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。     

动力扰动下全长黏结锚杆的力学响应特性

深部岩体工程中,锚杆在围岩变形后处于高承载应力状态,受到爆破振动、矿震等动载荷作用后极易失效,因此,亟待研究动力扰动下锚杆的力学响应机制。基于SHPB试验平台,自行研发了一套研究锚杆动力响应的试验装置,开展动力扰动下全长黏结锚杆的力学响应特性研究。结果表明：初始动载荷作用下锚杆滑移量随着入射能的增加而增加,锚杆中应力波的波峰值随着传播距离的增加而逐渐减小,当应力波传播至锚杆最里端时,应力波峰值衰减较大;第2次动载荷后锚杆SG1处与SG2处应力波峰值差明显比第1次减小,表明动载荷下锚固界面从锚杆外端开始损伤;锚杆失效与锚固界面损伤有关,锚杆承载后初次受到动载荷的影响导致锚固界面产生损伤,损伤锚固段又受到外部载荷（如二次冲击、岩体挤压）作用时会进一步劣化,其不能抵抗围岩的变形而失效。研究结果为揭示锚杆支护失效行为,采取合理的设计与施工提供新的思路。     

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。     

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。     

双锚杆受力机制分析及模型试验研究

为了研究锚杆间距对全长黏结锚杆之间相互作用产生的影响,推导出基于Mindlin解的双锚杆锚固段应力分布近似解,并结合单锚和双锚静载拉拔模型试验,得到了锚杆间距改变对双锚杆应力分布、极限承载力及最终破坏形态的影响规律。结果表明：间距减小使得锚杆的轴向应力和侧摩阻力呈现均匀化趋势,且轴向应力随间距减小而增大,锚固段中部增长幅度最大。当锚固系统进入破坏阶段,随着间距减小,锚固系统周边岩体破坏的位置深度增加,破坏锥形体的面积增大,并由单锚的倒锥状破坏转变为复合破坏模式。间距过小时,增加锚杆数量对承载力的提升十分有限,为起到锚固联合作用,锚杆间距应不小于10 D(D为锚杆直径),在软弱岩体中间距取值应加大。     

土遗址全长黏结式锚固系统动力响应解析方法

以纵向宽大裂隙引起的夯土城墙遗址稳定问题为背景,建立危险土体?锚杆?稳定土体锚固系统简化力学模型。该模型将土体对锚杆的摩阻作用简化为一个线性弹簧和一个与速度相关的阻尼器的并联机构,将裂隙段锚杆对两侧土体的拉结作用简化为一个线性弹簧。基于弹性体动力理论建立锚固系统动力平衡方程,并推导了锚杆轴力和位移的动力响应解析解。最后,以新疆高昌故城南城墙某段锚固工程为例对提出的解析方法进行了说明,明确了锚杆轴力响应特征及其分布规律,并通过数值分析对其合理性进行了验证。结果表明：在动力作用下同一位置锚杆的轴力响应呈围绕静力平衡位置的波动形态,轴力峰值点位于裂隙附近,且逐渐向临空端和锚固端指数衰减。在考虑地震加速度沿遗址高度的放大效应后能够获得较精确的锚杆轴力响应。     

全长黏结式锚索对软岩洞室的加固效应研究

采用为研究软岩洞室中自由式预应力锚索加固效应而进行的物理模型试验中的相关参数,在假设注浆体与岩石孔壁之间的摩阻力与其之间的相对位移存在比例关系,以及该摩阻力最大值与岩体力学性质,运用岩体与锚索单元网格自由剖分的方法,通过数值计算,对全长黏结式锚索在软岩洞室中的加固效应进行了研究,得到了洞壁开挖位移曲线以及锚柱表面摩阻力、锚柱轴力的分布曲线。研究结果表明,锚固洞室开挖位移大大减少;位于岩体活动区及稳定区的锚柱体上的摩阻力变化幅度不同;锚柱最大轴力点的位置是变化的等结论。     

基于单元劈裂法的岩体黏结型结构面数值模拟

节理岩体中富含结构面等不连续体,其中很多结构面之间具有一定黏结强度,在冲击荷载作用下会发生脱结（debond）行为,从而消耗岩体应变能。在该结构面之间的黏结性质在很大程度上决定着岩体的破坏行为,发生脱结后,结构面之间不再具有黏结强度,岩体的力学性能发生弱化。为了对该类结构面进行模拟,在改进的Xu-Needleman势函数基础上推导出结构面单元,并将其嵌入到单元劈裂法中,模拟结构面的开裂过程,当结构面完全脱结后结构面单元就转化为一般节理单元。相应地,在数值实现过程中只是将结构面单元替换为一般节理单元即可。该结构面单元与单元劈裂法相结合,能够有效地模拟节理岩体的破坏过程。     

基于界面滑移脱黏的锚杆合理锚固长度研究

为确定煤巷不同围岩条件下锚杆的合理锚固长度,基于锚固剂-围岩界面滑移脱黏失效模式,推导出弹性阶段锚杆极限承载力、界面剪应力分布计算公式。在分析锚固剂-围岩界面发生滑移脱黏发生条件基础上,提出既安全经济,又能充分发挥围岩可锚性和锚杆材质性能的锚杆合理锚固长度确定原则,分析了合理锚固长度的影响因素和设计流程。研究表明,锚杆弹性极限承载力主要受锚固剂-围岩界面抗剪强度[τ]影响,界面剪切刚度K_1是临界锚固长度的关键控制因素。短锚拉拔试验测取的不同围岩条件下界面参数[τ]、K_1,可为锚杆设计载荷、合理锚固长度设计提供指导。算例分析结果表明,基于锚固剂-围岩界面滑移脱黏设计的锚杆锚固长度与目前煤巷锚杆采用的锚固长度基本一致,验证了锚杆合理锚固长度计算方法与设计流程的可行性。     

土质滑坡格构锚杆抗滑机制及受力试验研究

通过滑坡防治格构锚固大型物理模型试验,分析了土质滑坡格构锚杆体系在坡顶荷载下的变形和位移,揭示了格构锚杆的抗滑机制,探讨了锚固力与坡体位移及锚杆变形的关系,提出了极限锚固力的计算方法。结果表明：滑坡滑动时,格构梁与坡体整体发生旋转滑移,锚杆在滑面处发生了弯曲变形,处于弯曲和轴向拉伸组合变形状态;格构锚杆的抗滑作用表现为锚杆在滑面处的抗剪抗滑和锚杆格构梁的挡土阻滑;格构锚杆的极限锚固力由初始预应力、锚杆弯曲变形引起锚拉力、坡体位移引起锚拉力三部分组成,可通过公式 计算。该研究结果可为格构锚固体系的优化设计提供一定的参考。     

软岩巷道中网壳锚喷结构受力监测分析

软岩巷道支护是煤炭开采中的一大难题,古汉山矿西大巷围岩工程地质条件差,巷道变形破坏严重,支护难度大,采用了网壳锚喷支护方式。通过实测在地应力及构造应力作用下,网壳锚喷支护支架主弦杆、内骨筋的应力分布情况及支架与围岩的接触应力,分析了支架应力分布及其变化规律。结果表明,网壳支架在偏载和高构造应力情况下均能保持良好的工作状态,能够很好地控制复杂地质条件下巷道围岩的变形和破坏。     

Analytical‐numerical solution for stress distribution around tunnel reinforced by radial fully grouted rockbolts

This paper presents an analytical‐numerical approach to obtain the distribution of stresses and deformations around a reinforced tunnel. The increase in the radial stress of the reinforced tunnel, based on the performance of a bolt, is modeled by a function, which its maximum value is in the vicinity of the bolt periphery and it exponentially decreases in the far distance from the bolt. On the basis of this approach, the shear stiffness between the bolt and the rock mass and the shear stress distribution around the bolt within the rock mass are also analytically obtained. The results are compared with those obtained by the assumption of ‘uniform increase of radial stress’ method, which is made by the previous studies. The analyses show when the bolts' spacing is large, the safety factor must be increased if the ‘uniform increase of radial stress’ method is used for the design. Finally, a procedure is introduced to calculate the non‐equal deformation of the rock mass between the bolts at any radius that can be useful to compute the bending moment in shotcrete layer in New Austrian Tunnelling Method (NATM) approach. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。     

全长注浆岩石锚杆中性点影响因素分析研究

中性点理论是地下工程锚固理论中的重要理论,但目前对于中性点位置的确定计算公式存在不合理之处。在前人工作的基础上,对中性点理论进行了完善和改进。在建立的锚杆解析本构模型的基础上,结合中性点理论中锚杆中性点位置处的摩阻力为0的思想,对影响中性点位置的因素进行了较详细的分析,得出了影响锚杆中性点位置的相关因素。通过分析研究得到,静水垂直主应力、锚杆长度、锚杆行间距等3个因素对锚杆中性点的位置没有影响,而洞室半径、岩体弹性模量、锚杆弹性模量、锚杆直径等4个因素对其有显著的影响。其中,洞室半径、锚杆直径与中性点位置基本呈线性函数关系,而岩体弹性模量、锚杆弹性模量与中性点位置呈指数函数关系,岩体弹性模量与中性点位置呈递减指数函数关系,锚杆弹性模量与中性点位置呈递增指数函数关系。通过对这些因素的分析,得出了锚杆中性点位置与相关参数之间的统一函数关系,为进一步研究中性点理论提供了一定的参考意义。     

锚杆锚固体系中的波系特征研究

采用凝固过程中的混凝土模拟不同物理力学特性的锚固介质,用数值模拟和试验的方法研究了锚固锚杆中的波系及锚固锚杆中界面波的形成过程。数值模拟和试验模拟都表明随着锚固介质力学性质的改变锚杆中传播的波的特性发生改变。锚杆中传播的P波对锚固介质的力学特性非常敏感,随着锚固强度的增加,界面波产生,P波逐渐衰减消失。锚杆中传播的波由原来的P波占主导成为界面波占主导,波在锚固段的传播速度也由杆速度成为界面波波速。界面波的波速与锚固介质的力学性质相关,因此可以用界面波的波速来评价锚杆锚固质量以及计算锚杆锚固段长度。     

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。     

输电线路节理化岩体注浆锚杆基础抗拔力模型试验研究

针对输电线路注浆锚杆基础特点,根据相似理论设计了节理化岩体注浆锚杆基础抗拔模型试验,模型设计中考虑了岩石弹性模量、浆体弹性模量、节理迹长、节理倾角、锚杆埋深5个因素的变化,选择5因素4水平的正交试验方法进行了模型试验研究。结果表明,岩石弹性模量对注浆锚杆基础抗拔力的影响最大,其次为锚杆埋深、节理倾角、浆体弹性模量、节理迹长。试验过程中以剪切破坏和开裂破坏为主,并以此分析了注浆锚杆的传力机制,得出浆体与锚杆和岩体之间的黏结强度是控制试验结果的主要因素,影响着锚杆的极限抗拔力和破坏状态,在施工过程中应注意质量控制。