态存在传递多米诺效应。     

顺层岩质边坡预应力锚索抗震加固机制研究

将顺层岩质边坡的层面考虑为弱面,将其等效为等间距共线多节理的力学模型。预应力锚索加固边坡的锚固模型等效为平面有限宽度岩体节理问题。并将初始应力和地震荷载引起的附加动应力视为远场作用,锚固边坡的受力问题视为远场作用效果和节理面集中力作用效果的叠加。根据叠加原理计算地震荷载作用下裂纹端部应力强度因子,发现位于裂纹端部的预应力锚索能大幅度降低I型裂纹的应力强度因子。以应力强度因子作为岩体的压剪破坏判据解释顺层岩质边坡预应力锚索的抗震加固机制,能很好地解释汶川地震边坡破坏特点。     

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.

     

预应力锚索加固高陡边坡机制探讨

预应力锚索加固边坡是提高边坡稳定性的重要手段。弄清预应力锚索加固边坡的机制对于指导边坡加固设计具有重要的理论意义。通过建立高陡边坡计算模型,不断提高边坡岩土体强度折减系数,得到了边坡坡脚位移及预应力锚索内力变化规律,并结合预应力锚索加固岩体应力分布规律,得到了有益的结论：（1）边坡岩土体强度折减系数超过边坡安全系数后,预应力锚索内力开始迅速增加,越靠近坡脚的预应力锚索,内力增加越明显,可以监测坡脚处锚索内力变化,评价边坡稳定状态;（2）对于高陡边坡,绝大部分预应力锚索并不能提高潜在滑动面上的压应力,不能提高滑动面的抗剪强度;（3）预应力锚索加固高陡边坡的主要机制在于限制边坡潜在滑动体的位移。     

全长黏结型预应力锚杆受力特性研究

全长黏结性预应力锚杆是一种结构和锚固机制新颖的全长锚固锚杆,已有的研究缺少锚杆孔壁形态对锚杆承载能力影响的分析。锚杆孔壁结构面起伏形态具有自仿射分形特征,详细分析了结构面抗剪强度、注液压力、张拉荷载与结构面分形维数D之间的关系,建立了各自计算与分析方法,得出施加的注液压力应小于锚固围岩体的抗压强度,以及随着维数D增加,张拉荷载亦相应增加,确定了锚固承载层与岩体结构面失稳判断的准则。探讨了全长黏结性预应力锚杆锚固性能。研究为其设计、试验和应用提供了一定的理论依据。     

地震作用下预应力锚索加固危岩体的动力响应分析

针对预应力锚索加固危岩体的特点,以某危岩体加固工程的3个典型工程剖面为实例,通过对不同动荷载作用下预应力锚索加固的危岩位移场、应力场分布特征的数值模拟计算,揭示了预应力锚索加固危岩体在地震作用下的动态响应和变化规律。分析结果表明,随着地震动峰值加速度（PGA）、反应谱特征周期（Tg）的增大,被加固危岩体的位移和应力值明显增大,应力集中区的范围扩大,围岩损伤的可能性增加,稳定性降低。其成果为危岩体抗震加固与减灾提供理论基础和实践依据。     

改进的杆系有限元在预应力锚杆柔性支护法中应用

现在基坑设计中常用的杆系有限元计算方法是基于桩墙和锚杆联合支护的,不适用于预应力锚杆柔性支护。根据预应力锚杆柔性支护法的施工特点,改进了杆系有限元计算模型,提出柔性支护的开挖荷载计算方法,使之可以适用于预应力锚杆柔性支护法。编制了相应的计算程序,最后对一个实际工程进行计算分析,结果表明,用改进后的杆系有限元方法可以计算出预应力锚杆柔性支护的基坑水平位移、锚杆轴力,计算值与实测值较为吻合。     

预应力锚索锚固力损失与岩土体蠕变耦合效应研究

因预应力锚索锚固力损失而导致锚固失效的工程事故屡屡发生,锚索锚固力损失与岩土体蠕变之间存在复杂的耦合效应关系,建立二者之间的耦合效应模型,确立二者之间的计算关系式,为预应力锚固工程的设计、施工、安全运行管理以及锚固力损失的控制与补偿技术提供理论基础和技术手段。通过理论分析和模型研究,在岩土体常用流变模型基础上建立了基于应变相等的耦合效应计算模型,并进行了模型验证。研究结论：（1）建立了与工程实际相符合的锚索锚固力变化和岩土体蠕变的耦合效应计算模型,正确反映了预应力锚索锚固力损失和岩土体蠕变之间的关系,推导出了其本构方程、松弛方程和蠕变方程,从理论上解决了锚固力变化与岩土体蠕变之间的计算关系。（2）通过耦合效应计算模型的蠕变方程,在材料参数已知的情况下,可以计算出边坡蠕变影响引起的锚索锚固力损失量,并结合实际工程中监测到的锚索应力数据进行对比分析,就能够准确地了解、评价锚索锚固力的异常变化情况,指导实际工程中的设计和施工,保证工程建设过程中的安全性。（3）通过耦合效应计算模型的松弛方程,可以对预应力锚索受力状态的监测数据进行分析整理,通过对锚索锚固力损失量的数据进行反分析,分析岩土体的蠕变参数,根据蠕变介质的材料特性,计算岩土体蠕变量,根据蠕变量判断预应力锚索锚固工程的安全性和可靠性,指导锚固工程的安全运行管理。     

辽宁海州露天矿边坡预应力锚索远程监测系统

随着海州露天矿的闭坑,岩体结构越来越弱化,围岩的支承能力越来越小,露天矿边坡处于不稳定状态,具有发生大规模滑坡的潜在危险。根据海州露天矿工程地质条件,边坡形态,稳定状态及监测目的,研发海州露天矿边坡预应力锚索远程监测系统。系统应用GPRS远距离无线传输技术远程主动监测边坡岩体内部应力变化来获取岩体变形特征和滑移信息,实现边坡锚索应力全天候连续自动监测,其采用太阳能进行供电,适用于边坡中、长期监测。通过对海州露天矿边坡监测与边坡稳定性分析的现场应用实践证明,该系统可以对边坡稳态进行实时监测,对边坡滑坡灾害防治具有重要意义。