（地质工程专业论文）岩体结构面力学特性及其锚固效应的数值计算研究.pdf

博士学位论文 摘要 摘要 地质体有别于一般工程材料的一个重要特征就是其中包含有各 种具有宏观尺度规模的界面，这种与周围岩体具有显著性质差异的界 面在地质上统称为“结构面，如断层、节理、软弱夹层或岩带、层面 等。结构面在很大程度上破坏了岩体的连续性，并控制了岩体的工程 地质特性。通过对岩体结构面的力学性质研究，明确岩体在各种荷载 作用下结构面变形与强度所产生的力学效应，具有重要意义。 论文通过收集前人资料、理论分析、现场试验及数值仿真技术， 对结构面力学和变形特性，及在锚杆加固情况下结构面的响应特征、 岩体边坡稳定性等相关方面进行了系统的研究，为工程实践提供科学 指导。 现有岩体结构面剪切应力和剪切位移描述模型的局限性是只能 反映塑性结构面的应力变形特征，本文通过对其进行修正，使其即能 描述塑性结构面的应力变形特征也能描述脆性结构面的应力变形特 征。 f l a c 3 d 中锚杆单元只能考虑轴向力和轴向摩擦力的作用，而无 法考虑锚杆的横向剪切力作用。在实际节理岩体中，由于节理结构面 的错动，往往对锚杆形成横向剪切力，因此，考虑锚杆的横向剪切力 特征显得较为重要，本文对f l a c 3 d 的锚杆单元进行修正，通过内置 的f i s h 语言实现更加符合实际情况的锚杆数值单元。 通过现场锚杆拉拔试验，对不同锚杆锚头位移与锚头拉力之间的 关系进行了分析，同时利用修正的f l a c 3 d 的锚杆单元进行数值模拟 计算，锚头位移与锚头拉力之间的计算关系曲线与实测的结果基本一 致，从而验证了本文所建立的锚杆修正单元的正确性。 另外，通过自行编制a n s y s f l a c 3 d 的转换程序，改进以往文 献中所编制程序的a n s y s f l a c 3 d 的数据导入方法，使数据导入速 度和建模效率得到大大提高，从而实现了复杂表面形态结构面试样模 型的数值建立。 同时，论文探讨了结构面形态对于剪切强度和应力应变关系以及 结构面破坏模式的影响，建立了结构面起伏角与结构面剪切强度之间 的关系模型；探讨了硬性结构面的数值实现方法，并研究了法向位移 和剪切位移的关系，揭示了结构面剪胀特性，并建立了剪胀理论模型； 博士学位论文 摘要 研究了结构面加载过程中，加载速率对结构面剪切强度的影响，并建 立了二者之间的线性拟合模型。 也探讨了节理试样剪切强度与节理面厚度的关系，并针对不同起 伏角，建立二者关系曲线的二次抛物线拟合方程。 鉴于在加锚条件下结构面的应力和变形特征研究的不足，本文通 过数值模拟的方法，并利用第二章所建立的修正的锚杆单元，分别对 比了结构面在加锚和无锚情况下的强度特征，应力应变特性，并研究 在不同锚杆倾角情况下，结构面的力学和变形行为。 为了进行节理岩体边坡锚杆加固的优化研究，探讨了锚杆参数， 如长度，倾角，间距对于节理边坡稳定性的影响，并建立了它们之间 的关系模型，得到的结果可以为工程实践提供重要指导。 关键词：节理岩体；结构面；力学特征；变形特征；数值分析；锚杆； 边坡 a bs t r a c t g e o l o g i c a lm a t e r i a l i sd i f f e r e n tf r o mo t h e rm a t e r i a l s ，f o ri tc o n t a i n s m a n yd i f f e r e n ts i z ei n t e r f a c e s ，w h i c h a r en a m e ds t r u c t u r ep l a n el i k ef a u l t ， j o i n t ，w e a k n e s sp l a n ea n ds t r a t i f i e dp l a n ee t e t h e yb r e a kt h ec o n t i n u o u s o ft h er o c km a s s ，a n dc o n t r o lt h eg e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i co f r o c km a s s s oi ti sm e a n i n g f u lt os t u d yt h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s i t i co fr o c km a s s s t r u c t u r ep l a n e a n di t sm e c h a n i c a le f f e c ti n d u c e db yt h ed i f f e r e n t l o a d i n g t h em e c h a n i c a la n dd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s i t i co fs t r u c t u r ep l a n e ， t h er e s p o n s eo fs t r u c t u r ep l a n ew i t hb o l tr e i n f o r c e m e n t ，j o i n tr o c ks l o p e s t a b i l i t ya n di o i n tr o c ks l o p ew i t hb o l tr e i n f o r c e m e n ta r es t u d i e di nt h e p r e s e n tt h e s i s ，a c c o r d i n gt ot h em e t h o do f t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，i n s i t u t e s t a n dt h en u m e r i c a lc a l c u l a c i o nm e t h o d t h er e s u l t so ft h ep r e s e n tt h e s i s c a ng i v es o m eg u i d a n c ef o rt h er e a lp r o j e c t t h ee x i s t e dm o d e lf o rd e s c r i b i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns h e a r s t r e s sa n ds h e a rd i s p l a c e m e n to fs t r u c t u r ep l a n ec a no n l yr e f l e c tt h et y p e o fp l a s t i cs t r u c t u r ep l a n e s ot h i sm o d e l i sm o d i f i e di nt h ep r e s e n tt h e s i s ， w h i c hc a nt h e nd e s c r i b et h es t r e s sd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fb o t ht h e p l a s t i ca n db r i t t l es t u c t u r ep l a n e t h eb o l te l e m e n ti nf l a c 3 dc a no n l yr e f l e c tt h ee f f e c to fa x i a l s t r e s sa n da x i a lf r i c t i o ns t r e s s ，b u ti nr e a l i t y , t h eb o l ta l s os u s t a i n st h e s h e a rs t r e s si nt h en o r m a ld i r e c t i o n s oi ti si m p o r t a n tt oc o n s i d e rt h e s h e a rs t r e s si nt h en o r m a ld i r e c t i o no fb o l t ，e s p e c i a l l yf o rs t r u c t u r ep l a n e r e i n f o r c e db yb o l t t h eb o l te l e m e n ti nf l a c 3 di sm o d i e f i e db yt h e i n t e m a lf i s hl a n g u a g e t om a k ei tm o r ec l o s et ot h er e a ls i t u a t i o n a c c o r d i n gt o t h ei n s i t u t e s to fb o l tw i t ht e n s i l es t r e s s ，t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eb o l th e a dd i s p l a c e m e n ta n dt h e t e n s i l es t r e s sa r e a n a l y z e d t h e nt h eb o l tt e n s i l e t e s ti sm o d e l l e db yt h en u m e r i c a l c a l c u l a t i o nm e t h o d ，i nw h i c ht h em o d i f i e db o l te l e m e n ti su s e d t h e c o m p a r i s o n sa r ed o n ef o rt h er e s u l t so b t a i n e df r o mt h ei n s i t u - t e s ta n dt h e n u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o d ，w h i c hv a l i d a t e st h ec o r r e c t n e s so ft h e m o d i f i e db o l te l e m e n td o n ei nt h ep r e s e n tt h e s i s u i 博士学位论文 t h ed a t a t r a n s f e r r i n gp r o g r a mf r o ma n s y st o f l a c 3 di s c o m p i l e d ，i nw h i c ht h ed a t at r a n s f e r r i n gm e t h o di sd i f f e r e n tf r o mt h o s ei n o t h e rp a p e r s ，t h ed a t at r a n s f e r r i n gm e t h o dc a ng r e a t l yi n c r e a s et h ed a t a t r a n s f f e r i n ge f f e c i e n c y , a n dt h ec o m p l i c a t e ds u f a c ef o rs t r u c t u r ep l a n ec a n b em o d e l l e db yt h i sp r o g r a m n l es h e a rs t r e n g t h ，s t r e s s s t r a i nr e l a t i o n s h i pa n dt h ef a i l u r em o d eo f s t r u c t u r ep l a n ea r ea n a l y z e d 砀et h e o r e t i c a lm o d e l sa r ef o u n d e df o rt h e m 1 1 1 em e t h o du s e i n gi n t e r f a c et om o d e lt h es t r u c t u r ep l a n ei sa n a l y z e d ，t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h en o r m a ld i s p l a c e m e n ta n ds h e a rd i s p l a c e m e n ti s s t u d i e d ，w h i c hs h o w st h es h e a rd i l a t a n tc h a r a c t e r i s t i co fs t r u c t u r ep l a n e ， a n dt h es h e a rd i l a t a n tt h e o r e t i c a lm o d e li sf o u n d e d t h ee f f e c to ft h e s h e a rv e l o c i t yt ot h es h e a rs t r e n g t ho fs t r u c t u r ep l a n ei ss t u d i e d ，a n dt h e r e f i r i n gm o d e li sb u i l t t h er e l a t i o n s i pb e t w e e nt h es h e a rs t r e n g t ha n dt h ejo i n tt h i c k n e s si s a n a l y z e d ，t h ef i t t i n ge q u a t i o n s a r ef o u n d e df o rt h e mw i t hd i f f e r e n t r o u g h n e s sa n g l e s 砀ec h a r a c t e r i s t i co fs t r e s sa n dd e f o r m a t i o no fs t r u c t u r ep l a n ew i t h b o rr e i n f o r c e m e n ta r es e l d o ms t u d i e di nt h ee x i s t i n gm a t e r i a l b u ti nt h e p r e s e n tt h e s i s ，t h i sp r o b l e m i ss t u d i e d b yt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n m e t h o d ，i nw h i c ht h em o d i f i e db o l te l e m e n ti su s e d t h es t r e n g t h c h a r a c t e r i s t i ca n ds t r e s s s t r a i nc h a r a c t e r i s t i ca r e c o m p a r e d f o rt h e s i t u a t i o n so fs t r u c t u r e p l a n ew i t ht h ew i t h o u tb o l t r e i n f o r c e m e n to f d i f f e r e n ti n c l i n a t i o n i no r d e rt od ot h eo p t i m a ls t u d yf o rt h ej o i n tr o c ks l o p ew i t hb o l t r e i n f o r c e m e n t , t h ee f f e c to fb o l tp a r a m e t e r sl i k eb o l tl e n g t h ，b o l t i n c l i n a t i o na n db o l ts p a c i n gt ot h es t a b i l i t yo fj o i n ts l o p ea r es t u d i e d ， w h o s er e s u l t sc a ng i v es o m eg u i d a n c ef o rt h er e a lp r o j e c t k e y w o r d ：j o i n t e dr o c km a s s ；s t r u c t u r ep l a n e ；m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c ； d e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c ；n u m e r i c a la n a l y s i s ；b o l t i v 博士学位论文第一章绪论 1 1 目的和意义 第一章绪论 地质体有别于一般工程材料的一个重要特征就是其中包含有各种具有宏观 尺度规模的界面( 夹层) ，这种与周围岩体具有显著性质差异的界面在地质上统称 为“结构面”，如断层、节理、软弱夹层或岩带、层面等。它们在很大程度上破坏 了岩体的连续性，控制了岩体的工程地质特性，并在各类工程地质稳定的分析评 价中具有重要的意义。 作为工程对象的岩体十分复杂。历经无数次地质构造运动，岩体中生成了错 综复杂的结构面，而结构面的地质和力学特征与其成因及形成过程密切相关，它 包含了从微观、细观到宏观的各种尺度缺陷，同时岩体的破坏与失稳总是伴随着 原有结构面裂隙的演化、扩展和贯通，且强烈地受到内部裂隙面性态及其分布方 式的影响、制约和控制【l - 6 1 。从工程力学参数上，结构面的存在与扩展导致岩体 力学性质产生了显著“弱化”和强烈的各向异性【j 7 1 。因而，岩体的结构面，在很大 程度上影响了岩体的变形、破坏及应力传递等力学作用【8 。1 1 1 ，其对岩体的变形和 破坏起着控制作用。对岩体结构面的力学性质研究，明确岩体在各种荷载作用下 结构面变形与强度所产生的力学效应，具有重要意义。 岩体边坡作为一种常见的工程形态，内部往往包含大量随机分布的结构面， 这些软弱结构面的分布、发育程度以及结构面的物理力学性状，控制着边坡的变 形、强度和稳定性。国内外大量的工程实践表明【1 2 6 1 ，几乎所有的边坡失稳都不 是一开始就出现的，通常是由于工程活动导致边坡体内出现应力重分布，使边坡 岩体变形并在某些结构面或其中的薄弱部位得到逐渐增长发展，或者，由于地质 条件的恶化，导致边坡岩体中的断续结构面不断蠕变、演化，造成岩体的宏观断 裂而产生新的贯通滑移面，进而最终演变为岩石边坡的整体滑移失稳破坏。因此 认识岩质边坡结构面的物理力学特性及其演化规律【1 7 - 2 0 l ，对其进行合理的利用及 改造，从而达到控制边坡的变形和稳定目的，具有理论和现实意义，也正是基于 岩体边坡的结构面与边坡失稳的内在关联机制，本文拟展开全面而深入的研究。 岩石边坡的抗滑治理是一项复杂的系统工程，需要综合考虑各方面的影响因 素，从而制定出具有针对性的和可靠的治理方案。目前，岩质边坡常规的治理方 法【1 6 , 2 1 - 2 4 1 包括，地表排水、清方减载、填土反压、预应力锚杆、锚索、注浆加固 法，非预应力锚杆、挡土墙、抗滑桩、锚喷和框架锚杆等。这些众多的边坡加固 方法各有其特点和相应的适用范围，在工程实践中应针对具体的边坡特点进行选 博士学位论文 第一章绪论 择有针对性的加固方法。近年来随着大型高陡边坡的不断出现，而且由于工程的 特殊性不允许边坡放坡减载，从而使锚杆得到广泛应用。 当前，锚杆技术的发展已经渐趋成熟，适用范围越来越广【2 5 2 8 1 。但不论是预 应力锚杆还是非预应力锚杆，其加固的力学机制主要为：通过锚杆的轴力作用将 岩体的上下盘岩石有效地拉结或压结在一起，从而使边坡岩体的强度和稳定性得 以提高。锚杆加固技术包括预应力锚杆、非预应力锚杆、锚索等类型，其力学实 质是通过人为加载或随岩体变形被动发挥的方式，改善岩体的应力状态，从而充 分发挥岩体本身的自承能力和自稳能力，保障岩体工程的安全性和稳定性。在国 外，岩石锚杆的使用可以追溯到2 0 世纪初叶【2 】o 美国1 9 1 2 年首先在阿伯斯莱森 ( a b e r s c h l e s i n ) 的费来顿( f r e i e d e n s ) 煤矿使用锚杆来支护顶板；1 9 1 5 年又将 锚杆用于加固金属矿山围岩；1 9 1 8 年在西利西安矿山开始使用锚索支护；1 9 3 4 年在阿尔及利亚舍尔法重力坝开始使用预应力锚索对坝体、坝基进行加固处理， 发展到现在，国外已经开发出各种类型的岩锚杆达6 0 0 余种，广泛应用于坝基加 固、边坡加固、地下工程围岩支护、结构抗浮、结构抗倾、悬索结构抗力型基础 等各种工程。 我国自上世纪5 0 年代开始引入岩石锚固技术，并很快在许多领域得到了广 泛的应用 2 8 - 3 3 】。1 9 6 5 年在安徽梅山水库首次采用预应力锚索加固坝基岩体；7 0 年代初，对湖南双牌溢流坝坝基也采用了预应力锚索，单锚承载力达到2 3 0 0 k n ， 总吨位为8 9 0 5 0 吨1 3 ；1 9 8 9 年1 月，在云南漫湾水电站左岸滑坡工程中，采用 2 2 0 0 根1 0 0 0 , - 一3 0 0 0 k n 级预应力锚索，成功地控制了左岸边坡地潜在滑动；长 江三峡水利枢纽工程高17 0 米地船闸边坡，共采用3 0 0 0 k n 及10 0 0 k n 的预应力 锚索2 0 0 0 余根，从而保证了边坡的稳定【2 1 。 伴随着岩石锚固技术的发展，锚固理论以及锚固效应的研究也在不断深入， 本文探讨结构面和锚杆之间的相互作用，结构面锚杆单元模型的建立，以及锚杆 参数对于结构面力学和变形效应的影响，对于揭示节理边坡锚固的内在机制具有 重要意义。 1 2 岩体结构面剪切特性的研究现状 岩体的结构和构造特征对岩体结构的稳定性具有决定作用。在结构面的剪切 特性研究方面，国内外学者做了大量的研究工作，取得了丰硕的研究成果 2 9 - 3 3 1 。 其中，结构面的抗剪切强度是结构面力学特性最重要的力学指标，也是国内外众 多学者所研究结构面力学最主要的课题之一，对各种结构面本构关系的建立也是 学者们致力于研究的课题。通过对结构面本构关系的描述，揭示出岩体结构面受 力与变形关系的力学特征，进而从宏观层面上把握岩体强度和变形失稳的机制， 2 博士学位论文第一章绪论 这种从微观到细观再到宏观的研究路线正是岩体力学研究的特点所在。如孙广忠 1 3 4 筇】认为台阶形、锯齿形和波浪形是三种常见的节理起伏度形态，并将相应的节 理面分为四种破坏形式：台阶状节理面平直剪切滑动、台阶状节理面压切、锯齿 状和波纹状节理面爬坡滑动、锯齿状和波纹状节理面啃断，并导出了相应的抗剪 强度公式；杜守继等【3 6 】基于不规则的人工岩石节理经历不同剪切变形历史的剪 切试验，分析了岩石节理剪切变形特性及与变形历史的依存关系；李海波等【3 7 】 利用人工浇铸的表面为锯齿状的混凝土岩石节理试样，研究不同剪切速率下各种 岩石节理起伏角度岩石节理的强度特征，并提出考虑不同剪切速率的岩石节理峰 值强度模型；b a r t o n 3 8 - 4 0 】认为凸起体的剪断和剪胀性与法向应力有关，从而提出 相应的节理剪切强度的经验公式；g c r r a r d t 4 l j 认为滑动和啃断是节理剪切强度的 主要影响因素，对于初始耦合的新鲜节理，他提出了节理剪切强度的总准则；许 宏发等【4 2 】在分析了岩体节理剪切变形常用双曲线模型和指数模型的基础上，提 出了一种幂函数模型；p a t t o n 4 3 1 在考虑到锯齿状节理的剪胀作用后，推出了该种 节理的剪切强度公式；但当法向应力逐渐增大到可以将微凸体剪断时，p a t t o n 又 相应推出了节理双曲线剪切强度公式；当考虑到节理面上各种大小微凸体是随法 向应力的增大而累进啃断的；j a f a r imk 4 4 1 ，l e ehs 【4 5 】，f o xdj 4 6 1 研究了节理 在循环剪切荷载作用下的应力应变特征；夏才初，孙宗颀等 4 7 , 4 8 】考虑到节理面的 起伏度和粗糙度的影响推出了节理面的剪切强度公式；l a d a n y i 和a r c h a m b a u l t l 4 9 1 将摩擦力、剪胀力、粘结力和岩桥的强度对峰值剪切强度的影响综合起来，推出 了考虑岩桥的节理峰值剪切强度公式；沈婷，丰定祥等【5 0 】通过直剪模型试验和 非线性有限元分析，研究了由结构面和岩桥组成的剪切面在不同法向应力、不同 岩桥面积及不同岩桥分布型式等条件下的综合抗剪强度、较客观地评价了岩桥对 剪切面抗剪强度指标的影响。 综上所述，结构面的剪切特性受多种因素影响，其抗剪强度一般符合莫尔一 库伦强度准则，且与结构面本身的物理力学性能指标、结构面的结构构造及荷载 的作用方式有关，研究成果是有关学者通过理论推导和试验的方式，并考虑节理 面在某种特殊条件下得到的，且较多为经验公式；在这些试验或者理论模型中， 还较少从数值分析的方面对结构面剪切效应进行分析，也就是说，结构面剪切特 性的数值研究还显得较为薄弱。 1 3 结构面加锚剪切特性的研究现状 结构面在锚杆作用下其物理力学特性的改变是衡量锚杆作用效应的尺度，锚 杆作用的实质是：在锚杆轴力的作用下，节理结构面相互之间产生压结作用，使 其抗剪强度相应增强，提高了岩体的强度和整体性，从而使岩体稳定性得以改善。 3 博士学位论文 第一章绪论 葛修润，刘建武【5 1 j 借鉴了国外的某些算法并加以改进，同时考虑到锚杆的“销钉， 作用，提出了估算加锚节理结构面抗剪强度的公式，并推导出锚杆的最佳安装角； 杨延毅1 5 2 】针对加锚岩体的特点，采用等效抹平的处理方法，从损伤加筋体的自 一致理论出发，并运用脆性类材料损伤增韧止裂理论，依据加锚节理裂纹的断裂 扩展过程建立损伤演化方程，并给出了此类加锚岩体的本构关系。王成f 5 3 1 基于 线弹性断裂力学原理，将层状岩体的层间潜在最弱面等效为等间距共线多节理的 力学模型，通过分析含有一条节理的有限大小岩体在压剪应力作用下节理线附近 应力场在锚固前后的变化，提出了计算由于锚固引起的锚固效应公式，较好地解 决了边坡锚固的增效问题；叶金汉【5 4 】用水泥砂浆和大理石来模拟锚固节理岩体， 通过室内三轴压缩试验，研究了锚固节理的应力应变曲线、强度和破坏性状，并 用有限元进行了分析计算；杨松林，朱焕春等【5 5 】将加锚层状岩体作为等效连续 介质推导了加锚层状岩体的本构方程，其模型考虑了节理的剪胀扩容现象和锚杆 作用，弥补了以往分析的不足，该本构模型可对节理岩体中锚杆的加固作用做出 合理的定量评价。 可见，锚杆的作用改变了节理结构面的原有力学特性。不同学者应用弹塑性 力学、断裂力学、损伤力学理论，通过理论推导和试验模拟的方法从不同的角度 揭示了锚杆的作用机理，得出了不同状态下加锚节理面的力学特性。近年来，随 着计算机技术的不断发展，采用数值分析方法研究岩体工程问题成为新的趋势， 为岩体工程设计开辟了新的道路，但目前采用该方法研究节理结构剪切特征还较 少见诸文献，因此，基于以上考虑，本文重点采用数值模拟的方法探讨结构面的 加锚剪切特性。 1 4 岩体锚杆加固效应的研究现状 目前，锚杆在加固岩体工程中得到了广泛应用，近几十年来，很多学者广泛 开展了这方面的理论分析、试验研究以及数值计算研究，并取得了大量的成果， 为揭示锚杆的加固机理奠定了理论和实践基础。如李术才，朱维申【5 6 j 基于等效 应变能原理，在分析压剪、拉剪应力状态下加锚节理面的受力与变形特点的基础 上，运用断裂损伤力学的方法建立了加锚断续节理岩体的本构模型及其损伤演化 方程；李术才，陈卫忠，朱维申等【5 刀运用突变理论建立了加锚节理面压剪应力 状态下分支裂纹扩展的突变模型，分析了裂纹扩展性态与岩体稳定性的关系以及 锚杆的止裂增韧作用；伍佑伦，王元汉等【5 8 】在分析了穿过节理的锚杆与岩体相 互作用的机理后，采用线弹性断裂力学的方法，分析在拉剪综合作用下锚杆对裂 纹尖端应力强度因子的贡献，并揭示了各种应力作用情况以及锚杆与节理面之间 不同的夹角下锚杆的作用规律；康天合等【5 9 】运用物理模拟方法，探讨了锚杆对 4 博士学位论文第一章绪论 层状节理岩体的锚固效应；皱志辉等哪】通过模拟试验，研究了锚杆在不同岩体 中的工作机理，探讨了锚杆对不同岩体的约束效应和对不同弹模岩体的e ，c ， 多值及其破坏强度的影响机制。蔡永昌，朱合华等【6 l j 结合三角形、四边形等实 体单元的位移插值函数和一维轴力杆单元的刚度矩阵，推导出了一种用于锚杆支 护数值模拟的单元列式，可以在地下结构有限元计算中的任何开挖步自由地加设 和拆除锚杆。冯光明等【6 2 】利用f l a c 程序进行了初锚力作用下锚杆锚固效应的 模拟研究，针对锚杆端锚与全锚两种锚固方式进行了对比，对不同初锚力作用下 锚固体内的应力变化进行了模拟和分析；漆泰岳，陆士良等1 6 3 】对f l a c 2 d 3 3 中 的锚杆单元模型进行了修正，使其具备模拟锚杆损伤软化的功能，实例分析表明， 修正后的模型可以有效模拟大变形巷道锚杆支护的特有规律；曹文贵，速宝t , 6 4 1 利用数值流形方法理论，建立了岩体锚杆( 索) 加固数值流形方法模型，该模型 反映了裂隙岩体锚固的力学机理，可以仿真各种加固锚杆的复杂几何布置及几何 参数；薛亚东，张世平，康天合【6 5 】采用f l a c 软件对回采巷道锚杆支护进行地 震动载模拟分析，得出锚杆轴力随动载作用时间的变化规律；张宏m 】也通过数 值分析的方法对锚杆的加固效应进行了研究。 以往的分析中，大多把锚杆作为表面粗糙的锚杆单元进行分析，即认为其只 承受轴向力( 轴向拉力，轴向剪力) ，而不承受横向力作用，但是在节理边坡工 程中，由于节理结构面的错动，锚杆不可避免地将承受一定的横向力作用，其重 要性不亚于轴向力作用 6 7 , 6 8 1 。因此，有必要对节理边坡中锚杆单元的受力进行全 面分析，使其不但能发挥轴向受力性能，也能发挥横向受力性能。另外，原始节 理在锚杆加固后，成为钢筋岩体复合结构，其力学效应变得十分复杂，再加上节 理的各向异性和不连续性，导致现在还没有形成统一的强度理论来精确地描述锚 固节理岩体的强度变形特性。目前，为了获取节理边坡的锚固机理，在现场可以 进行剪切试验，但由于测试手段等的限制，很难全面了解锚杆及其附近岩体的变 形受力状态，也不能较深入地描述锚杆与岩体的相互作用，而且现场试验的费用 大，周期长，效果不明显。而数值模拟试验具有成本低、便于控制以及观测方便 等优点，因此通过数值模拟进行锚固效应的研究不失是一种有效途径。 1 5 岩体边坡稳定性和加固方法的研究现状 岩体结构作为一种不连续介质，具有各向异性以及不均匀性、不连续性特点。 对于岩体及岩体中结构面的变形、强度和稳定性等方面的研究方法，主要有解析 法、计算力学数值分析法与模型实验法。 5 博士学位论文 第一章绪论 1 5 1 极限平衡分析法 极限平衡方法的基本特点是，只考虑静力平衡条件和摩尔库仑破坏准则。 也就是说，通过分析岩体在l 临界破坏时力的平衡来求得问题解。当然，在大多数 情况下，问题是非静定的。极限平衡方法处理这个问题的对策是引入一些简化假 定，使问题变得静定可解。这种处理，使方法的严密性受到了损害，但是，对计 算结果的精度损害并不大，并且由此而带来的好处是使分析计算工作大为简化， 因而在工程中获得广泛应用。根据单元的几何形状、单元间的受力方式、滑动面 形式的不同假设，刚体极限平衡分析方法可分为以下几种：( 1 ) 垂直条分法 6 9 - 7 4 ： 该方法包括瑞典圆弧条分法、毕肖普法、简布的普遍条分法、斯宾塞法和摩根斯 坦一普赖斯法等。( 2 ) 分段对数螺线法【7 5 】：根据变分法原理，推导得到分层岩土 边坡的潜在滑移面形状为分段对数螺线。该法主要计算分段对数螺线滑面上滑面 上的粘聚力对极点产生力矩。( 3 ) 岩质边坡s a r m a 法【7 铺o 】：该法根据滑体的地质 特性和结构面构造，对滑体按节理构造进行斜分条及不等距分条，使各条块尽量 模拟实际岩体节理、断层的产状和强度。( 4 ) 节理边坡的岩体结构分析与关键块 体分析峭1 删：通过对结构面的地质统计分组，求得优势结构面，另外结合开挖面 的方位，用赤平极射投影与实体比例投影相结合的方法，确定边坡岩块的稳定性。 1 5 2 数值分析方法 伴随着电子计算机的广泛应用而发展起来的现代计算力学数值分析方法，在 岩体工程中正显示出越来越强大的生命力，也得到越来越广泛地应用。与大型物 理模型和现场实验相比，数值方法具有快速、便捷、费用低、可以模拟岩体材料 和构造的各种特性以及施工过程等特点，使它逐步成为岩体工程分析中更为有力 的工具。目前广泛采用有以下几种变形体分析方法：( 1 ) 有限元单元法【8 5 8 7 】与边 界单元法【8 8 删：有限单元法的基本思想是将连续介质离散为仅在结点铰结的有限 个单元，荷载移植于结点，利用插值函数考虑连续条件，由力法或位移法求解应 力场和位移场。边界单元法将连续介质的边界离散为有限个单元，通过建立积分 方程，求解介质内的应力场和位移场。( 2 ) 离散单元法【9 1 哟! ：适用于非连续介质 和大变形问题，可有效地分析节理裂隙发育岩体边坡的稳定性与滑动规律。( 3 ) 无单元伽辽金方法( e 1 e m e n tf r e eg a l e r k i nm e t h o d ，简记为e f g ) 9 4 ，9 5 ：前处理特 别简单，可免去有限元法里手动或半自动划分网格的麻烦或困难。( 4 ) 自然单元 法( n a t u r ee 1 e m e n tm e t h o d ，简记为n e m ) 9 6 - 9 8 1 ：依托于求解结构的v o r o n o i 图( 类 似于有限元网格) ，计算时间与同等精度的四结点有限元法相当。( 5 ) 快速拉格 朗日差分法( f l a c ) 9 9 - 1 0 4 1 ：与通常的有限元法不同之处在于：前者是显式的方法， 6 博士学位论文第一章绪论 而后者则是隐式的。显式差分法求解时未知数集中在方程式的一边，无须形成刚 度矩阵，不用求解大型联立方程，因而占用内存少，便于微机求解较大的工程问 题。另外，由于该方法采用的是随流观察法，即研究每个流体质点随时间变化的 情况，所以适合于解决非线性大变形问题，这一点恰好可以满足岩土工程中力学 分析的需要。f l a c ( f a s tl a g r a n g i a n a n a l y s i so f c o n t i n u a 简称f l a c ) 方法自提 出以后，在国外已被广泛应用于工程地质、岩土力学以及构造地质学和成矿学等 研究领域。国内于2 0 世纪9 0 年代初才引进该软件，主要应用于工程地质和岩土 力学分析，如矿体滑坡、煤矿开采沉陷预测、水利枢纽岩体稳定性分析、采矿巷 道稳定性研究等。f l a c 3 d 是美国i t a s c a 咨询公司于2 0 世纪9 0 年代中期在原有 的二维分析软件f l a c 基础上开发发行的一种工程计算处理程序。 1 5 3 模型试验法 模型试验研究中，一般用相似材料的块体组合来模拟多裂隙介质岩体 1 0 5 - 1 1 1 】，模拟控制边坡稳定的软弱结构面，从而研究坝肩边坡岩体的抗滑稳定性， 破坏机制以及基础加固措施的实际效果。如文【1 1 2 。1 1 7 】对三峡高边坡的节理岩体进 行模拟，分析船闸高边坡开挖的稳定性；潘亨永【1 1 5 】采用强度储备法对南盘江天 生桥一级电站厂区高边坡的开挖过程进行模拟，得出边坡整体强度贮备安全系数 值。周维垣等【1 1 8 l 针对锦屏一级水电站拱坝左岸高边坡，提出一种整体转动边坡 模型，模拟边坡发生开裂破坏的三维试验方法。转动该模型的边坡角度就可以不 断改变自重场和下滑力，从而评价边坡的安全度；张嘎等【1 1 9 1 提出了一种确定离 心模型试验过程中边坡的应力和位移场及其变化过程的方法；朱维申等【1 2 0 】通过 室内相似材料模型块试验，研究了在不同的布锚参数下三峡船闸高边坡节理岩体 的抗压强度、弹性模量、泊松比及扩容特性等力学性质的变化规律，得出了一些 有益的结果。 从目前模型试验可知，针对岩体边坡的试验研究，主要不足有：规模小，误 差大，模型复杂，无法定量评价边坡整体安全系数。在物理模拟手段中，原型观 测可以说是最真实可靠的。不过，原型观测要耗费大量的时间和财力，而且存在 着边界条件不明确、岩土的物理力学特性难以测定和测量手段复杂等诸多问题， 其精度受到强烈影响。 1 6 技术路线 本文主要通过理论推导、现场试验、数值仿真以及工程实例，针对岩体结构 面的剪切特性、结构面锚固剪切特性以及节理岩体边坡稳定性锚固效应等方面进 行相应研究，其技术研究路线如图1 1 。 7 博士学位论文第一章绪论 _ i i i i l l 岩体结构面国内外研究状况i 1 7 主要研究内容 图1 1 研究技术路线 岩体边坡作为一种常见的岩体结构，内部往往包含大量随机分布结构面，这 些软弱结构面的分布、发育程度以及结构面的物理力学性状，控制着边坡的变形、 强度和稳定性。因此，研究岩体结构面的应力变形特征，具有重要工程意义。 本文主要研究内容包括： ( 1 ) 原有结构面剪切应力和剪切位移描述模型的局限性是只能反映塑性结 构面的应力变形特征，本文通过对其进行修正，使其即能描述塑性结构面的应力 变形特征也能描述脆性结构面的应力变形特征。 ( 2 ) 通过现场锚杆拉拔试验，对不同锚杆锚头位移与锚头拉力之间的关系进 行了分析，同时利用修正的f l a c 3 d 的锚杆单元进行数值模拟计算，对锚头位 8 博士学位论文 第一章绪论 移与锚头拉力之间的计算关系曲线与实测的结果进行对比。 ( 3 ) 自行编制a n s y s f l a c 3 d 的转换程序，改进f l a c 3 d 数据导入的方法， 实现对复杂表面形态结构面试样模型的数值模拟。 ( 4 ) 探讨结构面形态对于剪切强度和应力应变关系以及结构面破坏模式的 影响，建立结构面起伏角与结构面剪切强度之间的关系模型。 ( 5 ) 探讨硬性结构面的数值实现方法，并研究法向位移和剪切位移的关系， 揭示结构面剪胀特性，并建立剪胀理论模型。 ( 6 ) 通过研究结构面加载过程中，加载速率对结构面剪切强度的影响，建立 二者之间的线性拟合模型。 ( 7 ) 定量分析节理试样剪切强度与节理面厚度的关系，并针对不同起伏角， 建立二者关系曲线的二次抛物线拟合方程。 ( 8 ) 对比结构面在加锚和无锚情况下的强度特征，应力应变特性；在不同锚 杆倾角情况下，研究结构面的力学和变形行为。 ( 9 ) 通过工程实例，探讨锚杆参数，如长度，倾角，间距，布设方式对于边 坡稳定性的影响，建立了它们之间的关系模型。 9 博士学位论文第二章结构面锚固效应的力学和变形特征研究 第二章结构面锚固效应的力学和变形特征研究 2 1 引言 结构面剪切强度是结构面力学特性的最重要的力学指标，也是国内外众多学 者研究结构面力学最主要的课题之一。充填结构面的剪切强度主要受结构面表面 形态、充填厚度和充填介质的性质所控制；未充填结构面的剪切强度主要受结构 面表面形态所控制【1 2 卜1 3 3 1 。对不同结构面本构关系的建立也是学者们致力于研究 的课题。通过结构面本构关系的描述，揭示出岩体结构面受力与变形关系的力学 特征，进而从宏观层面上把握岩体强度和变形失稳的机制，这种从微观到细观再 到宏观的研究路线正是岩体力学研究的特点所在。 在锚杆作用下结构面物理力学特性的改变是衡量锚杆作用效应的尺度，锚杆 作用的实质是【1 3 4 。1 4 0 l ：在锚杆轴力的作用下，结构面相互之间产生压结作用，使 其抗剪强度相应增强，从而提高了岩体的强度和整体性，使岩体稳定性得以改善。 在剪力的作用下，节理岩体将产生沿结构面滑动的力学效应，因此锚固的效果也 将体现于结构面在此两个方面力学特性的改变上，其参数可用强度和变形予以表 征，其规律可用强度准则和本构方程体现。但由于岩体结构面的各向异性和不连 续性，现在还没有形成统一的强度理论和本构方程来精确地描述其强度和变形特 性，现有的理论也基本是在一定的理想条件下，采用传统的力学原理推得，或是 在大量试验条件下拟合得到的；原始结构面在锚杆加固处理后，实际上已经成为 钢筋混凝土结构，成为复合材料结构，其力学效应变得更加复杂。将这种复杂结 构理想化处理( 如均化理论) ，抽象出理想化模型，并在试验和应用中找出计算 和真值的差异量，再对原公式加以修正，不失为一种可行和现实的研究途径。 本章拟在前人工作的基础上，对结构面剪切应力变形模型，结构面加锚特性 进行分析，并对现有相应结构面剪切应力变形模型进行修正，使其更加完善。同 时，通过分析锚杆对结构面的加固效应，进一步研究锚杆与岩土体之间的相互作 用机理，建立锚杆的数值计算单元。 2 2 岩体结构面的变形力学性质 结构面的变形力学性质主要表现在三个方面【1 4 1 】：( 1 ) 剪应力作用下产生的 剪切变形规律；( 2 ) 法向应力作用下产生的法向变形规律；( 3 ) 结构面的抗剪强 度准则。而结构面的变形主要表现为沿结构面的剪切滑移。许多学者做了大量的 i o 博士学位论文 第二章结构面锚固效应的力学和变形特征研究 试验，寻找表征剪应力啦移关系的经验公式，研究其变形规律，常用剪切刚度 芯表征其变形特征。在不同法向应力作用下，剪应力剪切位移曲线有两种变化 形态：剪切刚度k 。可能不变，称常刚度变形曲线；k 。也可能随法向应力的改