（岩土工程专业论文）裂隙岩体锚固方式优化的试验与数值模拟研究.pdf

摘要 锚杆加固在岩石丌挖支护方面是最有效、最经济的支护方式。近年来， 锚固技术以其独特的效用、简便的工艺、广泛的用途和经济的造价。在岩 土加固领域显示出越来越旺盛的生命力。目前不仅广泛应用于矿山：【程， 而且也推广应用于冶金、水利水电，土木建筑等工程之中，具有良好的前 景然而加锚节理岩体的力学特性仍未完全掌握，锚固计算和施工仅能 依靠一些岩体锚固的经验。随着各式锚杆的应用，从优化，安全和经济角 度考虑，对锚杆作用机理的研究就显得尤为重要。 本文在前人的研究基础上，通过试验和数值模拟主要进行了以下几个 方面的工作： ( 1 ) 选择比较理想的相似材料( 岩石、粘结剂、锚杆) ，通过调研相 似材料的研究现状以及相关的测试试验。最终确定了本试验中所需要的相 似材料和它们的最佳配比 ( 2 ) 制作了不同加锚方式( 不同加锚密度、不同安装角度和不同安装 位置) 的试件，其中穿透裂纹和锚杆孔的预制以及注浆插锚是最重要的三 点 ( 3 ) 通过实验室相似试验，研究了单轴压缩条件下，各种加锚方式的 试件的锚固效果和主要破坏方式，通过应力应变曲线的对比分析，找到了 一些定量和定性的规律。 ( 4 ) 利用数值模拟软件r f p a 2 d ，对试验中相对应的不同加锚方式的 模型进行了数值模拟，并对比分析了各自的锚固效果和主要破坏方式，得 出一些与试验比较相符的规律 ( 5 ) 结合相似试验和数值模拟的结果，得出若干有价值的结论，并对 实际工程锚杆加固提出了一些建议 关键词：相似试验；锚固方式；锚固作用；数值分析 v a b s t r a c t r o c kb o l t i n gi st h em o s te f f e c t i v ea n da l s ot h em o s te c o n o m i c a lm e a n so f s u p p o r t i n ge x c a v a t i o n si nr o c k i th a ss h o w e dm o r ea n dm o r ev i t a l i t yi nt h e a r e ao fr e i n f o r c e m e n ti nt h eg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n gf o ri t su n i q u ee f f e c t ， s i m p l ea n d c o n v e n i e n tt e c h n o l o g y ，f a r - l u n ga p p l i c a t i o na n de c o n o m i c a lc o s ti n r e c e n ty e a r s a tp r e s e n tt i m e i th a sn o to n l yb e e nu s e di nt h em i n eb u ti nt h e a r e a so fm e t a l l u r g y ，w a t e rc o n s e r v a n c ya n dh y d r o e l e c t r i cp o w e r ，r a i l w a ya n d h i g h w a y c i v i lc o n s t r u c t i o na n ds oo na n dh a sg o o df o r e g r o u n do fa p p l i c a t i o n h o w e v e r ，t h em e c h a n i c a lb e h a v i o ro ft h eb o l t e dr o c kj o i n ti sn o tf u l l y u n d e r s t o o d ，a n do n l yt h ee x p e r i e n c ea c c u m u l a t e do nr o c kb o l t i n gg i v e st h e k n o w h o wf o rt h er e i n f o r c e m e n tc a l c u l a t i o na n de x e c u t i o n v a r i o u st y p e so f b o l t sa r eu s e dt o d a y ，a n da l lu n d e r s t a n d i n go ft h ew a yi nw h i c ht h e s eb o l t s w o r ki se s s e n t i a lf o ra no p t i m a l ，s a f o ，a n de c o n o m i c a lu s e o nt h eb a s i so fag r e a tn u m b e ro fs t u d i e s p e r f o r m e db yf o r m e r r e s e a r c h e r s ，t h ew o r kf i n i s h e di nt h i sp a p e rf o c u s e so ns e v e r a la s p e c t so ft h e f o l l o w i n gt h r o n ge x p e r i m e n t a lt e s tc o u p l e dw i t hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s ( 1 ) w ec h o o s e s e v e r a l t y p e so fi d e a ls i m i l a rm a t e r i a lt h o s e c a n r e s p e c t i v e l y s i m u l a t er o c k m a s s ，c e m e n t i n g m a t e r i a la n d b o l t s b y i n v e s t i g a t i n gs i m i l a rm a t e r i a lr e s e a r c hs t a t u sa n dp e r f o r m i n gs o m er e l a t i v e t e s t s ，w ef i n a l l yd e t e r m i n et h es i m i l a rm a t e r i a lt h ee x p e r i m e n tn e e d sa n da l s o f i n dt h eo p t i m a lp r o p o r t i o n s ( 2 ) s o m es p e c i m e n sw e r em a d et h r o u g hd i f f e r e n ta n c h o r a g es t y l e sw h i c h m e a nd i f f e r e n ta n c h o r a g ed e n s i t y ，d i f f e r e n ta n c h o r a g ea n g l e sa n dd i f f e r e n t p l a c e st ot h ec r a c k d u r i n gt h i sp r o g r e s s ，t h ep r e f a b r i c a t i o no ft h ec r a c ka n d t h eh o l e sf o r b o l t s ，t o g e t h e rw i t h t h ec r a f t w o r ko f s l i p - c a s t i n g a n d b o l t - i n s t a l l a t i o ni sv e r yi m p o r t a n tf o rt h ef i n a lr e s u l t s ( 3 ) t h r o u g ht h el a b o r a t o r ys i m i l a rt e s t ，t h ea n c h o r i n ge f f e c ta n dt h e f a i l u r es t y l e so ft h e s es p e c i m e n sm a d eb yd i f f e r e n ta n c h o r a g es t y l e sw e r e s t u d i e du n d e ru n i a x i a lc o m p r e s s i o n b yc o m p a r i n gt h e i rt y - gt u r t l e s ，s o m e c o n c l u s i o n sw e r es u m m a r i z e dq u a n t i t a t i v e l ya n dq u a l i t a t i v e l y ( 4 ) s o m en u m e r i c a lm o d e l sa n c h o r e db yt h e s ed i f f e r e n ts t y l e sw e r e s i m u l a t e du s i n gt h en u m e r i c a lp r o g r a mr f p a 2 d b yc o m p a r i n ga n da n a l y z i n g t h e i rd i f f e r e n c e ，s o m eq u a n t i f i c a t i o n a la n dq u a l i t a t i v el a w s ( 5 ) c o m b i n i n gt h er e s u l t sb o t hf r o mt h et e s ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，w e g e ts o m ev a l u a b l ec o n c l u s i o n s ，a n dw ea l s og “es o m ea d v i c ea b o u tb o l t a n c h o r i n gi ne n g i n e e r i n g k e yw o r d s： s i m i l a rt e s t ；a n c h o r a g es t y l e ；b o l ta c t i o n ；n u m e r i c a la n a l y s i s x 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责 任f h 本人承担。 论文作者躲逸送垄日期：鳓7 目 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和 电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：趱师签名：论文作者签名：睦堕! ；导师签名： 日期： 第一章绪论 1 1 课题的背景和研究意义 岩体f | 存在大量的各种形式的薄弱面，如层理、节理、片理、裂隙及 孔洞缺陷等，统称为结构面。结构面中最常见并对实际工程影响较大的为 节理、裂隙等。在几乎所有的岩土工程及环境工程中遇到的岩体均为裂隙 岩体，即内部含有大量节理裂隙缺陷的岩体。如国内二滩电站、小浪底枢 纽工程、三峡船闸高边坡和右岸电站，溪洛渡电站地下厂房所在围岩都可 观察到节理裂隙发育当环境应力达到一定程度时，这些裂隙开始萌生、 扩展、联合以致贯通，形成错综复杂、相互穿插的薄弱面。因此给工程稳 定性设计和岩石力学研究工作带来了极大的困难【l 。 工程实践中，除了注浆加固外，人们往往采取锚杆支护的加固措施来改 善围岩受力状态以控制围岩变形保证工程可靠和安全运行。1 9 1 1 年，美国首 先用岩石锚杆支护矿山巷道，之后锚固技术就逐渐在各类工程中得到应用。 进入6 0 年代，随着新奥法在地下工程中的成功应用，锚固技术也得到了迅速 发展。随着演示力学的建立和发展，岩体锚固技术已得到广泛应用，尤其是 8 0 年代以来，有限元法等的采用，更提高了人们对锚固岩体的认识，迫切要 求在锚固特性和机制方面深入研究。目前，国外各种锚杆已达6 0 0 余种，在 各类不同地层中均有应用，每年的使用量达2 5 亿根之多扭1 。近几年来，我 国岩土锚固工程的发展和应用尤为迅速，几乎涵盖了土木工程各个领域。 虽然锚杆支护锚固已经成功应用到工程实践中近一个世纪，锚杆对岩体 裂纹扩展和变形行为起着重要作用，尤其在节理裂隙岩体中，锚杆作用十分 明显，但是对其锚固理论还没有完全搞清楚，其设计理论和计算方法都不够 完善，还不能在设计阶段采取合理的、科学的设计方法和锚固效果评价方法。 大多数锚固工程的设计仍采用工程类比法或半理论、半经验的方法，而且更 注重传统经验的沿用。即便是采取一定的设计理论和计算方法，这些理论和 方法也都存在着某些缺陷和不足之处事实上，岩土锚固理论方面的研究己 经远远落后于工程实践。出现这种状况的根本原因在于：一方面是岩土介 山东大学硕士学位论文 质小身的复杂性和多样r ；。其真实的奉构天系是随卉j e 形成的地质年代、分 却i 域、构造特征及其在疑体：i ：样l l 的宅| 日j 位置、坏境斟素等多种条件商变 化的：另一方面是山于人们对锚【州邢论方面的研究还不够深入，还有许多相 关的作用原理没有完全清楚。丌展钌理岩体锚杆对裂纹的止裂作用和力学机 理研究，具有重要的理论意义和霞火的工程应用价值。 随着我国的国民经济发展和西部大丌发，需要大量兴建基础设施，特 别是对交通、能源、水利和城市基础设施建设力度的加大，这些开发工作者 首先要面对大量的岩体的开挖和处理问题。裂隙岩体是我国水利、矿山、石 油、核废料存储、自然河谷边坡及各种岩体工程中经常遇到的一种复杂岩体。 岩体中结构面在工程开挖或附加荷载的作用下会产生出新的扩展和延伸。这 些都会对工程岩体的强度和稳定性造成不利影响。我国对锚杆锚固力缺乏深 入研究，针对我国地质开采条件和经济条件，研究锚杆与围岩的相互关系， 提高锚杆锚固力，并使其得到充分发挥，对推动我国锚杆支护的发展，扩大 锚杆支护应用范围具有重要意义。 1 2国内外裂纹扩展、锚杆加固的文献综述 裂纹缺陷的扩展机制和锚杆对裂纹扩展的抑制机理研究一直是当今岩 石力学研究的难点和热点问题。为了更深入的研究这两方面的问题，国内 外学者用不同的方法，或者物理试验，或者数值模拟，从不同的角度开展 了许多开创性的和互补性的工作。为了详尽的说明这些研究成果，下面按 照两个专题进行综述：裂纹缺陷的研究和锚杆增韧止裂方面的研究。裂纹 缺陷的研究不是本文研究的重点，但是很多相关文献却是后一专题锚杆止 裂研究的基础，所以这里也对这一专题做了简要叙述。重点是锚杆增韧止 裂方面，以下将对其做详细综述。 2 山东大学硕士学位论文 1 2 1 裂纹扩展的研究现状与发展 1 ) 二维裂隙研究进展 人们对裂隙缺陷的研究是从单裂隙模型开始的。1 9 1 3 年英格罩斯 i n g l i s ) 最早计算了带有椭圆通孔平板的拉伸应力分布，证明了应力集中现 象，但他未能跳出传统强度理论范畴。而最早获得重要突破的是6 r i f f i t h ， 他于1 9 2 0 年对玻璃和陶瓷等构件的强度进行了理论分析和试验研究，提出 了因裂隙扩展导致材料破坏的条件，并从能量的观点得出了固体强度与裂 隙长度之间的表达式1 。之后奥罗文( 1 9 4 9 ) 的修正工作使得这一理论得以 发展。欧文1 9 5 7 年提出了应力强度因子概念使得脆性断裂理论得以重大突 破。之后到6 0 年代，b r a c ea n db o m b o l a c k i s ，h o c ka n db i e n i a w s k i ，c o o k ， m c c l i n t o c k ，s a l a m o n 等学者1 6 - 1 4 l 开始研究在受压情况下板内预制裂隙的初 始扩展以及次生裂纹的扩展状况，得到了裂纹向大主应力方向稳定扩展的 结论。1 9 6 6 年，b r a c e “”提出了二维裂隙滑移开裂模型，认为滑动裂隙 端部生成的弯折型张性裂纹是在压剪型荷载作用下新裂纹生成的主要机 制，并根据该模型对岩石破坏前的扩容现象进行了微观解释同时指出， 在受压状态下裂隙的进一步扩展要求附加荷载的连续增长以维持扩展过 程，而次生裂纹最初是以突跃的方式出现的。 从7 0 年代起，二维条件下的试验研究开始兴起。n o l e n - h o e k s e m a “钉 等人观测到受载大理岩斜裂隙尖端的扩展破坏模式，发现裂隙的扩展具有 非对称性，并指出穿透裂隙在试件表面的发育能够很好的代表内部情况 w o n gt f “”1 等研究了w e t e r l y 花岗岩的微观破坏机制，l i 啪1 研究了香港 花岗岩的微观破坏机制等。h u d s o n 和p r i e s t 等乜“”1 用计算机对裂隙岩体 进行了几何统计特征的分析研究 到了8 0 年代，试验技术和理论水平得到较大提高，在进行更加深入试验 研究裂隙扩展的同时，开始将试验结果与理论相结合。这个时候比较有代表 性的研究有：n e m a t - n a s s e r 和a s h b y ，s a m m i s 和0 b a t a 等瞳3 删用线弹性断裂力 学研究单个、多个和多组雁形排列的预制张开型裂隙的起裂、扩展和贯通机 制，并研究了这些多裂隙与自由面的相互作用引起的应力集中，建立了其相 互作用的理论模型，给出了相互作用因子，进行了强度分析。他们在定量分 山东大学硕士学位论文 机和试验验证的耩础i ：提出了一个维模喇通过该模型可解释缺陷诱发 裂隙扩展导致岩f i 劈裂现象并进一步指出：轴_ i 三力卜裂隙的十1 | 互作j 】使 得扩展失去稳定，导致裂隙局部化形成并控：驯材卡 的强度及最终的失效【f l i 。 k a c h a n o v 等b ”1 蟊：考虑岩石非线弹性毽础上建立了适合滑动摩擦特性的顾 制裂隙的扩展模犁。 从9 0 年代至今，随着试验手段和理论水平的进一步提高，关于裂隙扩 展的试验和理论研究进入一个繁荣的时代：如r e y e s 和e i s t e i n 等”。圳完 成了单轴压缩下一些含两个预制张开型裂隙的石膏试样裂隙贯通过程的测 试。发现裂隙体的贯通机制被平行的初始预制裂隙缺陷的几何分布所控制。 s h e n 等”圳对含单个和两个预制张开型和闭合型裂隙缺陷开展了研究，建 立了新的断裂准则，并应用修正的g r i f f i t h 准则解释了部分试验结果。 b o b e t 等m 。2 1 用石膏试样研究了单轴作用下不重叠和重叠断续两张开裂隙 缺陷的扩展、贯通机制。朱维申、李术才和陈卫忠等3 。洲通过相似材料模 型试验研究了雁形裂隙双向加载问题，并从理论上分析了断续节理岩体的 蠕变损伤断裂机理，提出了节理裂隙蠕变演化的等效模型和考虑裂隙蠕变 扩展与损伤耦合的应变本构方程 针对前面一些研究的不足，w o n g 、c h a u 和t a n g 等“”1 在这些研究的 基础上做了进一步的研究：包括用含不同摩擦系数及不同程度微裂隙的真 实岩石及类砂岩模拟材料( 硫酸钡、沙、石膏和水的混合物) 及不同角度 分布的预制裂隙试样的贯通机制，对岩桥强度和贯通失效机制作了一系列 的单轴和直剪的数值和理论方面的研究。黄凯珠，林鹏等伯“”1 通过物理试 验和数值模拟，研究双轴作用下不同几何分布和不同围压的断续预制三裂 纹的萌生、扩展和贯通机制，结果表明裂纹贯通模式主要受加载条件与预 制裂纹几何分布的影响，裂纹在双轴加载条件下有拉、剪、压和混合贯通 等模式。 任伟中、白世伟等( 1 9 9 9 ，2 0 0 3 ) 1 7 1 4 3 】通过直剪试验条件下的模型试验， 研究了不同节理连通率、节理排列方式、正应力条件下同时包含闭合节理和 岩桥的剪切面的变形和强度特性及其相应的变化规律，探讨了节理、岩桥变 形和破坏机理，并建立起表征岩桥初裂强度和不同破坏模式下的贯通强度计 4 山东大学硕士学位论文 算公式。郭少1 # 等( 2 0 0 3 ) t ”l 进行了含中心裂纹的矩形彳i 青试件帆轴、双轴压 缩条件下的破坏试验对裂纹起裂位置、起裂角、应力集中、断，r 模式进行 了研究。 2 ) 三维裂隙研究进展 由于数学e 的困难。三维裂纹的研究数量不多。最早的兰维裂纹的破 裂是d i e r d o g a n g l 薛昌明( s i h ，1 9 6 3 ) h “1 做的开拓性试验，并提出了破裂是 沿最大张应力作用方向扩展的假说。后来完成的典型试验包括 s o m m e r ( 1 9 6 9 ) 的i i i i 复合型，k n a u s s ( 1 9 7 0 ) 盯。1 的纯i i i 型。滕春凯等 ( 1 9 8 7 ) 、尹祥础等( 1 9 8 8 ) 在玻璃、有机玻璃、大理岩板中预制表面裂纹，在 单轴压缩条件一f 产生i i i i i 复合型破裂，其形状为一侧拉长的准螺旋状破 裂，并观察到这些破裂在生长过程中的自组织现象h ”“1 。a d a m s 和 s i n e s ( 1 9 5 5 ) 用p m m a 通过机械方法预制三维裂纹在单轴加载条件下观察扩展 特征9 “。黄明利等3 1 引采用树脂材料研究了表面裂纹、内置裂纹和穿透裂纹 的扩展形式以及裂纹的相对长度和倾角对三维裂纹扩展的影响。 近年来，国内外岩石力学界又开展了一些三维裂隙破裂模式研究。 d y s k i n 等人呻4 ”自1 9 9 4 开始，在低温树脂( c o l o m b i ar e s i n 和c r - 3 9 等材料) 试样上预制人工三维裂纹，进行了单、双轴压缩试验。试验结果表明双轴压 缩荷载加载下裂纹的扩展与单轴压缩下是不同的，单轴压缩下在裂纹边缘产 生的包裹型翼裂纹是限制翼裂纹继续扩展的原因，而在双轴压缩下翼裂纹可 以充分发展从而引起试样劈裂破坏。简浩等( 2 0 0 2 ) 伸”采用实时c t 扫描加载 技术研究了类节理岩体( 含水与不含水) 单轴压缩损伤演化问题，以c t 平均 数为参量定量的研究了三维裂纹扩展及演化规律问题。w o n g 等柚”川( 2 0 0 4 ) 进行了含三维表面裂纹p m m a 试样和硅玻璃试样的裂纹扩展试验，并通过改变 预制裂纹深度和倾角，研究了裂纹起裂模式和扩展路径的不同，试验发现预 制裂纹尖端不仅有翼裂纹出现，而且产生了花瓣状裂纹( 属于型裂纹) ；裂 纹扩展长度与裂纹深度、倾角和试样材料性质有关；w o n g ( 2 0 0 4 ) 首次观察 到张开型表面裂纹的扩展方式是以反翼裂纹( 在裂纹尖端处，裂纹初始扩展 方向正好与翼裂纹扩展方向是相反的) 模式扩展为主的。这种现象出现在所 有的辉长岩试件和砂岩试件中，但在大理岩中只有少部分出现，目前关于反 山东大学硕士学位论文 翼裂纹扩展+ 关的力学机制仍4 ；清楚。乍术彳。，李五王备等人对利用陶瓷材料 预制内置裂纹进行c t 扫描时- 三维裂隙扩展的进行了研究h ( 得了很多成果。 图i - 1 在低温树脂材料中获得的包裹式翼裂纹扩展结果( d y s k i n 等，1 9 9 4 ) 1 2 2 锚杆锚固机理的研究现状与发展 近年随着锚固技术的广泛应用，世界各国也纷纷开展锚固作用机理方面 的研究，获得了不同程度的研究成果，尤其是欧洲的英国、法国等，北美的 加拿大、美国，还有澳大利亚和日本等国家。但是主要偏重于研究影响锚固 力的因素和锚固件的受力和变形，对锚固体的力学效应研究不够深入这些 研究对掌握锚杆的加固机理和进行加固体的稳定性评价起到较大作用。但是 对锚杆如何在断续节理岩体中起作用至今还没有一个行之有效的力学模型 能够完全反映加锚裂隙岩体的力学特性。下面从三个方面来综述锚固方面的 一些研究进展。 1 、物理试验研究 ( 1 ) 锚杆的抗拔力相关研究 k 订i c 等“。进行了锚杆形状对锚杆抗拔能力影响的试验研究，该试验选 取一组带突缘或带肋的锚杆进行了抗拔承载力的比较研究，得出以下结果： ( a ) 失效模式的观察锚杆与灌浆体接触面的失效主要出现在对光滑锚杆的 试验上，这类失效模式的抗拔承载力也最小；沿灌浆体周围的失效在带有1 个突缘、2 个突缘、3 个6 0 0 的突缘及带肋锚杆的试验中均已观察到；锚杆本 身的失效出现在锚杆带有3 个突缘、其角度分别为1 5 。，3 0 。和4 5 。角的试验中， 锚杆被拉断。这类失效模式的最大屈服荷载达1 1 8 k n ( b ) 随着锥形突缘角度 的不断增加，其抗拔承载力呈减小的趋势。 6 山东大学硕士学位论文 k i l i c “”1 等进，了另一试验研究了不同灌浆体特性对锚杆抗 乜能力的 影响。试验比较了不同水灰比( 0 3 4 ，0 3 6 ，0 3 8 0 4 0 ) 、不同锚孔汤f 度( 1 5 3 2c m ) 、不同添加剂( 硅质砂，粉煤灰) 和水泥砂浆在不同养护时问f 的锚固 体承载力。抗拔破坏试验中可以看到锚固体的失效面均发生在锚杆j 砂浆的 接触面上。试验结果表明：锚固体的承载力随锚杆直径和锚孔深度的增加而 增加；水灰比和砂浆的养护时间对承载力有比较大的影响；随砂浆的抗剪强 度和弹模的增加，锚固体的承载力也呈增加的趋势。 b e n m o k r a n e 等3 1 对钢绞线和螺纹钢分别进行了锚固长度、灌浆用水泥 砂浆的水灰比、添加剂对其抗拔承载力影响的试验，结果表明：钢绞线与灌 浆体之间的平均最大剪应力值低于螺纹钢与灌浆体之间的平均最大剪应力 值，这两者的荷载传递机理也不同。 b e n m o k r a n e 等川还对玻璃纤维锚杆的锚固特性进行了实验室试验和现 场测试，结果表明：压痕或表面的变形对玻璃纤维锚杆的黏结强度有非常大 的影响，同时由于其弹模较低，玻璃纤维锚杆比钢锚杆更易产生滑移。 j e n g 等“1 利用模型试验，研究带扩孔锚杆分别在直接施加拉力和预应 力下的锚固机理，观察到：( a ) 将锚杆从岩体中拔出的主要障碍来自底部扩 体，拉拔锚杆时将在岩体内产生拉应力；( b ) 锚杆的拔出力随锚杆的锚固长 度l 、底部扩体的直径d 及l ( d d ) 的增大而增大( d 为锚杆的直径) ：( c ) 垫 板的尺寸应与底部扩体尺寸同比例增加，至少亦应和底部扩体尺寸相同。 荣冠等“删进行了螺纹钢锚杆与圆钢锚杆对比试验，研究以螺纹钢为杆 体的全长黏结砂浆锚杆锚固机理。试验结果表明：拉拔条件下螺纹钢受力范 围相对圆钢小且衰减快：螺纹钢周边浅部黏结物应力水平高于圆钢周边黏结 物应力水平，且其变形破坏更显著；螺纹钢以屈服形式破坏而圆钢则整体拔 出 ( 2 ) 加锚设计参数对加固效果影响的试验研究 葛修润等“州进行了加锚节理面抗剪性能的室内模拟试验，探讨了锚杆 对节理面抗剪性能的影响及锚杆阻止节理面发生相对错动的“销钉”作用机 制试验结果表明：加锚节理面的抗剪强度随剪切位移的增大而增大，即使 不大的剪切位移就已使锚杆的抗剪作用得到充分发挥；锚杆倾斜角对加锚节 7 山东大学硕士学位论文 理面抗翦强度仃蓖人影响。 k h a r c h a l i 等“”。进行了大尺度( 1 ：1 ) 试验，研究加锚节州嘶的抗翦性能。 试验采j j 3 个人块体( 姆个均为1 0 0 * 6 0 * 6 0 ( - m ) 模拟节理岩体，每个转理面j 仔 一根锚辛r 加固。试验结果表明：锚朴产生的抗力正比于锚杆截面：锚杆倾角 的改变将影响最大锚围力和节理系统的刚度，随锚杆倾角的增大，其拉应力 增大，剪应力减小。 温进涛等“”1 对含结构面岩体的锚索锚【囿机理进行了室内模型试验，试 验模拟了不同锚索安装角和不同结构面 i 糙程度下的锚索抗剪性能。结果表 明：( a ) 当结构面比较粗糙时，可能的剪切破坏形式多为锚索与灌浆体的脱 离，锚固体的剪切荷载一位移呈现“脆性特征”：( b ) 当结构面光滑时，起 控制作用的则是锚索与灌浆体间的挤压破坏，锚固体的剪切荷载一位移呈现 “塑性特征”：( c ) 锚索安装角的大小对试件的抗剪强度产生影响，当结构 面比较粗糙时，这种影响变得较大( 对峰值抗剪强度的影响约为3 0 ) ；( d ) 锚索由于具有柔性特征，当结构面光滑时，可以在较大的剪切位移下，仍使 锚固体保持很高的剪切强度。 朱焕春等“川通过对三峡永久船闸高强度锚杆的现场试验，研究了锚 杆的抗剪性能，证实了设置自由段可以有效地实现剪应力向正应力的转化， 可以提高锚杆承担剪切变形的能力，揭示出循环荷载作用下锚杆应力大小和 影响范围会向深度传递，但变形相对稳定。 陈安敏等 通过模型试验探讨了预应力锚索对块状岩体的加固效应及 其主要影响因素，分析了锚索长度及预应力值大小对其加固效果的影响。 s p a n g 等“”1 通过室内和现场的剪切实验研究了节理岩体中锚杆的作用 方式，结果如下：( a ) 最大剪力和最大荷载时的剪切位移随锚杆断面的增加 而增加：( b ) 锚杆中的力会大大增加被锚杆锚固的粗糙节理面的抗剪能力； ( c ) 被锚杆锚固的节理面的刚度随摩擦角的增加而增加；( d ) 剪切面能使锚杆 弯曲，因而会产生很大的拉力；( e ) 锚杆锚固节理面的最大抗剪能力随锚杆 的倾斜角( 在b 4 5 。时) 的增加而增加，增加锚杆倾斜角( 在1 3 t ( 其中l 为长度，t 为厚度，h 为 高度) 时，近似可以当作二维裂隙处理，但是一旦出现非对称性的破坏， 就不能当作二维裂隙来处理。 2 ) 表面裂隙( 非穿透裂隙) ：裂隙位于构件表面，或裂隙深度相对构 件厚度比较小都可以为表面裂隙处理，如图2 1 b 所示对于表面裂隙常简 化为半椭圆形或半圆形裂隙面。 3 ) 内部裂隙( 深埋裂隙) ：裂隙包含在试样内部，在裂隙边界都没有 露出试样表面，如图2 - 1 c 所示。对于内部裂隙，分析中常将其简化为椭圆 形或圆形裂隙面。 国目目 回口曰 ( a ) 穿透裂隙( b ) 表面裂隙( c ) 内部裂隙图 图2 - 1 裂隙缺陷按赋存状况的三种分类 ( 2 ) 按裂隙的力学成因分类 根据断裂力学理论“1 删，按固体中的裂隙面与附加应力之间关系，从 力学上将裂隙分为三种基本状态，即张开型裂隙、滑开型裂隙和撕开型裂隙， 如图2 2 所示。 1 6 ( a ) 张开型( i ) 型( b ) 滑开型( i i ) 型( c ) 撕开型( i i i ) 型 图2 - 2 裂隙的三种类型 山东大学硕士学位论文 1 ) 张开型( i 型) 裂隙：是指裂隙受垂直于裂隙面的拉应力作用，使 裂隙面产生垂直于裂隙面的张开位移，见图2 - 2 a 这种是工程中最常见的一 种裂隙模式。 2 ) 滑开型( i i 型) 裂隙，也叫剪切型裂隙；是指裂隙受平行于裂隙面、 并且垂直于裂隙前缘的剪应力作用，使裂隙面在其平面内相对滑开，见图 2 2 b 。 3 ) 撕开型( 型) 裂隙：是指裂隙受平行于裂隙面、并且平行于裂隙 前缘的剪应力作用，使裂隙相对错开，见图2 2 c 。 如果裂隙同时受正应力和剪应力的作用，或正应力与裂隙成一角度，这 时就同时存在i 型和型，或i 型和型，称为复合型裂隙。 ( 3 ) 按裂隙构造分类 人们对裂隙研究的试样准备一般分为两种：一种是用天然的试样，另一 种是在模拟材料或天然材料中预制裂隙来构造裂隙。预制裂隙事实上是非常 普遍的，并且在岩体中是不可避免的，一个预制裂隙通常不是简单地在一个 完好材料中尖的、狭小的、细长的裂缝，这样的裂缝的宽度通常指仅仅只有 几个内部原子的距离。实际上发育好的岩体中的开裂缝通常差不多有1 0 万 倍原子的距离。这些预制裂隙通常又可分为连续和断续，它们各自又可分别 分为闭合( c l o s e d ) 和张开( o p e n ) 裂隙。 ( 4 ) 其它一些分类方法 根据裂纹萌生时的受力情况还可分为如下几种形式；拉裂纹( t e n s i l e c r a c k ) ，剪裂隙( s h e a rc r a c k ) 、撕裂纹( t e a rc r a c k ) 根据扩展裂纹的不 同几何形态，裂纹还可分为翼裂纹( w i n g c r a c k ) 、反翼裂纹( a n t i w i n g c r a c k ) 和贝壳裂纹( s h e l lc r a c k ) 和花瓣状裂纹( p e t a lc r a c k ) 等等；根据裂 纹扩展出现的先后顺序又可分为主生裂纹( p r i 舱r y c r a c k ) 和次生裂纹 ( s e c o n d a r yc r a c k ) 等。 2 1 2 裂纹缺陷的基本概念 1 ) 应力集中 1 7 山东大学硕士学位论文 i n g l i s ( 1 9 1 3 ) 对均匀受力平板的椭圆孔进行应力分析，表明锐角槽口 和拐弯处的局部应力可以为外加应力的几倍，于是得出结论：一些亚微观缺 陷也可以成为固体弱化的一个潜在因素，还认为无限狭窄的椭圆孔的极限情 况可看作是一条裂纹。i n g l i s 还提出了弹性应力集中系数的公式，该系数与 孔的大小无关，而只取决于孔的形状，但实际上，长裂纹比短裂纹更容易扩 展。 2 ) g r i f f i t h 缺陷 有这样两个事实：a ) 固体的实测强度比理论强度低得多，有时低两个 数量级；b ) 如果固体在应力达到理论强度时破坏，则断裂时所加应力应该 达到最大值，这意味着此时弹性模量为零，因为与汽化热大致相等的所有贮 存的弹性应变能的突然释放，能使构成材料本身的原子猛烈分裂。但实际上， 他们沿比较确定的平面断开，动能也很小。基于此，g r i f f i t h 得出这样的结 论：典型的脆性固体必定包含许多亚微观缺陷，微型裂纹或其它用常规手段 无法发现的非常小的不均匀粒子，把它们称为g r i f f i t h 裂纹或g r i f f i t h 缺 陷。 3 ) 裂纹成核和裂纹的形成 g r i f f i t h 的缺陷假设目前已被普遍接受，成为讨论任何脆性材料强度的 基本要素。然而，尽管明确了缺陷在形成局部应力集中过程中的作用，但是 成核过程的本质仍不太清楚。成核过程必定包含亚微观尺度的事件，但控制 这些事件的条件却不易确定。困难在于很大程度上是由于缺陷的特征对许多 结构因素十分敏感，其中比较重要的因素有：内聚键和原子结构的性质、缺 陷结构和样品史。 目前关于裂纹成核的机理还没有一个明确的分类，所以暂从高脆性、半 脆性和非脆性材料的角度来讨论。在高脆性材料中，位错是受约束的；在半 脆性材料中，位错是可动的，但是只局限于一些特点的滑移面上；在非脆性 材料中，位错几乎不受任何结晶作用的限制。 4 ) 高脆性固体中的断裂源 圆体的共价键和离子键强度很高，缺陷相对来说是受约束的，因而容易 发生低应力断裂，这些固体叫做脆性固体。如果断裂阻力主要决定于固体的 1 8 山东大学硕士学位论文 固有键的强度，则称之为高脆性固体。高脆性固体材料的缺陷有三个重要特 点：首先是小的缺陷能大大影响材料的强度，微米大小的缺陷能使强度降低 1 0 0 倍。第二是缺陷是随机分布的，其大小、位置和方向都是各种各样的。 第三是缺陷主要出现在材料表面，因而极易受外界影响，当然也有内部缺陷 是主要的。 5 ) 裂纹扩展的阶段 断裂通常被认为是力突然增加时造成裂纹缺陷的加速扩展的过程，裂纹 缺陷的扩展主要分为三个阶段“”1 ：( 1 ) 加载初期没有裂纹扩展，但是裂纹 边缘破坏增加；( 2 ) 裂纹平稳增加；( 3 ) 裂纹不稳定扩展。 2 2 1 锚固力概述 2 2 锚杆锚固的基本理论1 锚杆安设在岩体内部，它的受力以及它作用于围岩的力同框式支架相 比要复杂得多国标g b j 8 6 - - - 8 5 将锚固力定义为锚杆对于围岩的约束力。 在实际应用中，大都以抗拔力为锚固力，这给检验锚杆安设质量提供了简 便的拉拔试验方法，但国内外许多学者纷纷撰文指出了抗拔力与锚固力的 区别。 图2 3 表示锚杆作用于围岩的两个方向的力，径向锚固力和切向锚固 力，径向锚固力含托锚力和粘锚力从锚杆安设到失效，在锚杆起作用的 整个过程中，根据锚同力的发展，可分为初锚力、工作锚固力，残余锚固 力三个作用阶段。 初锚力指安设锚杆时人为的对锚杆张拉而使锚杆具有的作用于围岩的 力。工作锚固力指围岩变形后，锚固剂开始发挥粘结作用时锚杆对围岩的 作用力残余锚固力指锚固剂破坏，工作锚固力丧失，但粘结剂仍具有残 余粘结强度，钻孔围岩一破坏的粘结荆一锚杆杆体之间存在摩擦力，此时 锚杆对围岩的约束力。 1 9 山东大学硕士学位论文 2 2 2 锚杆失效类型 图2 - 3锚杆约束围岩的力 一般锚杆有四种失效方式： 1 ) 杆体钢筋拉断。常出现在杆体尾部丝扣段，该处易产生应力集中， 是杼体的薄弱环节。采用滚丝法加工丝扣，或对该段进行热处理，是防止 该失效的有效措施。 2 ) 托板失效。 3 ) 粘结破坏。这种破坏有三种情况：( 1 ) 锚杆一粘结剂接触面破 坏；( 2 ) 围岩一粘结剂接触面破坏；( 3 ) 破坏面深入到围岩体内几个毫 米，常发生在软弱围岩。采用树脂锚固剂，增加锚固长度，可有效防止粘 结破坏。在围岩较弱破碎情况下，只有提高围岩的可锚性，才能实现可靠 锚固。 4 ) 锚空失效。大量工程实践表明，由于局部围岩破坏造成的锚空失 效是锚杆失效的主要形式。锚杆或锚喷支护巷道，由于围岩荷载和围岩中 弱面的不均匀性，常发生局部破坏，致使锚杆切向锚固力迅速丧失，径向 锚固力也大幅度降低，从而引起更大范围的破坏。在锚网或锚梁网支护的 巷道中，局部破坏被护表构件所抑制，锚空失效会得到有效控制。 2 0 山东大学硕士学位论文 2 2 3 锚固力的作用机理 锚固机理的研究随着锚杆支护实践的发展而不断深入，目前已能较完 满的解释锚杆对围岩的稳定功能锚杆的锚固作用体现为径向和切向锚固 力的作用径向锚固力对围岩施加围压，将围岩由单向、双向受力状态转 化为双向、三向受力状态，提高围岩的稳定性锚杆贯穿围岩中的弱面， 切向锚固力改善了弱面的力学性质，从而改善了围岩的力学性质。因此锚 杆是兼有支护和加固两种作用的较完美的支护形式。径向锚固力主要起着 支护作用，切向锚固力主要起着加固作用。 1 ) 锚固机理 锚杆对围岩的锚固作用是通过锚固力来实现的，而锚固力是依赖围岩 变形而产生和发展的锚杆支护一般在巷道开挖完成后实施，此时围岩的 弹塑性变形已经完成，使锚杆产生锚固力的是围岩峰后的剪胀变形，随着 剪胀变形的渐进发展，锚杆从径向和切向两个方向上产生限制剪胀变形的 力。剪胀变形越大，锚杆的径向和切向的锚固力越高。锚杆的锚固作用使 得围岩在较高的应力状态( 能量状态) 下获得稳定平衡。 2 ) 锚固机理力学模型 以巷道围岩峰后剪胀变形模型为基础，将锚杆锚固作用均化到围岩 中，在锚固范围内，每一单元体都有一根“单位锚杆”通过，若锚杆间排 距分别为，、j ，锚杆直径为d ，则单元体上通过的“单位锚杆一为罢；。 驸 在单元体沿弱面发生剪胀错动过程中，单位锚杆从径向和切向两个方向上 对单元体的剪胀错动发生限制力，体现锚杆对围岩的锚固作用。 1 ) 径向锚固力矿 如图2 4 所示： 山东大学硕士学位论文 p 卜一锚杆杆材的抗拉强度 2 ) 切向锚固力露 如图2 4 所示： 扣( r ；x 石d 2 g ”篡耋a d s 2 ， 以= o砖 【f 】竺 式中 g ，【】一锚杆杆材的抗剪模量和抗剪强度； 占一单元体错动程度，如图2 - 4 所示，占：塑，对于某一 s 类岩石占与口有函数关系五，占= 正 ) ，工反映了 岩石本身的属性。 i | ， i l f ， ， 、 、 坤4 一 i 一_ 一一， l 一叠 ， 图2 - 4 锚固岩体峰后剪胀变形分析 砖 1 胡 k 夕盘 k | | 曦 山东大学硕士学位论文 3 ) 加锚单元体平衡方程 如图2 - 4 所示，对已发生剪胀变形获得稳定平衡的锚固围岩单元体列 径向平衡方程得： ，等+ 卜一掣 - o 协3 ， 4 ) 加锚单元体剪胀变形与荷载关系方程 如图2 - 4 所示，去掉加锚单元体左半部分，剪胀错动以后，沿圆周方向 列平衡方程得： 2 ( q + 矿) ”r o d g + 露= t r 9 d r ( 2 - 4 ) 5 ) 弱面摩擦系数函数石 “= 石( ，口) ( 2 - 5 ) 6 ) 错动力函数五 = 五( 砖，口) ( 2 6 ) 锚杆锚固机理力学模型由六个方程组成，包含六个未知量，变量个数 等于方程个数，模型可求解。 2 2 4 国外经典锚杆支护原理 锚杆支护理论是随着锚杆支护实践的发展而发展的，它有两方面作用： ( 1 ) 使人们认识、理解锚杆支护对围岩的稳定功能；( 2 ) 为锚杆支护设 计提供理论根据 1 ) 悬吊作用 1 9 5 2 1 9 6 2 年，l o u i s a p a n e k 经过理论分析及实验室和现场测试，提 出锚杆的作用是将软弱、松动、不稳定的土体悬吊到上覆坚硬岩层上( 图 2 5 ) ；在软弱围岩中，锚杆的作用是直接将顶板的破碎岩石悬吊到其上部 的自然平衡拱上( 图2 6 ) ，拱高可采用普氏的压力拱理论估算从图2 5 ， 2 6 可以看出，起悬吊作用的锚杆，主要是提供足够拉力，用以克服滑落 岩土体的重力或下滑力，来维持工程稳定。 山东大学硕士学位论文 利用悬吊作用进行锚杆支护设计时，锚杆长度可根据坚硬岩层的高度 或平衡拱的拱高来确定，锚杆的锚固力及布置可根据所悬吊岩层的重量来 确定。悬吊作用很好的解释了锚固