（岩土工程专业论文）预应力锚索对洞室的加固机理试验研究及数值分析.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 预应力锚索加固技术己在国内外岩土工程中获得广泛应用，并取得了巨大 成功。而全长粘结式锚索和自由式锚索是目前工程中应用最广泛的两种预应力 锚索，除了一些特殊工程要求采用某些特殊锚索外，在大多数情况下，特别是 在那些大型的地下洞室和岩土边坡中，广泛采用的还是全长粘结式锚索和自由 式锚索。尽管它们被广泛采用，但在其加固机理和设计计算方法方面还存在不 少问题需要研究解决，如：在预锚加固机理方面，目前还没有统一的看法；在 设计方法上，也大多采用工程类比法。本论文采用相似材料地质力学模型试验 和与之相应的数值计算分析相结合的方法，在前人研究的基础上，对自由式锚 索和全长粘结式锚索在地下洞室中的锚固效果和加固机理进行了较为深入的研 究，取得了一定的研究成果。 本论文深化了地下洞室加固中的预应力锚固理论，提出了一些有意义的见 解，具体表现在以下几方面。 ( 1 ) 采用地质力学模型试验方法，分别对不同锚固方案( 全长粘结式锚索 与自由式锚索，预应力大的与预应力小的) 进行试验研究。试验中模拟了洞室 的边开挖、边锚固实际施工过程，有效的解决了地质力学试验中有关洞室的开 挖与对预应力锚索的模拟技术难题。 ( 2 ) 根据模型试验结果，详细分析了锚索类型( 全长粘结式与自由式两种 锚索) 、预应力大小等对地下洞室加固效果产生的影响，给出了锚固洞室的宏观 破坏现象、围岩断裂形态、漏壁位移特征、洞周围岩应变分布状态以及在开挖 和超载过程中锚索预应力产生的变化。某些试验成果，如在洞室开挖过程中， 两种锚索初始预应力都普遍减小，减小的平均幅度为1 5 - 2 2 ；锚索预应力减小 的相对数值与锚索初始预应力的大小近似成反比，以及各部位锚索预应力的减 小幅度都具有很强的随机性等，对于更好地认识预应力锚索对洞室的加固作用 机理，提出和完善预应力锚索加固设计计算方法和指导现场施工都具有重要的 参考价值和指导意义 ( 3 ) 利用i 丌a c d d 程序对试验内容进行了数值分析，数值模拟中材料的参 数、对采用不同锚固方案的洞室的开挖、锚固及超载过程均与模型试验相同， 得到的规律性认识也与模型试验能够相互印证，进一步完善了对锚固洞室的加 固效应和加固机理的研究，对今后开展预应力锚索对地下洞室加固效果的数值 计算积累了经验。 关键词：预应力锚索地下洞室地质力学模型试验数值计算 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t p r e s t r e s s e d a n c h o r i n gt e c h n i q u e sh a s b e 眈o l i l ea w i d e l yu s e dt e c h n i q u e sa n dm a d e g r e a ta c h i e v e m e n t si ng e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n ga th o m ea n da b r o a d e x c e p tt h a t s o m es p e c i a lp r o j e c t sn e e ds p e c i a la n c h o rc a b l e s , t h et w ot y p e so fn o n - b o n d e d p r e s t r e s s e da n c h o rc a b l ea n df u l l yg r o u t e da n c h o rc a b l ea i cm o s tw i d e l yu s e di n u n d e r g r o u n do p e n i n ge n g i n e e r i n ga n ds l o p ee n g i n e e r i n ga tp r e s e n t i ns p i t eo fb e i n g w i d c l yu s e d , s o m ep r o b l e m sa r eu r g e n tt or e s e a r c ho l lt h er e i n f o r c e m e n tm e c h a n i s m a n dd e s i g nm e t h o do fp r e s t r e s s e da n c h o rc a b l e t h e r ei su ou n i f o r mv i e wo nt h e r e i n f o r c e m e n tm e c h a n i s ma n dt h ee n g i n e e r i n g - a n a l o g l cd e s i g nm e t h o d si sm o s t l y u s e di nm a n ye n g i n e e r i n g s b a s e do nt h er e s e a r c ho fp r e d e c e s s o r s ，t h er e i n f o r c e m e n t e f f e c ta n dm e c h a n i s mo fa b o v et w ot y p e so fp r e s t r e s s e da n c h o rc a b l ef o r u n d e r g r o u n do p e n i n ga l ed e e p l ys t u d i e db yg e o m e c h a n i c a lm o d e lt e s t sa n d n u m e r i c a lm o d e l l i n gm e t h o da n ds o m ea c h i e v e m e n t sh a v e b e e nm a d ei nt h i sp a p e r i nt h i sp a p e r , t h ep r e s t e s s e da n c h o r i n gt h e o r yi sd e e p e n e da n ds o m es i g n i f i c a t i v e i d e a sa r ep u tf o r w a r d t h em a i nc o n t e n t sa r ec o n c r e t e l ya sf o l l o w s ： ( 1 ) n cd i f f e r e n ta n c h o r i n gs c h e m e s ( e g t w oa n c h o rc a b l et y p e s ：n o n b o n d e d p r e s t r e s s e da n c h o rc a b l ea n df u l l yg r o u t e da n c h o rc a b l e ；p r e - t e n s i o n i n gw i t hb i go r s m a l lt e n s i o n ) a r es t u d i e db yg e o m e c h a n i c a lm o d e lt e s t s t h ec o n s t r u c t i o nm e t h o do f “a n c h o r i n gw h i l ee x c a v a t i o n f o ru n d e r g r o u n do p e n i n g i ss i m u l a t e da n dt h ed i f f i c u l t p r o b l e m so fs i m u l a t i n gt e c h n o l o g yf o ru n d e r g r o u n do p e n i n ge x c a v a t i o n a n d p r e s t r e s s e da n c h o rc a b l eh a v e b e e no v e r c o m ei ng e o m e c h a n i c a lm o d e le x p e r i m e n t s ( 2 ) b a s e do nt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s , i ti sa n a l y z e dt h a tt h er e i n f o r c e m e n te f f e c t o fu n d e r g r o u n do p e n i n gs u p p o r t e db ya n c h o rc a b l eh a v e b e e ni n f l u e n c e db ya n c h o r c a b l et y p e s ，p r e - t e n s i o nm a g n i t u d e ，e t c t h em a c r o s e o p i c a lf a i l u r ep h e n o m e n ao f u n d e r g r o u n do p e n i n g , t h ef r a c t u r es h a p e so fe n c l o s i n gr o c k , t h ed i s p l a c e m e n t c h a r a c t e r i s t i c so fr o c kw a l l ，t h es t r a i nd i s t r i b u t i o ns h a p e so fe n c l o s i n gr o c ka n dt h e v a r i a t i o no ft e n s i o ni na n c h o rc a b l ed u r i n gt h eu n d e r g r o u n do p e n i n ge x c a v a t i o na n d o v e r l o a d i n ga r eg i v e n s o m er e s u l t s ，s u c ha st h et e n s i o ni na b o v et w ot y p ec a b l e si s g e n e r a l l yd e c r e a s e da n dt h ea v e r a g er a n g ei sa b o u t1 5 砣2 d u r i n gt h eu n d e r g r o u n d o p e n i n ge x c a v a t i o n , t h er e l a t i v ed e c r e a s em a g n i t u d eo ft e n s i o ni na n c h o rc a b l ei s n e a r l yi n v e r s ep r o p o r t i o nt ot h ei n i t i a lt e n s i o nm a g n i t u d ea n dt h ev a r i a t i o no ft h e t e n s i o nd c c r c a s ci nm a g n i t u d eo fe a c ha n c h o rc a b l ei nd i f f e r e n tp l a c eo b v i o u s l y s h o w e dw i t hr a n d o m n e s s ，a r eh e l p f u lt ou n d e r s t a n dt h er e i n f o r c e m e n tm e c h a n i s mo f u n d e r g r o u n do p e n i n gs u p p o r t e db ya n c h o rc a b l e , t op u tf o r w a r da n dp e r f e c tt h e 武汉理工大学硕士学位论文 d e s i g nm e t h o do fa n c h o rc a b l ea n dg i v ear e f e r e n c et of i e l dc o n s t r u c t i o n ( 3 ) 1 1 圮m o d e lt e s t sa r cs i m u l a t e db yf i a e ”a n dt h er e s u l t so b t a i n e df r o mt h e t w om e t h o d sa r es i m i l a ri nl a wu n d e rt h es a m ec o n d i t i o n ss u c ha st h em a t e r i a l p a r a m e t e r s ，t h ee x c a v a t i o n , a n c h o r i n ga n do v e r l o a d i n gp r o c e s so ft h eu n d e r g r o u n d o p e n i n gi nd i f f e r e n ta n c h o r i n gs c h e m e s 1 n h et w o m e t h o d sa r ed i f f e r e n t , b u t c o m p l e m e n t a r yw i t he a c ho t h e r 1 n b er e s u l t sp e r f e c tt h er e s e a r c ho ft h er e i n f o r c e m e n t e f f e c ta n dm e c h a n i s mo fp r e s t r e s s e da n c h o rc a b l ei nu n d e r g r o u n d o p e n i n g e n g i n e e r i n g a l lt h e s ej o b sa c c u m u l a t ee x p e r i e n c ef o rm o r er e s e a r c h e so nt h e r e i n f o r c e m e n tm e c h a n i s mo fp r e s t r e s s e da n c h o rc a b l eb yn u m e r i c a lm o d e l l i n g m e t h o d s k e yw o r d s ：p r e s t r e s s e da l l c h o rc a b l e , u n d e r g r o u n do p e n i n g , g e o m e c h a n i c a lm o d e le x p e r h n e n t ， n u m c r i c a la l l c u l a t i o n 此页若属实请申请人及导师签名。 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意 研究生签名；丛整日期三竺垡! 因 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) r 一- 研究生签名：丛坠导师签 注：请将此声明装订在学位论文的目录前 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章引言 目前预应力锚索加固技术己在国内外岩土工程中获得了广泛应用，并取得 了巨大成功。特别是对于那些大型的地下洞室和岩土边坡，几乎是不可缺少的 一种加固手段自由式锚索和全长粘结式锚索是目前工程中应用最广泛的两种 预应力锚索，这是因为这两种锚索应用历史悠久，结构形式简单，施工经验比 较丰富，加固效果可靠，经济指标合理等【1 卅 1 1 预应力锚索加固理论的研究现状及存在的问题 岩土锚固是通过埋设在地层中的锚杆( 或锚索) ，将结构物与地层紧紧地 连锁在一起，依赖锚杆( 或锚索) 与周围地层的抗剪强度传递结构物的拉力或 使地层自身得到加固，以保持结构物和岩土体的稳定它具有以下几个特点： 能在地层开挖后，立即提供支护抗力，有利于保护地层的固有强度，阻止地层 的进一步扰动，控制地层变形的发展，提高施工过程的安全性；提高地层软弱 结构面，潜在滑移面的抗剪强度，改善地层的其它力学性能；改善岩土体的应 力状态，使其向有利于稳定的方向转化；锚杆( 或锚索) 的作用部位、方向、 结构参数、密度和施作时机可以根据需要方便地设定和调整，能以最小的支护 抗力，获得最佳的稳定效果；能将结构物与地层紧密地连锁在一起，形成共同 工作的体系；伴随着结构物体积的减小，能显著节约工程材料，有效地提高土 地的利用率，经济效益十分显著；对预防、整治滑坡，加固、抢修出现病害的 结构物具有独特的功效，有利于保障人民生命财产安全。 预应力锚索加固技术已经有近一个世纪的历史，早在1 9 1 8 年，锚索就开始 作为一种新的支护手段，用于对西里西安( 现波兰境内) 矿山开采中【1 0 l ，1 9 3 3 1 9 3 4 年，在阿尔及利亚的切尔伐斯水坝的改建工程中，a c o y n e 工程师首次设 计并成功使用了预应力锚索加固技术，同时他也成为预应力锚索加固理论的创 始人1 1 1 j 到5 0 - 7 0 年代，越来越多的工程应用了这一新型的锚固技术，其应用 领域也越来越广泛，水利水电、矿山开采、公路铁路工程以及工业与民用建筑 工程等都能见到其身影。然而，即便预应力锚索应用如此广泛，预锚加固的效 果、机理和设计理论的研究却仍远远跟不上实践的发展。尽管国内外学者对其 武汉理z 大学硕士学位论文 祝理翊繇露开始积极蟾探索，毽研究的重熹多扶内锤匿段受力变形及玻环过程 和预应力锚固吨位变化上去求证，如近些年提出的内锚固段剪虚力非均匀分布 理论，以及对按摩擦理论计算内锚撤长度的半续骏公式提出了新的缩短长度的 定鞋露瓣等等l 控l 。茏焚楚j c | 予缝下濑室审镶抒露耀橇理熬礤究楚莛乡之又少 1 1 1 对内锚固段的骚力特点和承载能力的分析研究 嚣兔内镶困段深壤豢俸内帮，溉察溅量都缀疆难，霹翦一般逶过控羧试验 测出其警均承载能力，再通过较多的简化假设辩箕进行理论分析在当前的内 锚固段受力分析中通常假设：1 ) 锚索体传递给浆体以及浆体传递给围岩体的翦应 力均沿内锚段辘线方向全长均匀分襁；2 ) 滑移或剪切破坏均发擞在锚索与浆体及 浆俸与滋纛赛嚣登1 麓。餐丈量试骏秘工程实黢袭绢，在蠹锈黼歉赘痤力并不是 均布的，而是在内锚段近端有很大的峰值剪应力【1 4 1 关予锚索与注浆体之间的剪成力，c o a t e s 和y u 0 9 7 0 年) 、h o l l i n g s h e a d ( 1 9 7 1 年) 进霉了骞限元诗雾，瑚l i 蜓1 9 粥冬f a r m e r ( 1 9 7 5 年) ，b a b i v y 毒l l d u p u i s ( 1 9 8 1 年进行了试验，得出缡论：剪应力在中等坚硬和骚硬地层中黧指数分布，在软 弱地层中星均匀分布翦应力分布取决于锚索体钢材弹模与地层弹模之比，比 值愈小( 矮地层b 锚围段步 端应力愈集中；髓：值愈大( 软地层b 剪应力分布愈均 匀1 t 5 - 1 7 1 研究巍试验簸莱夯表碉：敬浆俸藏者俸瀚豹骜应力缀不是垮匀分露酌， 而是沿钻张孔壁呈指数彤分布，并沿锚固段长度迅速递减i 坶。 除了上述对内锚嗣段的试验研究成果外，随着数值计算猩岩土工程中的应 矮，诲多久对内链霆毅夔受力镑7 数篷分辑。分雾 了菲线黢蠢羧擎元法在鬏镶 加固计算巾的应用特点并编制出实用计算程序；提出了“预镟驸加应力场”的 概念，并分析其分布形态及各种预锚参数对它的影响：初步探讨了预锚附加应 力场j c 重羚体稳定性躲影晌橇割。 然瑟现行采用翡内键霞段长度计算方法掰褥滋豹结采缀誉切实际，长期戳 来却并光大的改进，z 猩应用中仍然较多的依赖经验确定或工程类比1 1 9 1 。真正 能够给如内锚固段中鼗浆体和孔壁、注浆体与钢绞线问的剪成力或剪应变分布 藏律载试验酝究绣暴秘毽沦结采逐琴多，特鬟是凝场试验结鬃述缀多。 1 1 2 预威力锚索整体加固效果室内模型试验研究 在装工程领域，枣子磅究对象为卷主务蕨，瓣研究熬朗题捷径涉及装 2 武汉理工大学硕士学位论文 介质的本构关系、岩土介质与工程结构的相互作用、岩工程( 如地下洞室、边 坡、基坑等) 的开挖施工工艺及在开挖和运行过程中的稳定性、岩土工程的支护 与加固技术等。这些问题都十分复杂，至少在目前尚难以用理论研究方法或计 算机模拟方法得到满意解答。其难点在于岩土介质长期受到各种自然力的作用 和影响，形成了极其复杂的结构和构造特征，其本构关系至今仍无法用理论作 精确描述，加之考虑工程结构与岩土介质的相互作用，问题更加复杂化。然而， 采用物理模型试验研究方法则可以较好地解决上述难题。这是因为物理模型是 真实的物理实体，在基本满足相似原理的条件下，它能更真实地反映地质构造 和工程结构空间关系，更准确地模拟开挖施工过程及其影响，并可给出更为直 观的试验结果，使人们更容易全面把握岩体工程的整体受力特征、变形趋势及 稳定性特点等。大量的工程实践证明，地质力学模型试验方法是研究大型岩土 工程问题，特别是地下工程问题的一种行之有效的方法1 2 0 , - 2 2 l 。 目前关于预应力锚索对洞室的整体加固效应模拟试验研究所见资料不多， 大部分的研究都把锚索等效于非预应力锚杆，而不是作真正的锚索模拟。真正 用预应力锚固模型来研究锚索整体加固效果的实例较少。近年来，总参工程兵 研究三所较好的解决了锚索的施工工艺模拟和开挖后能及时张拉的技术问题， 提出边开挖边锚固的方法，真正做到了用预应力锚固模型来研究锚索整体加固 效果，为理论研究与工程实践提供了很好的实验基础团1 1 1 3 预应力锚索整体加固效果数值模拟研究 随着计算机计算性能的增强以及各种有着良好用户界面的软件的开发和使 用，在地下工程的数值模拟中，三维仿真计算已经非常普及在地下工程分析 中常用的数值方法按其适用范围可分为两大类，一类是适用于连续介质的数值 方法，另一类是适用于非连续介质的数值方法。在连续介质数值方法中，岩体 被视为连续介质，将岩体简化成数学意义上的连续体来进行分析，主要包括有 限元法m 、边界元法1 2 5 】闭、有限差分法【2 7 l 、刚体界面元法【糊明、无单元法l ，1 1 1 3 2 1 以及上述方法的耦合非连续介质数值方法主要包括刚体极限平衡法1 3 3 】、关键 块理论1 3 4 l 、离散元法1 3 5 l 、数值流形方法【蚓【3 7 l 、不连续变形分析p 8 l 等。 上述的数值方法已经在隧道工程和地下洞室工程的设计中得到广泛地运 用。但是由于这些方法各自的局限性，数值仿真计算的结果并不能完全真实地 反映实际的洞室周围岩石的力学行为。很多时候需要对实际问题进行简化，而 3 武汉理m 大学硕士学位论文 且在有黻元计算串常溺到鹃一些镁定和实际情况有一定差躐，铡懿：糖块获 岩体和节理岩体假定为各向同性材料；将屈服后的岩土材料行为模拟为理想 塑性； 将裂隙岩体模拟为粘塑性材料；假定混凝土村砌为弹性材料，而实 嚣主德凝士季重蜜本赛豹力学露失燕静线牲戆，甏麓英毒| 辩参数与辩弱骞美； 将灌浆锚秆进行简化模拟，仅用简单杆单元模拟或将灌浆锚杼的加固作用进行 等效处理； 小变形假定，而实际上有些岩土工程中岩体变形已经是大交形； 等等。戮戴，针对老童搴| 辩及缝下络梅材料瓣爨缨致更真实的数值模型匏提遗 和使焉融经成为嚣裁撩洞及地下溺黛工程中豹掰究熟点 另方面，在锚秆作用机理的数值模拟方颟也发展了很多方法。这些数值 模拟方法可以大致分为两类：一类怒直接单独地模拟锚杆和裂隙面的相嚣作用 ( a y d a no 1 ，挎l ，1 9 8 9 ；s w o b o d a & 窝醚a l 铀m ，阍，1 9 9 1 ；蒸整宏秘嚣g 睿0 瓤l ，1 9 9 7 ) ； 另一类怒将锚杆的加湖作用进行等效处理，锚样本身不计入刚度矩阵 一超载( 记蒙宏观破坏现象) 一停止加载一卸载一取出模型一解刹模 壅。 图2 - 1 1加载装鬣 图2 1 2 洞室开挖步序 武汉理王丈学硕士学位论文 第3 章试验成果与分析 3 1 溺塞宏溪破坏现象及黉岩錾裂i 殄态 3 1 1 润塞宏观破坏现象 秀了毅述主懿方程，首先给窭各模垄漏室蘸像与免疫懿对纛关系( 冤鼙3 _ 幻。 试验中用肉眼观察了备模型洞室的宏观破坏现象( 见表3 - 1 ) 7 5 ；厂、。 、 j 1 ；弋 ， x 、 窨醪、孓埘 2 0 2 5 。 1 5 7 r 蹰3 - 1 洞室部位与角度对应关系 表3 1 楼黧溪室宏溪酸繇凌象 荷载( ，时a ) r矿h r矿 2 7 0 。方向下 半部掉砂、裂 p v f f i 2 a 缝，9 0 。方向来环未璐未坏来球 妻下薅上掇 现裂缝。 在5 0 1 4 0 1 。、2 6 0 、 8 0 。，1 0 0 。方 和2 4 0 - 3 0 0 2 8 0 0 方向上向上半部掉 之间出现多 邦出现小裂砂，出现小裂 楚裂缝；多楚 缝缝。 来毒l ：泰搭 p v = 2 6 裂缝捧移； 9 0 方向下毕 部裂缝处起 皮。 1 9 脯， 武汉理王大学硕士学位论文 袭缝楚起受、 8 0 ，l o 矿、8 0 、l o 妒襞2 6 0 4 方翔上擒。方翔下 掉块，连续撺2 6 酽、2 8 0 0 方缝继续发展，部掉砂。缴而半部出现小 砂向上相继出2 6 0 。方向下出现裂缝、起裂缝，稍盾， 现裂缝，、半部出现裂皮，舳。、1 0 0 。2 印p 、2 8 0 4 方 l 。方舞发缝；稍鼷，方建胡继鑫 舞鑫下褥上 生在下半熬。 l o 。、力圜魄 上瑟下掇瑗出瑗餮缝， 1 2 鳓。方 向出现第二 裂缝，殿比8 0 。方向相继 p # 2 8 向自上丽下条裂缝，3 0 5 2 6 0 。方向严出现裂缝，但 贯通；2 8 0 方方向相继如重；稍聪， 比2 6 0 方向 每底罄蠢凸瑷裂缝+ 纛垂2 8 0 。方内下夺。 莛现象。上面下发篪；半部出现袭 8 0 、1 0 0 。方 缝 向上半部裂 缝处起皮 裂缝翔大，继8 0 方囱壅褒各裂缝继续裂缝箍撼势。2 6 矿、2 瓣。方 续捧砂、摊自上葡下静翔丈，裂缝憝向裂缝维续 块，如。方向裂缝，1 2 5 。方掉砂，2 6 0 。方加大，袭筒起 p v z 3 0下半部稍严 向上半郜出 向起皮严煎皮 重，2 7 0 。方向现凸起，2 8 0 4 主半邦稳严 方是下攀瓤 重。出瑗裂缝。 9 0 、2 7 0 。方起皮、裂缝处8 0 。、2 6 0 方裂缝处继续裂缝处掉砂、 向继续掉大 掉砂，2 方向出现掉块。掉砂，起皮严起皮，裂缝处 块。向比8 0 3 向下半部比上重；1 0 0 方向呈破碎状 严重睾邦尹熬；裂缝巯露夺 1 2 5 、2 8 妒方 块脱落，2 6 0 。 p v = 3 2 向出现裂缝方向下半部 有较大块脱 落，5 5 。、1 2 5 。 方自窭糕裂 缝。 模型破坏比2 6 0 0 方向起 2 6 0 、2 8 0 4 方 起皮处继续2 7 0 。方向上 较严重，停此皮处有多块向下半部起发展，4 、端连续撵砂， 加载 脱落，5 5 。、皮严重、掉 1 0 0 。方向掉 有碎块脱落， 1 2 5 、2 3 5 。霸 袭，8 0 4 努囱块，2 6 0 、8 0 、1 0 0 4 方 p v = 3 4 3 0 5 。方内如掉块，如扩，2 8 0 方内摔向裂缝簸有 现自上而下1 2 5 。方向连砂发展，出现起 的裂缝。续掉砂皮 裂缝楚簿砂8 0 4 、l 羽p 、2 6 矿，2 8 0 。方2 6 0 a 、2 8 0 。方 严重，多簸起 2 6 0 。和2 8 0 。 囱裂缝疑连向有碎块脱 r v = 3 6 皮脱落，8 0 4 、方向下华部续掉砂、掉落，4 、l o o 。 1 0 0 。方向裂起皮，连续掉块，3 0 5 。、方向起皮严 缝明显增大砂，8 0 。、2 8 0 。5 5 。、2 3 5 翱重，撵块， 2 0 武汉理工大学硕士学位论文 方蠢裂缝魄1 2 5 。方翱籀 5 5 4 、1 2 5 窥 1 0 0 。、2 6 0 。方 继出现裂缝2 3 5 方向出 向严重。殿下 现裂缝 半部比上毕 郝严重 莛麦瓣薄，簿裂缝处捧砂、 2 6 0 0 、2 方 s 。一1 0 0 方 大块掉块向掉砂、掉块向中简部位 p v = 3 8 严重连续掉砂。有 小块脱落。 8 0 、l o 扩、裂缝照连续5 5 。、1 2 5 、5 5 。、1 2 5 4 方 瓣。和2 8 0 捧痧掉块，模 2 3 5 。、2 6 0 、 自餮缝确丈， 方向连续掉型破坏严黧，2 8 0 、3 0 5 处掉砂掉块，荷 p v = 4 0 砂掉块，模溅停止加载掉砂掉块严 载稳定，威力 破坏严重，停重，停此加环变形较大， 止热载。载。 箨盘热羧。 从表3 1 中可以者出： ( 1 ) 如果以洞壁出现裂缝作为洞室宏观破坏开始的话，那么各模型洞徽宏 观酸嚣猿载燹表3 - 2 。麸表孛霹戳餐捌，不蕊弱麴避涸宏鼹破坏楚载藤，各鸯蕤霾 洞室的宏j 既破坏荀载商，平均高1 3 左右 表3 - 2 洞寨宏观破坏荷载 横爱号 i 珏。毽。扩v 宏观破坏荷载昂d ? 1 4 1 1 5 3 1 5 3l 舾 l ，6 s 最丈试骏麓载弓舡 2 0 d2 3 52 瑟2 3 5 复豁 ( 2 ) 务模型洞室的拭同破坏特镊是破坏部位都在洞室两侧拱脚上下，即o = 孵。秽2 7 0 。方向上下，破坏过程都是先捧砂，然慝出现裂缝，继两漏壁起皮、 獐块。备模型在溺室被坏特征上所苓弱靛是：秘皴坏发生静攀浚辩淘不等，不 加固的洞嶷最早，各加固的洞室较晚；( b ) 在破坏过程中洞壁失稳的快慢稷度 不同，毛洞最快，呈现脆性破坏特征，各锚固洞嶷较慢，呈现鼢黎性破坏特征； 磅毛濑溺室疆蓼瞻残落懿块薅较犬，骏棼蓬嚣连续，各镶霆溅塞戆玻嚣帮链熬 发生在锚索与锚索之阐，锚索根部附近不发生破坏，破坏的璇体也较小。当然 不同的锚围方案，在破坏特征上也肖明显区别：最大的区别怒企长粘结式锚索 洞室的玻坏发展过程缓慢；嚣自由式谧索洞室懿破坏过程发黢较快。 武汉理大学硕士学位论文 3 1 2 濑塞霭岩断裂形态 为了观察洞室围岩断裂形态，试验结束后从模型1 2 厚度上进行解割，解 裁螽显露爨寒熬嚣老聚聚形态翔霆3 - 2 壤示f 强孛灏蓬上豹一翳= 嚣媾是在试验结 束后浇注的，目的是为了保持完好的洞壁破坏形态) 从圈3 2 中看到： 1 ) 嚣模型漏室的烫岩破坏部豫均相露，都残0 = 9 0 。帮2 7 妒上下处； f 2 ) 狻坏模式基本稠霹，都是蠢两铡漏壁海介质内产生条或多条袭缝， 裂缝的延伸方向近乎平行于最大压力p v 方向； ( 3 ) 备模型洞室围岩断裂形态上的差异主要袭现在：( a ) 壤凋与各锚固涧室 疆魄襞缀多蠢短，虽袋缝发生帮使毽疆霹较深；渤全长糖缳凌矮索与叁凌式 锚索相比洞壁附近圈岩裂缝较少，破坏程度较轻( 见图3 - 2 d , e ) ；( c ) 预应力酌大 小对围岩的裂缝形态影响不大( 见图3 - 2 c ，d ) 。 综上所述可知，溺室匿岩的断裂形态主要决定予黄载形式帮潺室形状。不 同豹链潮方式不改交灏老豹基本骄爱形态，只题在破坏程瘦纛略有不葡。菇井 值得指出的是，围岩的断裂缝可以穿过锚索或锚杆继续发展，途说明锚素绒锚 杆不能提供足够的抗剪风度，以限制裂缝的发展。 3 2 锚阂洞室洞壁位移特征 洞壁位移是反映溯嶷性态盼综会参数，历来受到工程券黥饕遍重视。我们 逶过对濑照位移特鬣熬奔绍与分辑，力图浼礁镶瓣漏室与j # 镶嚣漏室在受办毪 态上的区别以及不同锚网方式对锚阉效果的影响。为此我们绘制了各模型洞室 的u ，- p v 髓线和u - p v 腑线，这里i l v 、h 分别表承洞室在o = o 。及0 - - - - 9 0 。方向上 豹演壁藤瓣整移，袭忝攘墼边莠纛豹垂壹蘩载。上述麴线渗楚缝表翡，镶霾 与非锚湖洞室在洞壁饿移特征上脊明显区别，不同锚固方式对洞壁位移特征也 有明显影响。 3 2 1 在超载条谗下锚固演室；嚣壁位移特髹 ( 1 ) 锚固与非锚固洞室洞壁位移特征的比较 从0 = 0 0 方向瓣，锚固与非锚圃洞室的洞蹙位移特征其相同点是：便 武汉理z 大学硕士学位论文 图3 - 2 各模型洞室匿岩断裂形态 武汉理工大学硕士学位论文 。 夕 岳一 拦一k 匕1k 02 03 , 0地。喇，n 毙叫广妒咿喇。竹 垃匕删蚺 贬 lc 左刮r 肯 釉v 模型( 纛醐肇萄嘲壤带嬲力薹l ：p 砷2 躲。 g i q 岈 圈3 3 各模型洞室洞壁位移特征比较 武汉理曩大学硕士学位沧文 移方淘郝始终赣自洞内。开始都按藏线规律变化，以螽又都接魏线麓律变纯 位移速攀随荷载的增加都明显加大。二者的不同点是：非锚顾洞室的u v - p v 曲 线( 见图3 0 中a 图) 可明显分为三个阶段，即o a 、a b 、b c 而各锚固洞室的 u , , - p v 整线灵骞蠢萋嚣嚣令除爱， 缓警没有第三黪羧( 觅霆3 - 3 孛瓣b 、厶d 、尊豹 左图) ，为了比较上的方便，我们把它也分成了置个阶段。其次，锚圃与非锚固 洞室的t p v 曲线形状阻然大体相同，但各段斜率存在明显茇别。一般的说， 锚霹漏塞均魄嚣键露涮蜜大，如o a 段平均大嬲左右，a b 段平均大1 6 倍， b c 段平均夫2 1 倍。可觅越到洞室燮形的螽赣：蒲豹差捌越犬这表明锫索糯 固提高了洞室的整体变形刚度( 这熙“洞室整体炎形刚度”是指洞室所受聪力 凡与洞鹫位移m 的比德，即p 识访，尤其是在洞嶷变形的后期阶段更为明鼹。 获0 = 9 0 * 杰- 羯瓣，疆霾与# 罐霉潺室豹灏夔整移特镊麓耪霆熹是：舅鲶 都朝渝外位移，并且也是先按直线规律变化，后按曲线规律交化，位移速举随 荷载的增加逐渐加大( 见图3 - 3 中右圈) 。二者所不同的是：非锚固洞室的l l r p v 蠢线，戮了麓载较大( p v r c = l 。5 友奄) 嚣，发生突然毪静转拆( 见圈3 - 3 中a 褰 瑶) ，位移方向由淘洞辨转向洞内，逸表葫洞壁部分材辩已与髑围介质分开，并 成整体式地朝洞内移出，我们认为这种现象表明洞壁已经失稳，并把此时所对 应的模型旖载称作洞壁失稳荷载p w ，把此时所辩应的洞壁位移( y a 拱脚方向耱 霹霞移臻：侔漏壁辍聚缎移u h 囊各镶霜瀛室黪汹夔线鹭茏上述反转瑗袋， 只是到了荷载较大时产生向上翘的越势( 见图3 3 中的b 、c 、d 、e 右图) 遮表 明锚固洞蹇的破坏不怒突然的，而怒渐进的，此点对工程处理具有重要意义 筵终，懿暴把镪弱滑室戆u - p v 潼线产生惫上麓豹趋势也褫为漏壁发擞视 始失稳的话，那么它所对应的失稳祷载和漏壁极限位移都魄j 仁锚固洞室的犬( 见 表3 - 3 ) 失稳荷载平均大3 6 左右，洞壁极限位移平均大3 3 藏右。这说明锚 索加固掇舞了洞室的失稳荷载，增大7 洞室承受变形的能力。 将表3 - 3 与表3 2 对滋琴戳看穗潺壁失黎赘羧琵瀛室宏簇破坏瑟载要舞， 原因是洞赢宏观破坏怒局部的，洞黛失稳是整体的，局部破坏不一定整体失稳 表3 - 3 潺壁失稳耱载与滠壁极鼹霞移迸较 l模璧编号 ，一辩护矿 失稳荷虢e v s c 1 52 o2 02 | o 2 2 i 极限位移u 0 0 0 - 2 ) 0 5 8o - 酊o 80 _ 8n 9 武汉理篡大学硕士学位论文 ( 动不同锚嚣方式下溺壁位移特征豹院较 从图3 3 的b 、c 、d 、c 中看到，备锚固洞室的洞壁位移特雒有其相同之处， 如在o 一0 0 方向各锚圈濑室的u , , - v v 曲线形状大体棚同，开始郡有一段直线段， 然磊残舞巍下弯戆鏊线，整令u , , - p v 夔线没赛弱驻懿第三除致。在0 = 9 0 6 努淘 各锚固洞纛的u - p v 曲线均不发生反转现象，只燕产生向上瓶的趋势等德仔 细分析它们之间的差别还是有明显不同之处的，嫩要表现在涧塞的初始刚魔大 小不等，瓣模型蘅载黔增趣嚣度衰减速率不弱等涎方瑟。 为了比较各模型洞室豹整体黛彤弼憾e ，我稍把各模型u v - p v 强线三个阶浚 的刚度假绘制成表3 4 从袭3 - 4 中可以麓剥，各模型涧室的整体变形冈度都是逐渐降低的。降低 最抉熬燕隐鍪，箕次是矿、羽醪、l 矿、矿模登这是嚣务溺室熬整髂交形瓣 度主要魑由洞周介质材料提供的，锚索加固只是起了辅助作用，随着荷载的增 加洞周介质材料逐渐进入屈服甚至破坏状态，这就决定了各涧塞的整体变形刚 度必然由大刭奎呈逐澎衰减趋势。髓骞镬索翔霾瓣潺室，由予镶索敢掘因髂耀 明显的延缓了剐度的袭减，并且不瀚的锚固方式对洞室靛整体变形刚度衰减延 缓程度不同，从而造成各锚固洞室的楚体变形刚艘大小不等，随模型荷载的衰 减速率不同。下面就举同锚固方式分别进行介绍。 表3 4 各穰爨溺室交形嚣目度比较 模型缎号 ri n i v 、， o a i 1 0 4 0 ) 1 1 7 6 ( 1 6 1 ) 1 2 9 6 0 1 7 )1 5 s 4 0 4 3 ) n 7 3 ( 1 0 6 ) 各段月i 度 a 8 3 嗽1 )钧联1 1 3 )4 3 2 ( 1 , 2 0 )4 s o ( 1 3 3 ) 9 2 5 ( 2 5 乃 9 秘神 b c 1 4 4 ( 1 )1 6 掰l 。1 0 )2 6 7 ( 1 s s )3 鞑( 2 鳓3 8 6 ( 2 6 8 ) 注：表中( ) 内数字是桐应变形段毛洞刚度的倍数。 麟 鬃垒长粘结式锚素与自由式锚索相比 自爨箴锚索热嚣黥溺室麓始嚣发大，嚣羯澍度低，嚣l 度麓耱载衰减俊( 藏表 3 - 4 中的舻、i 旷、l 矿和矿模型) 。如洞室的初始爱形i 瑕( o a 段) ，自由式锚索 比全长粘结式锚索平均高3 2 左右，后期刚度( 指平均值) 仅为企长粘结式锚索 懿4 8 ( a b 莰灏7 e 髓段) 。 自幽斌锚索洞室刚度的衰减快，表现在第：、第三阶段( a b ，b c 段) 仅为 第一阶段( o a 段1 的2 8 和1 7 ，而众长粘结式锚索第二、第三阶段则为第一阶 段的7 9 靼3 3 ，显然后者比蔚者魏度衰减要馒的多。 武汉理置丈学硕士学位论文 声象童述差裂斡囊器募西是自濑式锚索是遴过终锤头对老体表蟊施热预应 力发挥加嗣作用的，宦的预应力又燧一下子全部加在岩体上并赢即发挥加阐作 用的。而念长粘结式锚索主要是锚豢体通过砂浆姆岩体粘结在一起，靠粘结力 ( 剪锈力) 秘摩篷力发簿熬霾捧属豹，显然它需要遴遥砉薅变形才镌发挥熨犬豹 加固作粥，并且是变形越大发挥的加固作用越大。上述加固作用机理的不阐造 成了它们加固的洞室韧始刚度大小的不等和刚度随模型荷载( 亦即是随洞巍的 变r e ) 衰减快慢程度黪攀同。 鬻爨由式镶索後既之阋相比 预威力大小的比较从表3 _ 4 中看到预应力较大的嗍烈) 比预应力较小 的( n l 。模溅) 洞室的初始变形刚度大，后期变形阿发也较大，但从前面表3 - 3 中 看銎l 二豢戆溺室失稳蘩载窝演璧教鞭蹙移鼙基零鞠溺。途表骥藏自由式镶索来 说，其预应力的大小只影响洞室的变形刚度，而对洞室的失稳荷载和洞壁檄限 位移影响不大。原因怒当洞室发生破坏时，洞室疆产生较大的变形，从而使自 圭式锚索瓣赣生应力魄凌始的鞭应力要大褥多戴点已毅试验缡果溪证臻) ，因 丽两种锻索预应力蒙宥的差别已不怒以弓| 超漏塞在失稳荷载和洞壁极限位移上 的显著不同 3 2 2 在开挖过爱审镟固漓室的漏壁位移特链 实际正程中，除了防护工程有修好后再承受荷载作用的情况外，一般怒没 有超载阶段的更多熙酱遍的情况怒洞室开挖之鹰，由于围豢斑力重新调节而 产生瓣溺嶷交形。这穆交影在有镶索纛无镬索攘溺懿漏室之麓瓣嚣裂更麓铬珑 出实际工程中镭索的加固作用。表3 - 5 是各模型涧室在整个帮挖过程中洞熬产 生的最火位移值。 袭3 各模燮嚣漏位移啾1 0 - 2 ) l 模型编蟹 r矿珏r矿v 1 0 - - 0 。 2 1 4 71 3 30 7 01 3 3 l8 9 矿1 3 3电0 q以8 sm 3 3o 9 1 注：表孛釉袭示囊溺内秀蠢位移；i ) 袭忝彝溺势方内位移 从栽中可以看出，不加任何支护的毛洞( r 模型) 两个方向上的洞壁位移都比 锚索加固的各个洞室的大。拱顶方恕平均大6 5 农右，拱脚方向平均大2 倍左 武汉理大学硕士学位论文 右。不溺的镭索翻霾方案穗毙，妒、l 妒、矿模擞基本相霹，l 矿模型位移德帮 较小，从数值上看要麓1 倍左右遮说明自由式锚索初始预威力值对开挖过程 中的洞壁位移有较大影响，预应力较大时可使开挖洞壁位移大丈减小对予全 长旗结式镌索来鬟，赉于该痖力蹙受镶索体穗缝力豹影豌，仅撵瘸予漏塞袭瑟 附近，对洞壁的开挖位移影响不大( 仅限于模型试骏中的情况，如果实际工程中 是先加预臌力后灌浆的话，情况将另当别论) 由此再一次看出锚固与非锚固洞 室鞋及攀羁镶固方式下漏壁位移特诬鼯使是在秀羧过程中也鸯定区羽。 3 2