FRP锚杆在岩土锚固中的研究进展

纤维增强复合材料（FRP）锚杆较传统锚杆具有耐腐蚀性强、轻质高强等特点,近年来在岩土锚固领域颇受青睐,代表了未来岩土锚固材料的发展方向,但其研究成果较为零散。材料力学性能研究表明,FRP具有抗拉强度高、长期性能和疲劳性能优良等优点,但存在抗弯和抗剪性能较差、脆性破坏特征显著的缺陷,在岩土锚固设计中需特别考虑;归纳分析了FRP锚固体系的破坏模式,指出锚固体系的失效通常是由多种破坏模式耦合作用的结果;总结FRP锚杆与基体介质界面黏结性能的影响因素、界面黏结强度模型和界面黏结-滑移关系,并探讨了界面剪应力分布规律;最后列举了国内外FRP锚杆的工程应用实例并指出FRP锚杆进一步的研究方向。     

高频纵向导波在钢杆中传播的数值模拟

锚固锚杆中高频导波（大于1 MHz）的低衰减使其具有巨大的潜在应用价值,但高频导波数值计算的复杂性使得确定其传播特征非常困难,只依赖试验确定不同锚固锚杆中的最优激发波并不现实,因此建立高频导波传播的数值模型具有重要意义。应用有限元软件构建钢杆的数值模型,分别研究径向和轴向的单元网格密度和材料阻尼对高频导波传播过程的影响情况,采用所有截面节点幅值叠加和经验模态分解（empirical mode decomposition,简称 EMD 分解）的方法进行数据处理,获得了与文献理论结果及试验测试结果相吻合的高频导波在钢杆中的基本传播特征。研究结果表明,单元网格密度、材料阻尼值设置及不同位置质点的振动叠加是再现高频导波基本传播特征的关键。     

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。     

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。     

花岗岩残积土地区边坡锚固中锚杆长度及间距的数值优化研究

以广州金山湖第19#地块一个四级人工高边坡为例,采用数值方法计算探讨了锚杆(索)长度及布设间距的优化取值问题。文中以边坡坡级、锚杆间距和锚杆长度为变量参数,获得225种支护组合形式,运用有限差分法计算并获得了225种边坡加固方案的稳定系数,经综合对比分析,得到各个坡级最优的锚杆长度及锚杆间距方案。优化后方案在保证安全的前提下,第二、三、四级边坡采用的锚杆(索)长度较原方案减少了3 m、锚杆布设间距较原方案增加了1 m。     

散粒体中锚杆间距的锚固效应研究

采用细观数值模拟方法研究散粒体的锚固效应,基于随机模拟技术生成三维多面体颗粒及其在空间中的分布,在随机散粒体不连续变形模型的基础上将砾石锚固试验进行数值实现,分析加锚散粒体材料的宏观与细观力学性能,研究加锚密度及其与颗粒粒径的关系对散粒体力学性质的影响,并探讨锚杆在散粒体材料中的作用机制。分别建立不同锚杆间距和不同颗粒粒径的数值试样,数值模拟结果表明：散粒体锚固数值试验能够较好地反映不同加锚散粒体结构的变形规律与锚固效应;散粒体材料的宏观特性与其细观组构的演化密切相关;锚杆加固散粒体的作用机制为加锚散粒体内形成压缩区,挤压加固作用提高了散粒体间的接触作用力,散粒体结构的整体性得到加强并能承受一定荷载;不考虑锚杆长度的情况下,当锚杆间距小于3倍的散粒体平均粒径时,锚杆能够有效地加固散粒体形成稳定结构。     

土遗址加固中GFRP锚杆锚固性能现场试验研究

为揭示GFRP锚杆在土遗址加固中的性能,进而克服现有竹、木、复合锚杆锚固的局限性,拓展该新型材料在古遗址加固中的应用,选择直径22mm和25mm的GFRP锚杆开展了现场锚固测试试验。通过单级和循环两种加载模式,获取了两种杆体的破坏模式与极限锚固力; 在杆体砂浆界面布设应变片,获取了受荷过程中界面监测点剪应变的变化特征与分布规律。结果表明：两种锚固系统均失效于砂浆土体界面,22mm GFRP杆体极限锚固力50kN,而25mm GFRP杆体超过120kN; 从加载端到末端监测界面剪应变呈衰减分布,在较大荷载下由于加载方向与杆体轴向微弱偏离导致局部出现受压现象,试验过程中监测界面未出现脱黏现象。研究表明GFRP锚杆可以部分替代复合锚杆,在土遗址载体加固中具有良好的应用前景。     

夯土介质中基于PS浆液的楠竹锚杆锚固特性

基于PS溶液的楠竹锚杆锚固系统在夯筑土遗址加固中得到了成功的应用,然而其锚固机理研究还未开展。运用室内物理模型试验,针对该锚固系统开展了拉拔测试与杆体-浆体界面应变监测,研究了该锚固系统的锚固性能与破坏模式、杆体-浆体界面剪应变分布与传递特征。试验结果表明基于PS-F浆液锚固系统和基于PS-（C+F）浆液锚固系统均为杆体-浆体界面失效模式,极限锚固力分别为10～15kN和8～16kN;锚固系统均具有较强的延性;在荷载进程中杆体-浆体界面的应变分布具有单峰值及双峰值特点,荷载增加时界面应力向锚固末端传递、压应力出现在锚固段末端及峰值局部出现在末端等特征。研究结论表明,锚固系统的力学性能适用于夯筑土遗址加固,但在杆材耐久性和完整性保证方面还需要进一步探究。     

预应力锚索锚固效应的仿真试验与数值模拟研究

预应力锚固技术在岩土工程中已得到广泛应用,对其进行的研究工作也取得了许多成果,为论证已有成果并揭示其深层次的普适的工作机理,开展了室内大型仿真试验,并以仿真试验的结果为依据,验证有限元数值分析的力学模型,之后利用数值分析进一步延伸仿真试验结果,得出了有重要实用意义的结论.     

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。      

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。     

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。     

注浆锚杆完整性检测方法研究

采用理论分析和实验室测试的方法对锚固锚杆和自由锚杆中的导波传播规律进行了研究,并在频率为20 kHz～ 3 MHz范围内对锚固锚杆和自由锚杆波的传播速度进行了测试,发现锚固锚杆内不同频率的导波传播速度对锚固介质具有不同的敏感性。低频率段（20～200 kHz）的导波传播速度对锚杆锚固质量较为敏感,自由锚杆和锚固锚杆中导波的传播速度相差较大,适合于检测锚杆的锚固质量。高频率段（1～3 MHz）的导波传播速度对锚杆锚固质量不敏感,导波的传播速度基本不变,适合于锚杆完整性检测。探索了利用高频段多频率导波检测锚固锚杆长度的方法。实验室检测结果显示,本检测方法具有很高的精度     

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。     

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。     

凹形地貌对爆破振动波传播影响的数值模拟

应用UDEC程序模拟了爆破振动波在凹形地貌中的传播特征,并与广东岭澳核电站2期基础爆破开挖现场监测结果进行了对比。对比分析结果表明,数值模拟结果与现场监测结果较为吻合。研究结果还揭示,凹形地貌对爆破振动波具有明显的衰减作用,质点水平向振动速度的衰减幅度大于质点垂直向。同时,衰减系数随凹形地貌深度、宽度的增加而增加,但随宽度增加的幅度较小。另外,爆破振动波的衰减系数随爆源距增加而减小,随最大段药量的增大而增大。     

On the stress distribution at the bonding interface between rock and bolt

Rock bolt is a major reinforcement technique for roadways in coal mines in China. Generally, separation of the bonding interface between the rock mass and the bolt may lead to collapse of the bolted rock mass due to stress concentration. In order to establish the stress concentration mechanism on the bonding interface, the distribution functions for shear stress and longitudinal force on the interface are derived using Mindlin's model, and a failure criterion for the interface is proposed. In addition, influencing factors for the stress distribution mode are identified. Both analytical study and numerical simulations by ANSYS have shown that, as the elastic modulus of rock increases, both shear stress and the longitudinal force-concentrating zone move towards the outer end of bolt and decrease gradually from the free surface to the rock mass body. Also, there is an optimizing cement thickness which results in relatively uniform distributions of shear stress and longitudinal force on the interface. It is valuable to investigate the bolt invalidity mechanism as well as reinforcement safety estimation in underground rock engineering design.     

凸形地貌对爆破震动波传播影响的数值模拟

应用UDEC程序模拟了爆破震动波在两种凸形地貌中的传播特征,并与广东岭澳核电站2期基础爆破开挖现场监测结果进行了对比。结果表明,凸形地貌对爆破震动波具有明显的放大作用,其数值模拟结果与现场监测结果吻合得比较好。研究结果还揭示,在一定爆破能量下,爆破震动波速度放大系数并不随台阶型凸形地貌的增高而单调增加,而是先随凸形地貌高度的增加而增加,在凸形地貌高度达到某一临界值时放大系数达到最大值,当凸形地貌高度超过这一临界值时,放大系数随凸形地貌高度的增加而减小。另外,在孤立凸形地貌下爆破振动波速度放大系数还与凸形地貌的高宽比有关。     

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。     

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。