（采矿工程专业论文）巷道围岩变特征锚杆工作载荷演化的数值模拟研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 巷道围岩变形特征与锚杆工作载荷演化的 数值模拟研究 摘要 地下空间的广泛应用和迅速发展，使得地下结构围岩稳定 性的安全评估已成为岩土和地下工程界面临的重要课题。本文 在现有的锚杆支护理论和数值分析方法基础上，利用大型有限 元计算程序a n s y s ，对巷道围岩变形特征与锚杆工作载荷演化 规律进行了数值模拟研究，并对基于特征锚杆工作载荷无损检 测的巷道围岩的稳定性实时评估的可靠性和可行性进行了验 证。 本文所研究的是巷道在不同地应力作用下巷道围岩变形特 征及锚杆工作载荷与巷道围岩变形和稳定性的相互关系。以锚 杆与巷道围岩相互作用机理为理论依据，考虑到岩体材料的真 实本构关系和边界条件，利用有限元软件a n s y s 建立了数值 模型。通过模拟巷道在不同地应力条件下掘进、支护、失稳、 破坏的整个过程，分析巷道围岩在不同地应力作用下应力、应 变的变化规律以及锚杆工作载荷的变化信息，研究巷道围岩变 形特征与锚杆工作载荷的演化规律。 本文对相似模拟实验结果和数值计算结果进行对比分析， 获得了巷道及围岩在不同地应力作用下锚杆工作载荷与围岩 变形位移之间的对应关系。进一步验证了基于特征锚杆工作载 荷无损检测的巷道围岩的稳定性实时评估的可靠性和可行性。 在此基础上，通过对锚杆工作荷载的实时检测，结合围岩 及结构稳定性研究，可对围岩及支护结构的稳定性做出实时判 b 一。： 奎堕里三查堂堡主婴塞兰堂笪堕苎 断分析，为采场和巷道支护的设计优化，加固补强提供切实可 靠的依据。 关键词：锚杆，工作载荷，相似模拟，围岩稳定性，数值模拟 a n s y s i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 n u m e r i c a ls i m u l a l i o nr e s e a r c ho n t h ed e f o r n 豇钢 i o nc h a r a c t e r i s 陌i co f l a n e 硝l ya n dt h ee v o l u t i o nd i s c i p l i n e o fw o r n gl o a di nr o c kb o l t a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n ta n dw i d ea p p l i c a t i o no ft h e u n d e r g r o u n de x c a v a t i o n ，e v a l u a t i n gt h es e c u r i t yo ft h es t a b i l i t yo f t h eu n d e r g r o u n dr o a d w a yh a sb e c o m ea ni m p o r t a n ts u b j e c ti nt h e c i r c l eo fr o c ka n du n d e r g r o u n de n g i n e e r i n g b a s e do nt h ep r e s e n t t h e o r yo fr o c kb o l ts u p p o r t i n g ，t h i st h e s i se m p l o y st h em e t h o do f n u m e r i c a ls i m u l a t i o nt os t u d yt h ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f l a n e w a ya n dt h ee v o l u t i o nd i s c i p l i n eo fw o r k i n gl o a di nr o c kb o l t i ta l s ot e s t sa n dp r o v e st h er e l i a b i l i t ya n df e a s i b i l i t yo ft h em e t h o d o fv a l u i n gt h es t a b i l i t yo fl a n e w a yb a s e do nt h en o n d e s t r u c t i v e t e s t i n go fb o l tw o r k i n gl o a d t h i st h e s i sd i s c u s s e st h ev e r yr e l a t i o nb e t w e e nt h ew o r k i n g l o a do fb o l ta n dd e f o r m a t i o no fu n d e r g r o u n dr o a d w a yu n d e r d i f f e r e n tg r o u n ds t r e s s e s n u m e r i c a lm o d e li ss e tu pt h r o u g ht h e a p p l i c a t i o no ft h ec o m m e r c i a ls o f t w a r ea n s y s ，u n d e rt h et h e o r y o ft h e i n t e r a c t i v i t y m e c h a n i s mo fb o l ta n d u n d e r g r o u n d s u r r o u n d i n gr o c ka n di na c c o r d a n c ew i t hs u i t a b l es t r e s sa n ds t r a i n i l l 太原理工大学硕士研究生学位论文 r e l a t i o n s h i po fr o c km a t e r i a la n ds p e c i a lb o u n d a r yc o n d i t i o n s i n t h i st h e s i s ，t h ev a r i a t i o nd i s c i p l i n a r i a no ft h es t r e s sa n ds t r a i ni nt h e w a l lr o c ka n dv a r i a t i o ni n f o r m a t i o no fw o r k i n gl o a do fb o l tu n d e r d i f f e r e n tg r o u n ds t r e s si s a n a l y z e d ，t h r o u g he m u l a t i n gt h ew h o l e p r o c e s s o f e x c a v a t i n g ，s u p p o r t i n g ，l o s i n g i t sb a l a n c ea n d d e s t r u c t i n go ft h el a n e w a yu n d e rd i f f e r e n tg r o u n ds t r e s ss oa s t o r e s e a r c ht h ee v a l u a t i o n d i s c i p l i n a r i a n o ft h ed e f o r m a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so ft h ew a l lr o c k a n dt h ew o r k i n gl o a do fb o l t t h ec o r r e s p o n d e n c er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ew o r k i n gl o a do f b o l ta n dd e f o r m a t i o no fu n d e r g r o u n dr o a d w a yu n d e rd i f f e r e n t g r o u n ds t r e s si sa c q u i r e dt h r o u g ht h ec o m p a r i s o na n da n a l y s i so f t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so fs i m u l a t i o na n dt h ec a l c u l a t i n gr e s u l t so f n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i tf u r t h e rt e s t st h er e l i a b i l i t ya n df e a s i b i l i t y o ft h em e t h o do fv a l u i n gt h es t a b i l i t yo fl a n e w a yb a s e do nt h e n o n d e s t r u c t i v et e s t i n go fb o l tw o r k i n gl o a d b yr e a l t i m em o n i t o r i n gt h eb o l tw o r k i n gl o a da n dw i t ht h e s t u d yo fs t a b i l i t yo fw a l lr o c ka n ds t r u c t u r e ，w ec a ni n s t a n t l yj u d g e a n da n a l y z et h es t a b i l i t yo fw a l lr o c ka n di t s s u p p o r t i n gs t r u c t u r e s oa st o p r o v i d e r e l i a b l e h e l p f o r b e t t e r i n g r o a d l i n i n g a n d s t r e n g t h e n i n g k e y w o r d s ：b o l t ，w o r k i n gl o a d ，s i m u l a t i o n ，s t a b i l i t yo fw a l l r o c k ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，a n s y s i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 问题的提出 第一章概述 近年来，随着采掘业和地下： 程的发展，地下工程的稳定性日益引起 人们的重视和关注，地下结构围岩稳定性的研究也发展到一个新的阶段。 关于巷道围岩稳定性的研究，国内外已有大量的报道和不少成熟的技术， 诸如巷道表面收敛位移、深基点位移量测、围岩松动圈理论及其监测方法， 已在地下结构工程和煤矿巷道围岩稳定性控制方面得到广泛应用。但所有 这些关于地下结构围岩稳定性的研究主要以固体力学中的静力学为主要 手段，以围岩变形为主要研究对象，所采用的观察手段和仪器设备均以静 态和准静态测试为主，这就导致了所获取的反映围岩稳定性信息的相对滞 后性，从而也就决定了由此做出的围岩稳定性控制措施和手段具有时效和 一定的被动性。现代检测技术的发展，使我们能够直接实时地掌握围岩稳 定性控制的核心一矿山压力( 围岩应力) 的活动规律。从而有可能在围岩 及其支护结构失稳之前采取有效的加固措施，达到主动控制其稳定性的目 的。围岩应力( 矿山压力) 的动态、实时监控理论可为我们超前获取围岩 的活动信息，主动采取必要的控制措施提供有效可靠技术手段。同时，随 着数值模拟技术在地下工程中的广泛应用，利用计算机数值仿真模拟分析 巷道围岩应力变化规律也可作为巷道围岩稳定性研究的有效辅助手段。 目前，对地下结构围岩稳定性的研究已有大量的现有成果，锚杆的动 态无损检测技术电有一定研究基础。为此，在现有研究成果的基础上，我 们提出了利用特征锚杆工作载荷( 工况点) 的动态、实时检测来实现硐群 及巷道稳定性监测。并通过有限元数值仿真模拟对该方法的可行性进行了 验证。所谓特征锚杆，就是在地下结构的受力关键点处，垂直结构表面， 深入到围岩深部的端锚或全长锚固锚杆。它与结构一起承受围岩压力和变 形作用，其受力特点和变形特征能够反映支护结构及围岩的变形和破坏情 太原理工大学硕士研究生学位论文 况川。 考虑到地下工程开挖后锚杆支护与围岩的相互作用机理，在前人研究 成果的基础上，利用有限元通用软件a n s y s 建立了计算机数值模型。通过 模拟不同地应力作用下巷道的掘进，获取锚杆工作载荷的变化信息以及巷 道围岩应力、应变的变化规律，研究巷道围岩变形特征与锚杆工作载荷的 演化规律。进一步验证了基于特征锚杆工作载荷无损检测的巷道围岩的稳 定性实时评估的可靠性和可行性。 1 2 地下围岩稳定睦的研究现状 地下工程围岩稳定性问题一直是岩土工程的一个重要研究内容，而围 岩稳定性评价结果的正确与否直接关系到地下工程的安全使用和相关工 业生产过程的正常运营。由于岩体是一种天然形成的复杂的地质介质，而 非一种单一性质的工程材料。所以在岩体中修建或开掘地下工程要受到一 系列自然的特别是地质条件的影响，同时也和工程本身的性质及特点有 关。为了做到既经济又安全，修建和使用这些地下工程，就需要正确地掌 握和了解与地下工程围岩稳定有关的因素和概念，从而正确地把这些知识 运用到设计和施工中去。岩体是地质体的组成部分，是漫长地质发展史的 产物，工程岩体是指开挖有各类工程( 包括建筑、水利、矿山、交通等领 域的工程) 的岩体。工程岩体的稳定性研究，主要研究包括边坡、基础和 硐室等工程周边岩体的变形、破坏以及如何控制其变形发展等问题。因这 种工程所处的地质环境复杂，与其它结构工程相比，具有两个明显的特点： 首先岩体中存在各种结构面，使岩体形成特定的结构，不同结构的岩体不 仅具有不同的稳定特性，而且具有不同的应力传播及分布特性，另一个明 显的特点是岩体始终处于一定的地应力和渗流作用过程中，工程岩体的稳 定性主要受这些作用的影响和控制。 地下工程稳定性研究历史悠久、发展迅速。早在二十世纪以前，岩体 工程技术仅凭肉眼观察和直观感觉为依据，凭实践经验解决问题。随着工 程规模的扩大，j 干挖条件更加复杂，凭经验己不能很好地解决生产中不断 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 程规模的扩大，开挖条件更加复杂，凭经验己不能很好地解决生产中不断 出现的问题，迫切需要研究地下空间周围岩体的变形与破坏的过程，确定 这些过程在时间和空间上的变化规律。 随着科学技术的发展，二十世纪三十年代至五十年代期间，采用当时 已成熟的弹性理论、材料力学和结构力学理论解决岩体力学问题。将士力 学应用于岩石松散体理论，视岩体为松散的介质，如普罗多吉雅可诺夫的 自然平衡拱理论，是以结构力学中压力曲线理论为基础，认为巷道开挖后， 顶板将冒落成拱形，且只有冒落部分作用于支架。斯列萨列夫将极限跨度 理论应用于空场的地下工程跨度分析，其理论基础是材料力学中梁和板的 理论。随着研究范围的扩大和日益深入，五十年代逐渐形成了岩石力学这 一新的学科。五、六十年代，引入弹塑性理论，、将岩体视为弹塑性介质， 摒弃一些过于粗糙的简化假定，力学模型更加精确，扩大了解决实际问题 的范围。六十年代以来，有限元法和大型电子计算机的应用给岩石力学的 发展创造了有利的条件，对于复杂的非线性问题开始采用数值方法求解， 解决了理论解不易求出的难题。t u r n e r 等首先对大挠度问题进行研究， m e n d e l s o n 、g a l l a g h e r 、m a r e a l 和m a l l e h 等进行初应变法的研究。与此 同时，p o p e 、s w e d l o w 提出了切线模量法。m a r e a l 在推导出塑性应力一应 变增量关系的基础上，编制了计算机程序对实际工程问题进行分析计算。 在此期间，在对非线性静力问题研究的基础上，非线性动力问题也得到相 应的重视和发展，t u r n e r 、g i l b e r t 、c o s t a n t i n o 等进行了几何非线性问 题和物理非线性问题的研究。六、七十年代，在经典弹性和塑性理论的基 础上，流变学、粘弹塑性理论、断裂力学、非连续介质力学都引入到岩体 ： 程研究中，c u n d a l l ( 1 9 7 1 ) 提出离散单元法，将含结构面的岩体假定 是由若干刚体组合起来的，并以单个剐体运动方程为基础，而且建立能描 述整体破坏状态的联立方程式实践证明，该方法是研究巷道周围不连续 性岩体结构数值解的有效方法之一。特别是中国科学院提出的岩体结构理 论和岩体工程地质力学方法，开创了以岩体结构理论为基础和将工程调查 与力学分析相结合的研究方法。八十年代至今，岩石力学发展迅速。随着 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 岩石力学性质研究的不断深入和计算软、硬件水平的迅速提高，各种复杂 的数值计算方法和数值模拟技术广泛应用于工程岩体的稳定性研究。相近 学科相互渗透和融合，从广度和深度进一步推进了工程岩体的稳定性研究 的不断发展。归纳起来，主要研究进展如下： l2 1 解析法 在进行围岩稳定性分析时，经常采用复变函数法进行围岩应力与变形 计算，并能得出弹性解析解。解析方法多用于圆形隧道的求解。当硐室是 非圆形时，就需要通过保角变换将单位圆外域映射到硐室外域，而硐室的 映射函数是问题的求解关键。解析法具有精度高，分析速度快和易于进行 规律性研究等优点。但解析法分析围岩应力和变形目前多限于深埋地下工 程，对于受地表边界和地面荷载影响的浅埋隧道围岩分析在数学处理上存 在一定的困难。 1 2 2 数值分析方法 当前地下结构工程规模日益巨大，技术问题复杂，表现在地下工程埋深 大，掘进断面和空间大，地质条件复杂等，这就使得人们所关心的实际工 程问题只有少数的岩石力学计算问题可以得到解析解。在围岩稳定性分析 中，解析法只能适用于那些边界条件较为简单及介质特性不甚复杂的情 况。多数的工程课题在特定条件下只能用数值法求解。主要使用的方法为 有限元法、边界元法、离散单元法、拉格朗日单元法以及块体理论等。 一、有限元法。自2 0 世纪5 0 年代提出发展至今，己经相当成熟，是目 前最广泛使用的一种数值方法，可以用来求解弹性、弹塑性、牯弹塑性、 粘塑性等问韪，是地下工程岩体应力应变分析最常用的方法1 2 j 。它是通过 变分原理( 或加权余量法) 和分区差值的离散化处理把基本支配方程转化 为线性代数方程，把求解待解域内的连续函数转化为求解有限个离散点 ( 节点) 处的场函数值。其优点是部分地考虑了地下结构岩体的非均质和 不连续性，可以给出岩体的应力、变形大小和分布，并可近似地依据应力、 应变规律去分析地下结构的变形破坏机制。但有限元在本质上是一种连续 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 介质的数值分析方法，为了模拟岩体中存在的断层、节理、裂隙等结构面， 考虑其非连续性，可按结构面的特征采用不同的处理方法，有限元法的应 用是否真正有效，主要取决于2 个条件：一是对地质变化的准确了解，如岩 体深部岩性变化的界限、断层的延展情况、节理裂隙的实际分布规律等。 二是对介质物性的深入了解，即岩体的各个组成部分在复杂应力及其变化 的作用下的变形特性、强度特性及破坏规律等。 目前，许多大型有限元计算软件功能非常强大，其解决问题的范围覆 盖了从相对简单的线性分析到非常复杂的非线性问题，涉及到多个领域： 结构力学、结构动力学、热力学、流体力学、电路学、电磁学等。其中应 用最为广泛的是a n s y s 、a b a q u s 、a d i n a 等大型通用软件，以及国内的同 济启明星系列软件、理正系列软件。这些软件的应用大大提高了地下结构 稳定性研究的效率。文献。结合白山水电站三期扩建工程实际将a n s y s 应 用于地下厂房岩锚吊车梁结构数值分析中，全面考虑混凝土、围岩和锚杆 三者的变形对岩锚悬臂吊车梁受力状况的影响，利用三维非线性有限元技 术仿真模拟岩锚吊车梁在运行期的荷载作用，分析岩锚吊车梁的工作特性 和稳定性，克服了刚体力系平衡法的不足，考虑了梁壁接触面上混凝土与 岩体的粘结性能及混凝土、围岩和锚杆三者的变形对岩锚吊车粱受力状况 的影响。 二、边界单元法。在上述的有限单元法中，问题域被离散为单元，并 对连续介质的位移场和应力场的连续性提供物理近似，对于单元的节点可 精确地建立和求解控制方程。因此，有限单元法是对问题的微分近似表达 式给出了精确解，它实质上属于微分法。与微分法相对应的是积分法，积 分法所涉及的边界可包围整个问题域，而数值分析的离散化仅在边界上近 似，即在内部问题的外边界或外部问题的内边界上划分单元作近似处理， 图1 表示了在外部问题模拟时微分法与积分法之间的区别。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 ih a 微分法( 有限元法)b 积分法( 边界元法) a f i n i t ee l e m e n tm e t h o d b b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d 图l 连续介质中外部问题的模拟 f i g1s i m u l a t i o no fe x t e r i o rm a t t e ri nc o n t i n u u m 积分法统称为边界单元法，有直接法和间接法两类，它们都是利用了 简单奇异问题的解析解，并可近似满足每个边界单元的应力和位移边界条 件。由于该法仪仅限定和离散问题的边界，可把平面问题的重点转移到边 界上来，可有效地使已知问题的维数降低一维，由此减小方程组的规模，使 计算效率大大提高1 3 j 。尤其是在涉及三维静力学问题时特别有用。由于边 界单元法可以正确地模拟远处的边界条件，并可保证在整个材料体内应力 场和位移场变化的连续性。因此，边界单元法最适用于均质材料和线性性 态情况。 、 三、离散元法。尽管有限单元法或边界单元法将问题域的内部或边界 进行了离散化，但在计算过程中，仍要求保持整体完整性，单元之问决不 允许拉开，应力仍保持连续。离散单元法则完全强调岩体的非连续性。问 题域由众多的岩体单元所组成，但这些单元之间并不要求完全紧密接触， 单元之间既可以是面接触，也允许是面与点的接触，每个岩体单元不仅要 输入它的材料弹性参数等，还要确定形成岩块四周结构面的切向刚度、法 向刚度以及c 。，由，值。也允许块体之间滑移或受到拉力以后脱开，甚至脱 离母体而自由下坠。图2 是一个离散单元法的一个算例。它是研究地下煤 层开挖引起的冒落和岩层移动，研究冒落带深度与节理间距的关系。 6 太原理工火学硕士研究生学位论文 图2 岩层移动和冒落形态 f 返2t h ef o r mo fs r a t ad i s p l a c e m e n ta n dc a v e - i n 离散单元法认为，岩体中的各离散单元，在初始应力作用下各块体保 持平衡。岩体被表面或内部开挖以后，一部分岩体就存在不平衡力，离散 单元法对计算域内的每个块体所受的四周作用力及自重进行不平衡力计 算，并采用牛顿运动定律确定该岩块内不平衡力引起的速度和位移。反复 逐个块体进行类似的计算，最终确定岩体在已知荷载作用下是否将破坏或 计算出最终稳定体系的累积位移，所采用的解算方法称为松弛法，常用为 动态松弛法，是一种反复迭代的计算方法。为了要达到快速收敛和避免产 生振荡，还要对运动方程式加上一定的阻尼系数。离散单元法的一个突出 功能是它在反映岩块之间接触面的滑移、分离与倾翻等大位移的同时，又 能计算岩块内部的变形与应力分布。并且，它利用显式时间差分法( 动态松 弛法) 求解动力平衡方程，求解非线性大位移与动力稳定问题较为容易。该 法主要用于分析节理岩体及其与锚杆( 索) 的相互作用。存在的主要问题是 阻尼系数的选取和迭代计算的收敛性。文献1 4 】根据岩石工程实际以及离散 元法和边界元法的特点，引入并列模块式结构，提出了一种离散单元法和 边界单元法进行外部耦合的算法。该算法物理模型合理，计算方法简便，方 便利用现成的计算程序。文中以地下洞室开挖为例，说明该方法的实施过 程和一一系列特点。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 四、块体理论。工程岩体除极完整和极破碎外，一般情况下将被结构 面以及工程开挖面共同切割出随机分布的个别块体和群体。这些块体随它 们的空间几何形状和开挖面形成它们的可运动状态，有些是可能不稳定的 危险块体，另一些则是稳定块体。块体理论认为，在开挖面上所揭露的块 体，可以分为可能产生向开挖面运动的块体和不可能向开挖面运动的块 体，显然，不可能向开挖面运动的块体即为稳定块体。且具备了可运动条 件的块体中有的仍可保持稳定，有的块体则在自重及周围块体作用力的组 合作用下失稳破坏，则此块体为危险块体。另外，在这些在开挖面所揭露 的块体中，有的块体会首先失稳坠落，而有的块体要周围其他块体坠落以 后才具备失稳条件。所以，在不稳定块体中，有这样一危险块体，由于它 的失稳会引起一系列块体失稳，如果及时采取加固措施( 例如锚固) ，稳定 了某一一块体，就使周围一大片岩块都稳定，这一块体就成为岩体稳定的关 键就把它称为“关键块体”。块体理论就是针对个性各异的岩体中具有切 割体( 结构面) 这一共性，根据集合论拓朴学原理，运用矢量分析和全空间 赤平投影图形方法，构造出可能有的一切块体类型，进而将这些块体和开 挖面的关系分成可移动块体和不可移动块体，对几何可移动块体再按力学 条件分为稳定块体，潜在关键块体和关键块体。关键块体是最危险的块体， 确定了关键块体以后还可以进一步进行相应的锚固计算【5 】。 块体理论是一种三维空间的块体稳定计算，对于一个开挖工程，如果 确切找到了所有关键块体，就可以在开挖过程中，在关键块体失稳以前及 时进行加固，其余的开挖面就可以不采取加固措施，或仅采取一般维持稳 定的措施，就能确保整个工程的安全，具有明显的特点和经济性。目前， 块体理论应用还不广泛，其主要原因是对岩体中的结构面形态分布把握得 不十分准确，而变动性又大，结构面也并不是全部为平面，稍不准确，就会 引起严重后果。中国矿业大学的钱明高教授在详细分析了这些影响关键块 体结构稳定性因素及范围基础上，建立起了采场围岩结构s r 稳定理论。 用此理论可就开采时上覆岩层对工作面的影响、压力变化及需控岩层范围 等问题进行定量分析。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 另外由石根华与g o o d m a n 提出的块体系统不连续变形分析( d d a ) 是基 于岩体介质非连续性发展起来的一种新的数值分析方法。d d a 模型建立了 一套完整的块体系统运动学理论，较好地模拟具有非连续面的岩体的运动 与变形特性但是d d a 模型将岩体完全离散化，这与实际岩体的情况不十分 相符。将d d a 模型与连续介质力学数值模型结合起来，如将d d a 模型与有 限元数值方法结合，应该是d d a 模型工程应用研究的发展方向。 以上是几种常见的应用于地下结构稳定性的数值计算方法。在计算方 法上，还有半解析法、加权残余法以及松弛法中的静松弛法等。还有要提 请注意的是上述各种数值计算方法的耦合应用( 又称混合法) ，例如边有限 元与边界元的耦合，离散元与边界元的耦合，图3 就是边界元、离散元耦合 的例子。通过耦合，各自发挥不同数值方法的特点，提高计算精度和计算速 度。 图3 边界元、离散元与结构元的耦合 f i g3c o u p l i n go fb o u n d a r ye i e m e n t ，d i s c r e t ee l e m e n ta n ds t m c c u r ee l e m e n t 1 。2 3 勘测及稳定性监测技求 工程岩体性状勘测、监测是确保工程安全、进行失稳预测和了解岩体 失稳机理最重要的手段之一，随着光学、电子学、计算机科学等领域的发 展，测试水平有很大提高。如遥感技术应用于地震地质、岩溶、物理地质 现象调查，遥感图像与计算机联合应用；浅层反射波地震勘探；地震波c t 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 技术、地质雷达岩溶探测及隐伏地质构造探测：大地定位系统( g p s ) 、地 理信息系统( g i s ) 和遥感( r s ) 已成为地面沉降、滑坡监测、地层变形 等方面研究的重要量测手段之一。监测数据处理技术和监测设计优化等新 方法确保监、钡4 和预测的可靠性和精确性。根据监测数据( 位移、应力等) 来分析弹塑性岩体力学参数及地应力等信息，可以减少一些费工、费时的 力学测试。如地下厂房时间和空间双系列反馈分析，获得了较准确的资料。 1 2 4 不确定性方法 影响地下硐室围岩稳定性因素主要为地层岩性及产状、构造结构面组 合形态、地应力状态以及地下水的赋存情况等，这些因素具有很大的不确 定性，表现为随机性和模糊性，因此对地下结构岩体分析可采用模糊数学 和可靠度方法进行研究。可靠性理论自应用于岩土工程以来，在许多领域 获得了较大的发展，并被引入地下硐室稳定分析中。地下工程及稳定性的 界限是不清楚的，具有相当的模糊性，故可应用模糊数学理论进行研究。该 理论现主要应用于地下工程围岩的稳定性分类中，而且日益受到重视。 1 2 5 围岩体破坏分析的新方法 近年来，在围岩稳定分析方面出现的新理论和新方法主要有： ( 1 ) 非线性稳定性理论，与非线性复杂现象有关的非线性科学( 包括耗 散结构理论d i s s i p a t v es t r u c t u r et h e o r y ) 、协同论( s y n e r g e t i c s t h e o r y ) 、突变论c a t a s t r o p h et h e o r y ) 已不同程度地渗入到岩石力学领 域，用来揭示围岩体破坏的演化过程 ( 2 ) 评价和预测新方法，如模糊聚类分析、人工神经网络及灰色模型等 针对岩体工程的不确定性，其安全性受到诸多因素的影响，利用己有的资 料、数据和经验评价岩体工程的安全度。 ( 3 ) 分形理论，利用该理论可以预测围岩体的失稳破坏。 由于地下工程的复杂性，围岩稳定性评价不能依赖于单一方法。因此， 依托于计算机技术，进行多种方法综合评价分析，是未来发展的一一种趋势。 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 同时由于地下工程常依赖于经验，因此利用地下工程的失稳和稳定实例来 建立系统，考虑多种因素影响，使多学科交叉融合，也将是未来的发展方向 之一。 1 3 本文研究的主要内容 本文所研究的是巷道在不同地应力作用下锚杆的工作载荷与巷道围 岩变形和稳定性的相互关系。以锚杆与巷道围岩相互作用机理为理论依 据，利用有限元软件a n s y s 建立计算机数值模型，模拟巷道在不同地应力 条件下掘进、支护、变形、失稳的整个过程。研究巷道及围岩在不同地应 力作用下锚杆工作载荷与围岩变形位移之间的对应关系，通过对锚杆工作 荷载的实时监控，结合围岩及结构稳定性研究，对围岩及支护结构的稳定 性做实时判断分析，为采场和巷道支护的设计优化，加固补强提供切实可 靠的依据。 本文的主要研究内容如下： 1 1 参与完成了基于特征锚杆工作荷载无损检测的巷道围岩稳定性评 估的室内模拟试验，监测了全部室内实验阶段巷道围岩表面位移，特征锚 杆动态响应以及围岩应力。 2 ) n 用a n s y s 软件建立了数值模型，模拟了巷道开挖、变形、失稳、 破坏整个过程，提取出对应的量值( 巷道围岩垂直、水平应力、位移、锚杆 锚固段轴向应力、应变和巷道两帮、顶底板的垂直与水平位移) 作对比分析， 研究其分布和变化规律。 3 ) 利用有限元数值仿真模拟对室内相似模拟实验进行补充、完善， 利用有限元软件a n s y s 强大的后处理器对结果数据进行分析并与实验结果 对比校验，进一步研究地下结构( 硐群和巷道) 在不同地应力作用下，围 岩应力和变形的分布规律以及地下结构变形、失稳、破坏各过渡阶段临界 状态与锚杆工作载荷之间对应关系，初步建立地下结构围岩稳定性动态、 实时监控的判别准则。 1 】 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章巷道围岩与锚杆相互作用机理 2 1 锚固力的作用机理 锚杆对围岩的锚固作用体现为径向、切向锚固力的作用，围岩变形特 别是锚杆两锚固端产生位移差使锚杆受力，所以锚固力特别是工作锚固力 ( 工作载荷) 的变化能直接反映围岩的变形破坏过程。锚固力作用机理是 锚杆和围岩相互作用的本质体现。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。从锚杆安设到失效，在锚杆 起作用的整个过程中，根据锚固力的发展，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：安设锚杆时，人为地对锚杆进行张拉 而使锚杆具有的作用于围岩的力称为初锚力。初锚力类似液压支柱的初撑 力。工作锚固力( 工作载荷) ：锚杆安设以后，围岩变形，锚固剂开始发 挥其粘结作用。这时锚杆对围岩的作用力称为工作锚固力。工作锚固力类 似液压支柱的上工作阻力。残余锚固力：当围岩的表面和深部的相对变 形量超过锚固剂的极限变形量以后，锚固剂破坏，工作锚固力丧失。但由 于破坏的粘结剂仍具有残余粘结强度此外，钻孔围岩一破坏的粘结剂一 锚杆杆体之间存在摩接力，因此这时锚杆对围岩仍具有约束力，称为残余 锚固力。对锚固力的分析可从径向和切向两个方面进行。 2 1 1 径向锚固力的作用机理 对于径向锚固力，如图2 1 所示，图中a 为完全失去粘结力的岩体， 仅以岩块之间的挤压形成拱的作用，维持原来的形状而没有冒落；d 为保 持原来的强度和弹性模量的岩体；b 为岩石强度已显著降低，处于围岩峰后 特性区域的岩体；c 为介于b 与d 之间的岩体，其状态可能发展为b ，也 可能保持为d 。在岩层内开掘巷道以后，围岩会出现如图2 1 的强度分布。 强度分布将随时间而变化，如图2 2 所示。如能及时支护，不仅能保持d 的状态，防止巷道表面岩石剥落，还可做到b 那样良好的状态，防止内部 太原理工大学硕士研究生学位论文 围岩强度的恶化。所以要发挥锚杆的作用，必须掌握围岩强度恶 图2 - 1 巷道固岩破裂状况图2 2 巷道强度变化过程 f i 9 2 - - 1b r e a c ho fs u r r o u n d i n gr o c kf i 9 2 2c h a n g i n go fl a n e w a yi n t e n s i o n 化的发展，及正确选择阻止强度恶化发展的支护方式和支护阻力。实践表 明，只要及时安装锚杆，即使锚固力不大，也能大幅度降低围岩强度的恶 化。 如图2 3 所示在软岩或煤层巷道中，围岩深处大都会发生显著位移， 通常锚杆锚固范围内( o 一2 m 1 的围岩都会发生松动，处于低围压状态。在 低围压下岩石普遍呈现脆性应变软化现象，即随着塑性应变的增加，岩石 强度逐渐减小，最终达到某一强度，即残余强度。 眚 苣 碘 飘 却 融 捌 驰 一舛 ? 一 蝤 ，1 矿 ，一少 ，谚， ，r 勇捌哆毛 ， 饕 f 尸 ，“1 一 f 蟊衅- 道阿 普运蛔出时同( d ) n 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 g e 一 一 婪 捌 抑 匿 噼 神 l n 一 蠡 一1 ) - ， 广 ! 胡 _ r _ 护水 口， 口d 一 f 硝 ，、_ 一$ ，歹 一 j _ _ 堙谨y j ，7 一叛硅孵 名辩；哥一 善道橱出时间( d 6 图巷道围岩体内部位移 a 一侧帮；顶部；1 、 、 ，4 一距巷道表面分别为0 m 、 、深的变 形曲线 如图2 4 所示，当围压为零时，残余强度接近于零。当围压为 时，残余强度约为。随着围压的增高，岩石的应变软化程度逐步降 低，残余强度逐步增大。尤其是当围压在零到范围内变化时，残余 强度表现出对围压很强的敏感性即围压稍微增大，残余强度增长很快。 低围压下，残余强度所以对围压具有强敏感性，是由于岩石的破裂面比较 粗糙，破裂后岩石继续承载时，岩石变形主要表现为沿破裂面滑动和将破 裂面的凸起啃断两种形式，当围压为零时，岩石变形完全表现为沿破裂面 的滑动，当围压由零逐渐增长时，岩石变形形式由沿破裂面滑动逐渐转变 为将破裂面的凸起啃断，岩石的残余强度迅速增高。围岩峰后的这种特性 对于研究巷道支护具有重要意义【6 】。 太原理工大学硕士研究生学位论文 对于具有护表构件( 如钢筋网、钢带等) 的锚杆支护，径向锚固力可以 均布到锚固区域的单位面积岩体，若锚杆锚固力p 为1 0 0 k n ，则锚固岩体 中单位面积岩体的围压增量a c t ，为： 仃，：兰 e t 式中 e 、t 一苗杆布置问排距，取e = t = 0 7 m 。 则a o ，一0 2 m p a ，在低围压的情况下，0 2 m p 的围压增量约可使围岩的 残余强度提高1 4 m p a 。 = 莹 x ? i 3 0 2 0 1 0 0 ( 生) 图2 - 4 残余强度与围压的关系 f i 9 2 - 4r e l a t i o no fs u r v i v a li n t e n s i o na n ds t r e s so fs u r r o u n d i n gr o c k 21 2 径向锚固力的增阻特点 如图2 5 所示，围岩顶板中有一节理面，为了阻止顶板的离层安设长 为2 o m 、直径为2 0 r a m 的锚杆。当顶板在该节理面发生离层时时锚杆受到 张拉，同时对围岩产生作用力，以防止离层的发展。如果安装端锚锚杆f 图 2 5 a ) ，则离层时杆体均匀受拉伸。若采用沿全长锚固的树脂锚杆f 图2 5 b ) 。则顶板离层时杆体的变形主要集中在节理面附近处。该处由于离层时 杆体的拉伸，有一部分树脂粘结剂被破坏。假定树脂粘结剂被破坏的长度 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 a 为2 5 m m 。杆体上产生对围岩的作用力可由图2 - 巧c 表示，国2 5 c 表明 全锚锚杆增阻速度显著高于端锚锚杆，当离层位移6 为1 r a m 时，端锚锚 杆提供防e 围岩离层的支护抗力为3 3 k n ，全锚锚杆提供的支护抗力为 2 6 4 k n ，为端锚锚杆的8 倍。同端锚锚杆相比全锚锚杆增阻快、阻力高 用。 占 1 6 n 太原理工大学硕士研究生学位论文 7 j 电 辫 瘿 一 r 磊1i 轩 ， ， 。 r n 7 砦融r - o 、no o - - c 卜o -刊o f 离甚位移量( t n n l ) f 图2 - 5 锚杆增阻特点、 f i 9 2 5i n c r e a s er e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i co fb o l t s a 一端锚锚杆；b 一为全锚锚杆；c 一为描杆增阻特点 2 1 3 切向锚固力的作用机理 对于切向锚固力，主要是对围岩弱面的抗剪能力的改善作用，当然切 向锚固力对围岩的各项力学参数都有不同程度的改善作用。切向锚固力对 岩体性质的加固作用还受到岩体结构特性的影响，结构面发育，切向锚固 力对岩体性质加固作用就显著，反之，则不明显。 锚固机理的研究随着锚杆支护实践的发展而不断深入，目前己能较完 满地解释锚杆对围岩的支护稳定功能，如，锚固在层状顶板中的锚杆具有 将“叠合梁”转化为“组合梁”的功能，软弱围岩中锚杆的“压缩拱”功 能等，但尚存在诸如锚固力对围岩成“粱”、成“拱”的作用，“粱”与“拱” 自身的承载能力等难题。锚杆的锚固作用体现为径向、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沏向 锚同力主要起着加固作用1 8 1 。 】7 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 。2 锚杆与囤岩的相互作用关系 支架与围岩关系，即围岩压力( 支护阻力) 与围岩变形( 支架变形) 的相互作用关系，是巷道围岩控制的主要内容，它是支架和锚杆选型和设 计的重要根据。锚杆与围岩的相互作用关系与框式支架不同，径向锚固力 发挥锚杆的支护作用，切向锚固力发挥锚杆的加固作用。 图2 6 为锚杆和围岩作用曲线，曲线1 为无支护巷道的围岩压力与位 移关系曲线：曲线2 为由于切向锚固力的作用，使围岩得到加固后的围岩 压力与位移关系曲线：曲线3 为锚杆径向锚固力与围岩位移关系曲线：曲 线4 为径向锚固力丧失后，仅切向锚固力作用时的围岩压力与位移关系曲 线；u 1 为锚杆安设之前的围岩变形量；b 为锚固围岩的平衡点；s 为围岩 松动坍塌点；p r 为围岩压力：p 为支护阻力，即锚杆的径向锚固力；u 为 围岩变形量；p 。为原岩内力。锚杆的支护和加固作用分别由曲线2 、3 表 达。2 是切向锚固力的作用曲线，切向锚固力对围岩性质的加固作用只有 在围岩受载变形时才出现。3 是径向锚固力的作用曲线，它随着围岩变形 而逐渐增大，最终与曲线2 相交于b 点，这时锚固围岩便达到平衡。若径 向锚固力未到b 点就丧失，那么曲线2 就转变为曲线出可能在s 点围岩 失稳，或在c 点稳定。曲线l 与曲线2 在a 点分离，在a 点前未安设锚杆， a 点后锚杆的切向锚固力随围岩变形而逐渐发挥作用。 ，。一一 二：、 l 一，一二：羔：二二二：= 一当； 图2 - 6锚杆和围岩相互作用曲线 f i 9 2 - 6r e c i p r o c i t yc u r v eo fb o l t sa n ds u r r o u n d i n gr o c k 1 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 对于端锚和全锚，虽然同属锚杆支护，但在支护过程中和围岩的作用 有一定差别。我国常用锚杆的直径为中1 4 1 8 m m ，而锚杆钻孔为中3 2 4 2 m m ，端锚锚杆的杆体与钻孔壁之间的空隙使锚杆切向锚固力无法或 不能及时发挥。 丸 图2 7 端锚、全锚锚杆围岩关系曲线 f i 9 2 7r