（工程力学专业论文）全长粘结式锚杆受力特性以及数值仿真试验研究.pdf

山东人学博仁学位论文 摘要 锚杆是岩土工程中重要的支护构件。但由于锚固工程本身的复杂性和多样 性，导致目前锚固机制、设计理论以及计算方法都不够完善。明确锚固力学传递 规律、建立准确的界面应力分布理论模型以及采用合理的数值计算方法都是进行 锚杆锚固研究的关键。本文在现有试验、理论的基础上，针对各种荷载作用和各 种工程工况，对全长粘结式锚杆的受力特性、锚固界面力学模型以及数值模拟计 算等方面展开研究工作。 分析单根全长粘结式锚杆在张拉荷载作用下的受力状态，根据已有试验得到 的锚固界面应力分布曲线和相关结论，用比较简单的数学表达式对复杂的剪应力 分布情况进行描述，建立均质岩体锚杆应力分布理论模型和节理岩体锚杆支护理 论模型。同时鉴于目f j 数值模拟计算中存在的问题，推导考虑锚杆与灌浆体之间 剪切破坏作用的三维锚杆有限元计算程序，并借助f o r t r a n 编程语言得以实现， 最后进行程序验证和拉拔试验数值模拟计算。结果表明，当拉拔荷载较小时，锚 固界面没有解耦发生，杆端轴力最大，大小等于作用的拉拔力，随后轴力沿杆长 呈“近似负指数”分布；随着拉拔荷载的增加，杆体前端界面出现解耦，解耦段的 轴力恒等于峰值拉拔力，未解耦段的轴力依然服从“近似负指数”分布；当达到极 限抗拉拔力时，锚杆前端界面解耦段长度的数值模拟结果与实测结果基本吻合。 推导并验证剪切荷载作用下锚杆加固节理岩体系统的两种破坏理论模型。同 时借助三维有限元计算，尝试采用新型数值计算模型来模拟全长粘结式锚杆以及 锚杆与灌浆体之间的相互作用，进一步揭示某些锚固参数对锚杆加固效果的影 响。得出以下结论：锚杆倾斜安装可以有效减小剪切位移、缓解锚固体系中应力 的增加，最终提高节理岩体整体抗剪强度；当围岩抗压强度较小时，锚固系统最 终发生拉弯破坏。 采用合理的锚固体岩土体界面力学模型来模拟锚固体与灌浆体之间的相互 作用。结果表明，锚固段从加载到破坏分为弹性变形阶段、滑移变形阶段和脱粘 滑动阶段，每一阶段应力的分布特征和演化规律都与理论分析结果一致；不同杆 长的锚杆达到极限拉拔荷载时，其轴向应力分布、锚固界面剪应力分布非常相似， v i i 摘要 且界面应力主要分布在锚杆前端“临界长度”的范围内。 以洞室开挖围岩位移为参量，建立并验证洞室围岩变形引起的锚杆界面剪应 力分布的理论模型。 最后，以大岗山水电站为背景，将上述研究成果应用到实际工程中，具体分 析锚杆锚固前后围岩稳定性的变化以及锚杆的受力状态，为实际工程提供参考。 关键词：锚杆；拉拔；剪切：三维锚杆数值模拟：锚固体岩土体界面力学模型； 洞室开挖 山东人学博i j 学位论文 a b s tr a c t b o l ti so n ei m p o r t a n tr e i n f o r c e m e n t ，b u tt h ec o m p l i c a t e dp r o j e c tm a k e si t d i f f i c u l tt ol e a r nb o l tm e c h a n i s m ，d e s i g nt h e o r ya n dc o m p u t a t i o n t h ek e y so f l e a r n i n gb o l tr e i n f o r c e m e n ti n c l u d ee n s u r i n gt h er u l eo fm e c h a n i c st r a n s f e r , s e t t i n gt h e s t r e s sm o d e lo fc o n t a c ts u r f a c e ，a d o p t i n gt h er e a s o n a b l en u m e r i c a lc o m p u t a t i o n m e t h o d b a s e do nt h et e s t sa n dt h e o r y , t h es t u d yo fm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fb o l t ， m o d e lo fb o l t e ds u r f a c ew i l lb em a d e b a s e do nt h em e c h a n i c a ls t a t eo fs i n g l ef u l lg r o u t e db o l tu n d e rp u l ll o a da n dt h e s t r e s sc u r v eo fb o l t e dc o n t a c ts u r f a c e ，t h es t r e s st h e o r ym o d e lo fh o m o g e n e o u sr o c k a n dt h er e i n f o r c e m e n tt h e o r ym o d e lo fj o i n t e dr o c kw i l lb es e tw i t hs i m p l en u m e r i c a l e q u a t i o n a c c o r d i n gt ot h eq u e s t i o ni nn u m e r i c a lc o m p u t a t i o n ，t h e3 db o l tf i n i t e e l e m e n tp r o g r a mw i l lb er e a l i z e dt h r o u g hf o r t r a na n db ea p p l i e di nn u m e r i c a l c o m p u t a t i o n a f t e rv a l i d a t i o n t h ec o n c l u s i o nc a l lb ed r a w nt h a t ，t h e r ei sn o d e c o u p l i n ga n dt h ea x i a ls t r e s si se q u a lt ot h ep u l ll o a d ，a n dt h ef o l l o w i n g a x i a ls t r e s s d i s t r i b u t i o ni sm i n u se x p o n e n t w i t ht h ei n c r e a s eo ff u l ll o a d ，t h e r ea p p e a r sc o u p l i n g a n dt h ea l la x i a ls t r e s sd i s t r i b u t i o ni sm i n u se x p o n e n t a tl a s t ，t h el e n g t ho fd e c o u p l i n g f r o mn u m e r i c a lc o m p u t a t i o ni sa c c o r d a n tt ot h er e s u l to fe x a m i n a t i o n a f t e rd e d u c i n ga n dv a l i d a t i n gt w od e s t r o ym o d e l s ，w i t ht h e3 df i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，t h et r y i n go fu s i n gn e wn u m e r i c a lm o d e lw i l lb em a d et os i m u l a t ef u l l g r o u t e db o l ta n dt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nb o l ta n dg r o u ta n dg e ts o m ec o n c l u s i o n f o r e x a m p l e ，t h ei n c l i n eo fb o l ti n s t a l l a t i o nc a n d e c r e a s et h es h e a rd i s p l a c e m e n t ，w e a k e n t h er i s eo fs t r e s s ，a n de n h a n c et h es h e a rr e s i s t a n c eo fj o i n t e dr o c k m o r e o v e r ，u n d e r t h ec o m p l e xa c t i o no fp u l ll o a da n db e n dl o a d ，t h eb o l t e ds y s t e mw i l ld e s t r o yw h e n t h ec o m p r e s sr e s i s t a n c eo f r o c ki sp o o r r e a s o n a b l ec o n t a c tm e c h a n i c sm o d e lb e t w e e ng r o u ta n dr o c kc a ns i m u l a t et h e i n t e r a c t i o nw e l la n dm a k ei tc l e a rt h a tt h ec o u r s ef r o ml o a dt od e s t r o yi n c l u d ee l a s t i c i x 摘要 d i s t o r t i o np h a s e ，s l i p p a g ed i s t o r t i o np h a s ea n dd e c o u p l i n gp h a s e t h ed i s t r i b u t i o no f s t r e s si ne v e r yp h a s ei sa c c o r d i n gt ot h et h e o r yr e s u l t e v e ni ft h el e n g t ho fb o l ti s d i f f e r e n t ，t h ea x i a la n ds h e a rs t r e s sw i l ld i s t o r ti nf o r e p a r to fb o l t ，c a l l e d “c r i t i c a l l e n g t h ” b a s e do nt h ed i s p l a c e m e n to fe x c a v a t i o n ，t h es h e a rs t r e s sm o d e lo fb o l tc o n t a c t w i l lb es e ta n dv a l i d a t e d a tl a s t ，b a c k g r o u n do nh y d r o e l e c t r i cp o w e rs t a t i o n ，a l la b o v et h e o r yw i l lb e a p p l i e di np r a c t i c ep r o j e c tt os t u d yt h ec h a n g eo fr o c ks t a b i l i t ya n db o l tm e c h a n i c s t h er e s u l t sp r o v i d er e f e r e n c ef o r p r o j e c t k e y w o r d s ：b o l t ；p u l ll o a d ；s h e a rl o a d ；3 db o l tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；m e c h a n i c a l m o d e lo fg r o u t - r o c kc o n t a c t ；e x c a v a t i o n 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己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。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：么丛 日期：刍翌窭! 罗! ! 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：么选 导师签名： 山东久学博i - q ：位论文 1 1 选题背景与研究意义 第一章绪论 锚杆是岩土工程中重要的支护构件，它可以控制围岩的变形并提高其整体强 度，对节理岩体的锚固作用十分明显【卜引。自上世纪初首次采用岩石锚杆对矿山 巷道进行支护以来，锚杆支护在工程应用和锚固技术上都得到了迅速的发展。同 时，国内外研究学者对锚杆的加固机制也进行了大量的、定性或定量的分析工作， 包括现场和室内试验研究以及理论探讨【9 1 4 1 。尤其是8 0 年代以来，随着计算机的 发展，各种数值模拟方法也在节理岩体锚杆加固机理的研究中得到广泛应用。但 是由于岩土介质本身的复杂性和多样性，其真实的本构关系是随着其形成地质年 代、分布区域、构造特征及其在具体工程中的空间位置、坏境因素等多种条件而 变化的，导致目前的锚固机制、设计理论以及计算方法都不够完善，还不能在最 初阶段就采取合理、科学的设计方法和锚固效果评价方法去指导设计。目前，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。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。 随着我国的国民经济发展和西部大开发，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 国内外研究现状 自1 9 1 2 年德国谢列兹矿最先采用锚杆支护井下巷道，并s t e p h a n 、f r o h l i c h 和k l u p f e l 请专利以来，锚杆支护技术至今已有近百年的历史，己经成为地下 第一章绪论 工程建设常用的一种支护技术，并具有成本低、劳动强度轻、施工方便等优 点。但锚杆支护的广泛应用则是在上个世纪四、五十年代，以美国和澳大利亚为 代表的发展最为迅速。美国于1 9 4 7 年j 下式采用锚杆来支护煤矿巷道和工作面顶 板。澳洲的s m s p t 程中，人们第一次对锚杆的力学机制作了研究分析，并将其 作为土木工程中重要的支护措施【1 5 】。五十年代末，锚杆支护机理的发展达到高 潮，l o u i sp a n e k ，ja c o b i o ，t l v ra b c e w i c z 和t a la n g 等人相继提出了悬吊 理论、组合梁理论以及组合拱理论，初步为锚杆支护技术的推广应用提供了理论 基础。七十至八十年代期间，许多学者对岩石锚杆的力学行为作了大量现场监测 试验。八十年代以后，世界各国纷纷大力发展和应用了锚杆支护。我国的锚杆支 护是在1 9 5 6 年开始研究的【1 6 之3 1 ，由于技术条件等原因，锚杆支护的发展一直比较 缓慢，直到九十年代才得到迅速发展。 1 2 1 试验研究 1 2 1 1 拉拔试验 f a r m 一2 4 】在研究张拉荷载作用下锚杆的力学行为方面作了基础性工作，认为 在较小张拉荷载作用下，锚杆的轴应力和交界面剪应力从荷载作用点到锚杆罩端 以指数形式衰减。 f r e e m a n t 2 5 1 在研究全长粘结式锚杆方面进行了开创性的工作。通过对拉拔试 验中锚杆受荷过程及沿锚杆方向应力分布的观测，提出了中性点、锚固长度和拉 拔长度的概念。 s t i l l b o r g 2 6 】改进了锚固节理岩体的拉拔试验，提供比传统拉拔试验更准确的 力学条件来模拟工程实际情况。研究发现，锚杆与节理相交处会产生应力集中， 同时由于锚杆的延展性，导致锚杆在节理处的截面相对变小，直至发生破坏。 武汉大学杨松林等【2 7 】对混凝土中锚杆荷载传递机理进行了理论分析和现场 试验，指出两者产生明显差别的原因及理论的适应范围，并通过对试验结果的讨 论，阐明了锚杆表面形态对混凝土与锚杆交界面抗剪强度的决定作用。 陈妙峰等【2 8 】研究了钢管锚杆在岩体加固中的锚固性能。发现在锚杆的抗拔 性能很大程度上受粘结材料强度和锚杆几何尺寸的影响。当拉拔力较小时，受力 主要由前端区域承担，并随着荷载的增加发生滑移，向锚杆罩端延伸。 山东大学博 ：学位论文 1 2 1 2 剪切试验 b j u r s t r 6 m t 2 9 】是第一个针对锚杆抗剪切性能作系统研究工作的人。他在花岗 岩块上插入全长粘结式锚杆来模拟剪切试验，发现锚杆倾斜安装可以使剪切面更 加强固，也提高了节理面在较小位移下的剪切强度。 h a a s 3 0 。3 1 】在用树脂灌浆锚杆锚固的石灰岩或片岩试块上进行实验室剪切试 验，发现全长粘结锚杆比端点锚固锚杆更强固；倾斜安装的锚杆比垂直的锚杆更 强固，更有助于锚固岩块的抗剪强度；膨胀的效果有助于锚固节理面的强固。 a z u a 2 用树脂灌浆锚杆锚固的混凝土块进行实验室剪切试验，发现垂直锚杆 对节理抗剪强度的最大贡献是锚杆极限拉伸荷载的6 0 8 0 ，对倾斜锚杆而言则 约为9 0 ；对于给定的剪切位移，膨胀会增加锚固节理的抗剪能力。 h i b i n o $ 1 m o t o j i m a 3 2 】将2 m m 直径的全长粘结锚杆锚固的混凝土块进行剪切 试验，并与端点锚固锚杆作比较，发现在给定的位移下，全长粘结锚杆的抗剪强 度大大高于端点锚固锚杆；锚杆的预张拉应力会减少剪切位移，但对抗剪强度影 响不大。 d i g h g 3 3 1 用诸如石膏、玄武岩和钢等材料来测定节理面的抗剪强度，发现锚 杆通过剪应力和拉应力的结合来承受荷载；锚杆倾斜安装比垂直安装更能加强节 理面的锚固力；膨胀性对节理面抗剪强度的影响类似于锚杆倾斜度的影响；锚杆 的变形量与围岩的可变形性有关。 e g g e r 等f 3 4 】在1 9 8 3 年将锚杆锚固的混凝土试块放在高压下进行剪切试验，发 现节理面与倾斜锚杆之间的最佳安装角度是3 0 6 0 。；锚杆垂直于剪切面时提供最 低抗剪强度；锚杆的倾斜角在4 0 5 0 。之间，剪切位移在破坏时是最小的。1 9 9 1 釜r - - e g g e r 3 5 】进一步提出，锚杆加固可以增加节理的抗剪强度，减小其变形；锚杆 在节理面附近有较大变形，距离节理面1 姗的地方，锚杆变形消失；破坏面通 常由过大剪力或者拉力引起。1 9 9 6 年e g g e r 又与p e l l e t 合作【3 6 】，提出锚固节理岩体 发生破坏时的最大位移会随着锚杆和节理面之间央角的减小而减小；同时发现， 围岩变形性能越小，发生破坏时，剪切位移越小。 l u d v i g t 3 7 1 在b j u r s t r 6 m 所采用的试验设备基础上作了改进，提出锚杆加固节理 岩体的抗剪强度从某种程度上会依赖于锚杆的材料属性以及锚杆是否是空心等 第一章绪论 情况。 s c h u b e r t 3 8 】在锚杆锚固的混凝土和石灰岩试块上进行剪切试验，提出围岩的 可变形能力对锚杆抗力的重要性。 葛修润等【3 9 】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以及锚杆阻止节理面发生相对错动的销钉作用机制，提出改 进了的估算加锚节理面抗剪强度公式。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理面抗剪强度有重大影响。 s p a n g 平l j e g g e r 4 0 】通过室内和现场剪切试验对节理岩体中锚杆的作用方式进 行研究。结果发现，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； 锚杆中的拉力和剪力会大大增加粗糙节理面的抗剪力；节理面的刚度随摩擦角的 增加而增加；剪切面能使锚杆弯曲，因而会产生很大的拉力；节理面的最大抗剪 能力随锚杆倾斜角( 当 4 5 0 时) 的增加而增加，增加锚杆倾斜角( 3 0 0 时) 时，又会 大大减小节理的剪切位移；抗剪强度最大值的8 0 是从非常小的剪切位移中得到 的；剪胀角对锚杆最大抗剪强度的影响与锚杆倾斜角的影响相当；全长水泥灌浆 锚杆具有“销钉效应”，它所能提供的抗剪强度约为锚杆最大拉荷载的7 0 8 0 ：全长水泥灌浆锚杆也具有“摩擦效应”，可增强锚杆锚固节理面的抗剪强度。 并最终给出了锚杆提供最大抗剪强度的经验公式。 r o b e r t s 【4 1 11 9 9 5 年做了相关剪切试验，在s p a n g 和e g g e r 试验结果的基础上指 出，注浆体和岩石对锚固节理岩体的抗剪强度有很大影响。将两个节理的锚固岩 体与单个节理的锚固岩体作比较后，得到前者结果并不单纯是后者结果的双倍的 结论。 叶金汉【4 2 】通过室内三轴压缩试验，对裂隙岩体的锚固特性进行研究，结果 表明：在相同岩性、相同锚杆数量以及相同质量的条件下，锚杆与裂隙面问的夹 角为3 0 。时，锚固效果最好；锚固岩体在三向应力状态下的特性表现为强度提高、 变形量减少、弹性模量增大、应力应变曲线由脆性转为弹塑性；岩体锚固效应的 机制是锚杆约束了岩体的变形，提高了其抗剪强度，使岩体的破坏从脆性状态转 变为弹塑性或黏弹性状态，提高了岩体的稳定性。 m c h u g h 和s i g n e r t 4 3 】受美国某煤矿事故中支护锚杆因剪力过大而发生破坏的 4 山东大学博i j 学位论义 启示，做了一系列试验来研究剪切荷载作用下锚杆的破坏形态，指出锚杆中的预 拉应力对节理的抗剪作用提高不大，大约只有1 0 的预应力转换到抗剪强度上； 岩块的硬度影响锚固节理岩体的抗剪强度。 k h a r c h a f i 等【4 4 j 进行了大尺度( 1 ：1 ) 试验，研究加锚节理面的抗剪性能。试验 采用3 个大块体( 尺寸为1 0 0 6 0 6 0 c m 3 ) 模拟节理岩体，每个节理面用一根锚杆加 固。试验结果表明：锚杆产生的抗力正比于锚杆截面；锚杆倾角的改变将影响最 大锚固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。 “【4 5 】通过拉拔试验指出，锚杆加固节理岩体的抗剪强度主要包括三部分：粘 聚力、机械咬合力以及摩擦力。当全长注浆锚杆受拉力作用时，破坏最终在锚杆 与注浆体之间或者注浆体与岩体之间的薄弱面上产生。 g r a s s e l l i 4 6 】等人在1 9 9 9 年建立了大比例( 1 ：1 ) 双节理实验模型，研究影响锚固 节理岩体抗剪强度的各种因素，给出每根锚杆所能提供的抗剪强度的计算公式， 指出锚杆的破坏通常发生在两个塑性铰中间。g r a s s e l l i 还进行了三维数值模拟计 算，并与试验结果作比较。鉴于1 9 9 5 年r o b e , s 提出的上述实验方法的局限性， g r a s s e l l i 等人的试验结果只能作为单个节理面锚固岩体的参考。 。 武汉水利电力大学朱焕春等【4 7 4 8 】( 1 9 9 9 ) 以三峡永久船闸高强度锚杆为载体 对其抗剪性能进行了现场试验，证实了在节理面附近设置不小于0 2 0 m 自由段可 能有效地实现剪应力向正应力的转化，提高锚杆的抗剪性能。同年，他们还进行 了反复张拉荷载作用下锚杆工作机理试验研究，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。得出张拉荷载较小时，锚杆、 砂浆和岩体可以协调工作，当张拉荷载增大到一定值时，剪切破坏发生，并向锚 杆深部延伸的结论。循环荷载作用会使砂浆破坏的深度增大，并最后趋于稳定值。 刘波等( 2 0 0 0 ) 对锚杆拉剪大变形应变进行了研究，采用基于s r 定理的大 变形理论，动用拖带坐标描述法，研究了锚杆在节理岩石中的拉剪局部大变形行 为，推求了锚杆大变形应变的计算公式，得出了锚杆拉剪应变分量的理论规律， 指出可以通过位移量测确定锚杆变形与内力，并最终通过多种岩石加锚剪切试验 结果证实了该理论方法的可靠性。 第一章绪论 1 2 1 3 洞室加锚试验 邹志辉、汪志林【5 0 】通过模型试验，研究锚杆在不同岩体中的工作机理及其 力学效应，得到了锚杆对岩体力学指标及c 和的影响规律拟合式。研究结果 表明：岩性越软，锚杆对围岩的影响越敏感，岩性越硬，锚杆的影响越小，当岩 体的弹模提高到某一值时，锚杆的作用就很微小了；在岩体屈服之前，锚杆与岩 体同步变形，此时锚杆的约束效应极小，在岩体进入屈服后，锚杆限制围岩的变 形，从而提高了带锚岩体的总体破坏强度，改善了围岩的整体力学性能；由于锚 杆的存在，岩体的塑性特征进一步加强；当岩体由硬到软时，岩体中的锚杆约束 效应逐渐增大。 钟新谷、徐虎【5 l 】( 1 9 9 5 ) 对支护巷道的全长锚固锚杆的横向作用作了现场测 试和研究，认为由于锚杆变形与围岩不一致，锚杆必然在垂直于锚杆轴向方向产 生阻力阻止围岩垂直于锚杆轴向方向的移动趋势。并指出在软岩支护设计中应充 分考虑锚杆横向阻抗作用。 侯朝炯等人【5 2 对巷道锚杆支护围岩强度机理进行了研究，通过实验室试验 和理论分析，研究了巷道锚杆支护对锚固范围岩体峰值强度和残余峰值强度的强 化作用以及反c 、痧等力学参数在锚固体峰值强度前后的变化，分析了锚固体 强度强化后对巷道围岩塑性区和破碎区的控制程度。 朱维申、任伟中等曾在1 9 9 7 年【5 3 】通过大比尺结构模型，依据两组正交节理 的不同倾角和间距、地应力及洞周有无锚杆等不同组合的1 6 种工况进行地下洞室 分步开挖模型试验。研究节理对洞室围岩变形破坏的影响及锚杆对节理围岩的锚 固效应。结果表明，岩体的变形大部分是由节理变形引起的，围岩塌落区完全由 开挖自由面与节理的不利组合所控制，围岩变形主要由洞室尺寸、节理倾角及间 距、地应力等决定。锚杆能大幅度减少围岩的变形破坏。他们又在2 0 0 1 年【5 4 】针 对三峡永久船闸高边坡岩体在开挖过程中的锚杆加固问题进行了室内相似材料 模型块试验，得出如下结论：节理岩体的抗压强度、弹性模量、扩容起始应力和 残余强度等力学参数，随着锚固密度的增大而增加，而泊松比则减小，两者近似 呈线性关系。 陈卫忠【5 5 】根据节理岩体的特性，按弹簧块体理论模拟节理岩体中大型地下 6 山东人学博 ：学位论文 洞室开挖与锚杆支护的变形特征同时，开展了丌挖条件下节理围岩变形特性和 锚固效应的模型试验研究，得到不同初始地应力场条件下，大型地下洞室分步开 挖和锚杆支护的围岩力学行为的变形规律，数值计算结果和实测结果所反映的节 理岩体围岩的运动规律基本一致。 武汉大学水电学院的荣冠等f 5 6 】进行了三峡永久船闸高强锚杆现场试验研 究，全面分析了锚杆、混凝土及砂浆应力特征，同时研究了锚杆和混凝土的变形， 揭示了锚杆与混凝土联合工作规律和砂浆在循环荷载下破坏情况。指出在试验研 究情况下，锚杆受力的影响范围在1 5 m 以内，砂浆的破坏深度在1 1 1 5 m 之间， 一般情况下3 个循环后破坏达到稳定。混凝土的受力特征为：水平向受压、垂直 向受拉；锚杆周边混凝土的径向受力范围在0 5 m 以内，轴向受力范围在0 6 m 左右。 1 2 2 理论研究 随着锚杆支护技术的广泛应用以及岩体的复杂性、应力环境的多变性，以往 的悬吊和组合梁拱理论己远远不能解释锚杆在岩体中的工作机制，也不能满足工 程设计的要求。为此，广大学者对锚杆支护理论不断进行研究，对锚杆作用机制 进行了深入广泛的分析，利用各种力学理论进行了解析求解。 全长锚固锚杆作用机理的理论解析概括起来，主要包括全长锚固锚杆在围岩 中的受力状态分析，以及锚杆支护条件下围岩应力和位移分析。 全长锚固锚杆在围岩中的受力状态研究大致可分为二个阶段。第一阶段认为 全长锚固锚杆杆体表面上所受的剪应力沿锚杆长度指向同一个方向。这已被大量 的实测和模拟实验结果所否定。第二阶段可以认为是从提出中性点理论开始的。 中性点理论的提出，标志着人们对全长锚固锚杆在围岩中的受力状态分析进入了 一个新的理论阶段。中性点理论提出以后，国内外许多学者在共同承认中性点存 在的基础上，提出了锚杆轴向应力、剪应力的计算公式。 早期学者把锚杆支护视作在围岩中产生的一个附加的平均应力场来分析；也 有的认为锚杆支护改变了围岩的力学性质，用提高后的围岩力学指标代人无支护 时的公式即得问题解。显然这两种计算方法均未能考虑全长锚固锚杆在围岩中的 受力特点。最近几年，焦作工学院在对全长锚固锚杆在围岩中的受力状态进行了 实测、光弹性模拟实验、理论分析之基础上，根据弹性理论和弹塑性理论，把锚 第一章绪论 杆的作用看作是在围岩中作用一个体积力来进行分析，并根据各向异性弹性理 论，把锚杆长度范围内的围岩和锚杆( 称作锚固区) 作为一个整体来考虑，锚杆的 作用看作是改变了锚固区内的弹性常数，在分析中把锚固区作为正交各向异性体 来处理，而锚固区外的围岩仍然看作各向同性体。运用这些理论分析不同围岩条 件下全长锚固锚杆支护巷道围岩中的应力和位移，给出了轴对称条件下相应的应 力和位移计算公式。 另外，国内外学者分别借助弹性理论、弹塑性理论等从不同角度对锚杆的加 固进行了研究。 g u n n a r w i j k 5 7 】应用弹性理论中的m i n d l i n 解分析了预应力锚杆的加固机理。 a ps s e l v a d u r a i t 5 8 】和中科院武汉岩土力学研究所的林世胜【5 9 】利用粘弹性力 学分析了锚杆及围岩的应力状态。 d i 出删提出了节理岩体进行锚固后提供的最大剪力的表达式，以及考虑注 浆体屈服情况下的节理位移计算公式。同时提出，锚杆的破坏是由剪力和轴力共 同作用的结果。 h s t i l l e 6 1 1 、b i n d e r a r a t n e 【6 2 】和株洲工学院的汤伯森删运用弹塑性理论对锚杆 支护问题作了研究。 s p a n g t 6 4 1 同样提出了计算锚杆最大加固力以及节理位移的经验公式。 h o l m b e r g 矛1 s t i l l e 6 5 】提出，当锚杆与节理面有一定角度时锚杆加固效果表达 式。 中科院武汉岩土力学研究所的张玉军【6 6 1 利用各向异性弹性力学理论计算了 圆形洞室锚固区的应力值。 p p o r e s t e 6 7 1 和山东矿业学院的徐恩虎【6 踟利用了复合材料力学理论。 众所周知，锚杆加固效果计算结果的可靠性往往依赖于力学模型的正确性。 而建立一种能够准确反映加锚节理面上锚杆力学行为的，即合理又简便的本构模 型，至今仍是没有得到很好解决的难题。为此，许多学者开始努力从断裂损伤力 学的角度分析锚杆对断续节理的加固作用，运用断裂损伤力学原理和能量损伤力 学推求出加锚节理裂隙岩体的本构关系，即节理岩体能量损伤力学模型。同时把 锚杆与其所加固的周围的裂隙岩体看作是一种损伤岩锚柱单元，然后将锚柱单元 的刚度叠加到相应裂隙岩体单元的刚度矩阵中去，以此反映锚杆对围岩变形的约 山东大学博j ：学位论文 束作用。 朱维申等人【6 9 7 0 1 以大型水电工程和矿山等大型隧道为背景，建立了加锚节 理岩体断裂损伤模型和锚固分析模型，并提出了计算锚固效应的等效公式。 李术才【k7 1 】应用断裂力学与损伤力学理论，对复杂应力状态下脆性断续节 理岩体的本构模型及其断裂损伤机制进行研究。根据应变能等效的方法和自洽 理论，建立加锚断续节理岩体在压剪、拉剪应力状态下的断裂损伤本构模型， 并建立裂纹在压剪和拉剪状态下的损伤演化方程。 张强勇【7 2 7 3 】根据岩石锚杆对节理裂隙岩体的加固机理，提出各向异性损伤 锚固模型，同时建立一种三维损伤岩锚柱单元模型来模拟锚杆的支护效果，并 将建立的力学模型应用于滑坡地质灾害治理工程项目中。 侯朝炯【7 4 】从分析煤层巷道围岩应力和位移的特点出发，研究了锚杆对保持 巷道围岩塑性区、破碎区的稳定作用，提出了锚杆支护围岩强度强化理论，并探 讨了煤巷及软岩巷道锚杆支护作用机理，为锚杆支护参数的稳定提供了依据。岂 伍佑伦【7 5 】在分析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产生的贡 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。计算分析结果表明，锚杆的作用使节理端部的应力强度因子发生转换， 从而明显降低了对岩体破坏产生主要作用的应力强度因子。这是锚杆能够加固； 节理岩体的重要原因。 王成【7 6 】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 固效果公式。 1 2 3 数值模拟研究 在理论研究方面，解析解由于数学处理上的困难，只对那些断面形状和受力 状念较简单的圆形地下工程有效，最终难以模拟围岩和工程的复杂特性。因此， 解析解得到的结论有一定的局限性。随着计算机的发展，促使人们借助数值方法 来研究这一问题。 9 第一章绪论 数值计算方法对锚固引起的主要力学响应与力学机理能够给予比较精确的 模拟与描述，主要包括：有限差分法、有限单元法、反分析法、微分流行法、离 散元法、边界元法、界面元法以及块体理论。各种方法分别提出了各自的锚杆模 开u 【7 7 8 0 】 = 土二。 朱浮声等【8 1 8 2 】根据对半无限空间中锚杆受轴向荷载问题的分析，提出了以 锚杆拉拔试验确定锚杆轴力及粘着力的理论方法，克服了人为假定粘着力分布的 传统方法的缺点，以此得到的粘着力作为附加应力场，构成了对端部锚固与全长 锚固锚杆支护数值模拟的边界元法公式。 长江科学院的邬爱清【8 3 1 在块体理论基础上，用m o n t e c a r l o 模拟岩体开挖面 上块体随机分布及锚固问题的方法。给出了一个计算一般形状块体体积的数值方 法。 f e 盯e r 0 【8 4 】和p e l l e t t 8 5 】提出了锚杆在轴力和剪力共同作用下对节理岩体的加固 作用的数值方法。 漆泰岳【8 6 】对f l a c 3 3 中锚杆单元模型进行了修正，使其具备了模拟锚杆损伤 软化的功能，并将其成功应用于实际工程中。 夏小和等【8 7 】根据穿层岩石锚杆作用特点，通过建立以层面粘结力c 、内摩擦 角等效表述的数值模拟，将位移不连续方法应用于深部硐室层状岩石顶板锚杆 支护效果的分析，探讨了不同锚固条件下硐室顶板的铅垂位移特征；通过d d m 计算结果与传统理论所得结果的比较及顶板围岩应力分布特征的分析，指出了利 用梁理论进行锚杆支护设计的不合理性，提出了合理的地下层状岩石锚杆支护参 数设计应在考虑锚杆与围岩的共同作用条件下计算。 李宁等提出了接触摩擦界面单元，用它分析模拟锚索、浆体与岩体界面 之间的相互作用和耦合效应，分析中首次考虑了预应力对岩体损伤张量的影响； 对单锚的力学机理和加锚效果进行了系统的数值仿真试验分析研究，得到了许多 有益结论。 冯光明等1 8 9 禾1 j 用f l a c 软件进行了初锚力作用下锚杆锚固效用的模拟研究， 针对锚杆端锚与全锚两种锚固方式进行了对比，对不同锚固力作用下锚固体内的 应力变化进行了模拟与分析。 张拥军等【9 0 】利用f l a c 3 d 模拟了巷道围岩支护前后的位移和应力变化，使用 1 0 山东人学博l ：学位论文 s u r f e r 对数值模拟结果进行二次处理，将锚杆支护后巷道围岩的应力与无支护时 的进行相减处理，获得了锚杆的作用区域：同时结合红外图像处理，得到了与数 值模拟一致的结果。 姜清辉等【9 l 】提出了三维数值流形方法中锚杆的计算模型，并给出了相应的 算法和公式，能较好的反映加锚岩体的变形行为以及锚杆的加固效果。 邬爱清等【9 2 】在原数值流形方法源程序基础上开发了锚固支护模块，利用该 方法对某层状结构地下硐室围岩开挖变形问题进行了研究。 章青、卓家寿在k a w a i l 作的基础上，基于创立的不连续介质变形体的界面 应力元法，建立了将加固锚杆视为穿过岩块单元界面的元件并参与岩石协同工作 的数值模型。该模型优点是离散块体单元网格的划分不受锚杆布置的限制，但由 于它是基于应力连续的条件推导出来的，对于岩体开裂后不仅位移不协调而且应 力也不协调的情况会存在很大误差。 曹文贵在石根华提出的数值流形方法的基础上，建立了岩体锚固的数值流形 方法模型。该模型将锚杆视为连接岩体块体单元的流形单元，参与岩体的协同变 形作用。由于所建立的分析模型是不协调位移模型，而且还考虑了块体接触能够 反映块体之间的应力不协调，因此，不但能够仿真各种锚杆的复杂几何布置形式， 而且能够较真实地反映不连续岩体的变形机理，更为全面地反映锚杆的加固效 应。 除此之外，有限元法是比较理想，而且发展也相对较为完善的一种方法，目 前已经成为研究锚杆加固机理并进行加固方案设计的重要手段。 现有有限元锚杆模拟模型主要包括离散模型和等效连续模型两类。离散模型 最先采用了杆单元进行模拟，它是基于端部锚杆的思想建立起来的。这种轴力杆 式的锚杆单元有几个缺点：一、只计及锚杆的轴力而未考虑锚杆本身的抗剪作用， 二、杆体各区段转角不能协调，三、无法很好反映锚杆与岩体的整体联合作用， 锚杆对岩体的刚度贡献很有限。因此，杆单元的应用在数值分析结果中反映出锚 杆加固围岩的效应并不显著，特别是在锚杆加固节理面的模拟中，该缺点更为突 出。为了改进杆单元的不足，后来又出现了梁单元和柱单元。与杆单元相比，梁、 柱单元可以同时考虑锚杆的抗剪、抗弯和抗拉作用。但当节理发育、锚杆数目较 多时，采用离散模型的计算工作量较大。因而对于在节理裂隙发育地段布置的较 第一章绪论 多、较密和长度较短的系统锚杆，采用离散模型逐一模拟每根锚杆是不太可能的。 有限元等效连续模型则是不直观地模拟每根具体锚固件，而是将施加锚杆后 得到改善的节理面和岩体新的力学性能反映到计算中去，即在力学上模拟锚固体 的作用。但加锚后，岩体力学参数选取却是该法的难点。不模拟每根具体的锚杆， 只是将锚杆加固后得到改善的岩体力学参数反映到数值计算中，因而其优点是显 而易见的。但加锚后岩体力学参数的选取却是这种方法的难点。同时，等效连续 模型计算给出的是一些等效值，不能充分反映岩体和锚杆的受力情况。为了改进 有限元等效连续模型和离散模型所存在的不足，人们采用改进的岩体本构模型来 考虑锚杆的加固作用已成为目前的研究热点。在加锚节理岩体的力学分析模型方 面，国内外的研究也十分活跃。 借助有限元计算来研究锚杆效应的学者和成果还包括： a y d a n 【9 3 】提出了一种修正的锚杆单元，该单元有四个结点，其中两个结点与 钢芯相连，另两个结点与灌浆相连，但未考虑钢芯与灌浆之间的剪切滑动作用。 郭映龙】在对不同倾角的节理岩体在不同锚杆数量和不同应力状态下的力 学性质分别进行了模拟试验的基础上，用有限单元法进行了计算分析。结果表明， 节理岩体加入锚杆后可使岩体的应力应变关系、应力分布状态发生明显的变化。 锚杆不仅能够提高岩体的峰值强度、弹性模量、凝聚力和内摩擦角，而且对峰后 变形特性也有一定的影响。如果加锚得当，还可使岩体的破坏状态从脆性转变为 塑性，提高岩体的稳定性和安全度。 雷晓燕【9 s 】在a y d a n 工作的基础上，提出了一种考虑锚杆与灌浆间剪切破坏作 用的三维锚杆单元。 陈卫忠掣9 6 】应用弹簧块体数值计算模型，数值模拟不同初始地应力场条件 下，锚杆支护参数对锚固效果的影响，得出一些有益的结论。 为了很好的模拟锚杆与岩土体在接触面上的相互作用，有的学者f 9 7 】采用“粘 结单元”处理接触面上的相互作用，提高了计算的精度。但将锚杆与接触面分开 考虑，无疑增加了锚杆单元网格以及问题求解的复杂性。 徐东强等【9 8 】使用a n s y s 数值模拟软件对两种不同性质围岩中的巷道进行了 分析计算，计算了锚杆在不同种类围岩、不同安装荷载下的作用效果，分析了锚 杆安装荷载的作用机理和规律。 山东人学博卜学位论文 宋宏伟【9 9 i 利用数值分析软件a n s y s 建立3 d 模型，分析了锚杆的横向作用机 理，用对比方法分析了加锚非连续岩体与锚杆的错动变形和受力规律，模拟了加 锚非连续岩体变形过程，获得了非连续岩体与锚杆的相互作用规律以及非连续岩 体和锚杆的变性规律。研究发现了剪切时锚杆起“导轨作用”的特殊现象，指出其 对非连续岩体的稳定性有负面影响。 李梅【1 0 0 1 在现有几种锚杆数值分析方法的基础上，对考虑了灌浆切向受力性 态的三维锚杆单元理论及其应用进行了研究，编制了三维锚杆有限元计算程序， 并对灌浆锚杆的变形应力规律进行了分析。 陈胜宏【1 0 1 1 0 2 1 首先提出了加锚岩体的复合单元的概念，包括加锚岩体复合单 元、不连续岩体复合单元以及加锚节理岩体复合单元，建立相应数值模型，然后 将其纳入到常规有限单元法分析中。同时，在复合单元中还定义了不同材料介质 的子单元用来模拟加锚节理岩体内复杂的细部构造。 李金奎掣1 0 3 】运用s c a d 有限元程序对含纵向裂隙砌体结构刚度进行分析善 研究了裂隙数目、长度及分布对墙体刚度