（岩土工程专业论文）锚杆加固对裂隙岩体力学性能影响的室内试验和数值分析研究.pdf

山东大学硕士论文 摘要 锚杆支护技术是一种非常有效和经济的岩土结构加固方法，广泛地运用于几 乎所有的土木工程建设中。随着社会经济的发展，更多的岩土结构工程将会被修 建，作为工程建设中重要支护措施之一的锚杆加固技术将有着长远的发展前景。 在岩体工程中，由于岩体中含有大量的天然裂隙，锚杆加固技术对岩体工程的支 护效果尤为明显。尽管如此，锚杆的加固机理至今尚未被研究清楚，为了更加有 效地使用锚杆以保障岩体工程的施工安全性和长期稳定性，有必要就锚杆对裂隙 岩体的加固效应进行进一步的研究。 本研究主要从室内试验和数值模拟两方面来研究锚杼加固对裂隙岩体的力 学性能的影响，通过综合分析研究结果得出一些有益于实际锚杆设计、施工的结 论。 在室内试验阶段，主要对三类试件进行研究，分别是完好试件、裂隙试件、， 加锚裂隙试件。它们的关系是：裂隙试件是在完好试件内部预置一个张开型裂隙， 而加锚裂隙是在裂隙试件的内部设有锚杆，加锚裂隙试件中锚杆的锚固角有3 0 。、4 5 。、7 0 。、8 5 。四种，锚杆的个数分别有单根、双根、三根三种，不同锚 固角和锚杆个数的组合形成了各种不同的加锚裂隙试件。室内试验研究的主要工 作包括以下几个内容： 首先，为研制出一种与实际岩体物理力学参数满足一定相似比关系的砂浆材 料，设计了五组砂浆材料的配合比，并对各种配合比的砂浆完好试件进行单向压 缩和劈裂试验研究，最终确定出满足相似比要求的砂浆配合比，依此相似比关系 选择出一种合金铝棒作为室内试验的相似锚杆。 其次，对裂隙试件、加锚裂隙试件进行单向压缩和劈裂试验研究，结合第一 阶段的试验结果，分别研究单向压缩和劈裂条件下预置裂隙对砂浆材料的弱化效 应以及锚杆对裂隙试件的加固效应，并获得加锚裂隙试件的单轴抗压强度及在劈 裂条件下峰值荷载随锚固角度及锚杆个数增加而变化的规律。 最后，对完好试件、裂隙试件、加锚裂隙试件进行双向压缩试验研究。研究 了在不同侧压条件下预置裂隙对砂浆材料的弱化效应以及锚杆对裂隙试件的加 固效应，并获得在双向压缩条件下加锚裂隙试件的抗压强度随锚固角度及锚杆个 数增加而变化的规律以及各种试件的双向抗压强度随侧压增加而变化的规律。 通过包括单向压缩、劈裂和双向压缩的综合室内试验研究，获得了锚杆个数 及锚固角度对裂隙试件力学强度的影响规律；此外，通过比较各种试验条件下试 件的破坏形态j 研究不同试验条件下锚杆的失效模式以及锚杆对试件破坏发展过 山东大学硕+ 论文 程的影响。 在数值模拟阶段，使用f l a c 3 d 软件对完好试件、裂隙试件、加锚裂隙试 件的单向压缩试验进行数值模拟，获得的各种试件的数值应力应变曲线、砂浆 材料的最大、最小主应力云图、加锚试件中锚杆的受力状态。在对加锚裂隙试件 进行数值模拟时，采用f l a c 3 d 自带的桩结构单元来建立锚杆单元，分别采用 实体单元模拟法与实体等效法来模拟锚杆对裂隙试件的加固效果，数值模拟结 果表明，实体等效法模拟锚杆加固效果的计算结果与室内试验结果较为接近； 以单锚裂隙试件的单轴压缩数值试验为例，得出了锚固角对裂隙试件力学性能的 影响规律。 结合室内试验与数值分析的研究结果，得出了锚杆个数及锚固角度对裂隙试 件加固效应的影响规律，由于本研究中砂浆材料与锚杆材料的物理力学参数与实 际岩体及锚杆严格满足相似比关系，故所得研究结果对实际工程活动具有较大的 指导意义。 关键词：锚杆；裂隙试件；加锚裂隙试件；室内试验；数值模拟 i i 山东大学硕士论文 a b s t r a c t r o c kb o l t i n gr e p r e s e n t so n eo ft h em o s te f f e c t i v ea n de c o n o m i c a lg e o s t r u c t u r a l r e i n f o r c i n gt e c h n o l o g i e sw i d e l yu s e di np r a c t i c a lc i v i le n g i n e e r i n g s i th a sg r e a t p r o s p e c t sa sm o r ec i v i lc o n s t r u c t i o n sa r et ob eb u i l td u r i n gt h es o c i o - e c o n o m i c d e v e l o p m e n t i nt h ef i e l do f r o c km a s se n g i n e e r i n g ，t h er e i n f o r c i n ge f f e c to ft h er o c k b o l t ( s ) o nr o c km a s si sm u c hm o r eo b v i o u sd u et ot h el a r g en u m b e ro fn a t u r a l f r a c t u r e si nr o c km a s s e s h o w e v e r , t h em e c h a n i s mo fa n c h o r a g ei ss t i l ln o tb e i n g s t u d i e dc l e a r l yn o w t h ee f f e c t i v eu s eo ft h er o c kb o l t ( s ) f o rc o n s t r u c t i n gs a f e t ya n d l o n g - t e r ms t a b i l i t yo f t h er o c km a s se n g i n e e r i n gr e q u i r e sf u r t h e rt h er e s e a r c hi n t or o c k b o i t s a n c h o r a g ee f f e c tu p o nr o c km a s s t h er e s e a r c h p r o g r a ms t u d i e st h er o c kb o l t s a n c h o r a g ee f f e c t so nf r a c t u r e d s p e c i m e n s m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sf r o mt h et w op e r s p e c t i v e s ：l a b o r a t o r ye x p e r i m e n t a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n w i t hac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h er e s e a r c h r e s u l t s ， s o m eu s e f u ld i r e c t i o n sa r ed e d u c e df o rt h ed e s i g na n di n s t a l l a t i o no ft h ep r a c t i c a lr o c k b o l t ( s ) i nt h el a b o r a t o r ye x p e r i m e n t s t a g e ，t h e r e s e a r c ho b j e c t sa l et h r e ek i n d so f s p e c i m e n s ，n a m e l yi n t a c ts p e c i m e n s ，f r a c t u r e ds p e c i m e n sa n da n c h o r e d f r a c t u r e d s p e c i m e n s t h e i rr e l a t i o n s h i pi sa sf o l l o w s ： c o m p a r e dw i t hi n t a c ts p e c i m e n ，f r a c t u r e ds p e c i m e ni sas p e c i m e nw i t ha no p e n i n g m o d ef r a c t u r e ，a n da n c h o r e d - f r a c t u r e ds p e c i m e ni sas p e c i m e nw i t hf r a c t u r ea n dr o c k b o l t ( s ) a n c h o r e d f r a c t u r e ds p e c i m e nh a s4a n c h o r a g ea n g l e s ，w h i c ha l e3 0d e g r e e s ， 4 5d e g r e e s ，7 0d e g r e e sa n d8 5d e g r e e s ，a n dt h en u m b e r so fr o c kb o l t sa r es i n g l e ， b i n a r ya n dt e r n a r y t h e s e4k i n d so fa n c h o r a g ea n g l e sa n d3k i n d so fr o c k b o l t n u m b e r sc o n s t i t u t ed i f f e r e n ta n c h o r e d f r a c t u r e ds p e c i m e n s t h em a i nc o n t e n t so ft h el a b o r a t o r ye x p e r i m e n ta r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , d e s i g n5g r o u p so ft h em o r t a r sm i x i n gp r o p o r t i o n ；t e s tt h e s e5d i f f e r e n t m i x i n g 。p r o p o r t i o ns p e c i m e n s u n i a x i a lc o m p r e s s i v es t r e n g t h sa n ds p l i t t i n gt e n s i l e s t r e n g t h s ；d e f i n eam i x i n gp r o p o r t i o nt h a tm a k et h em o r t a rs p e c i m e n sp h y s i c a la n d m e c h a n i c a lp a r a m e t e r sa c c o r dw i t haf i x e ds i m i l a rr a t i oc o m p a r e dt ot h er e a lr o c k m a s s ；c h o o s ea l u m i n i u ma l l o yb a ra st h es i m i l a rr o c kb o l tb a s e do nt h es i m i l a rr a t i o s e c o n d l y ，t e s tf r a c t u r e da n da n c h o r e d ，f r a c t u r e ds p e c i m e n s u n i a x i a lc o m p r e s s i v e s t r e n g t h sa n ds p l i t t i n gt e n s i l es t r e n g t h s ；c o m b i n e dw i t ht h et e s t i n gr e s u l t so ft h ei n t a c t i i i 山东大学硕士论文 s p e c i m e n s u n i a x i a lc o m p r e s s i o na n ds p l i t t i n gt e s t ，a n a l y z et h ef r a c t u r e sw e a k e n i n g e f f e c t sa n dr o c kb o l t s s t r e n g t h e n i n ge f f e c t so nt h es p e c i m e n s m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ； s u m m a r i z et h ed i s c i p l i n e so fa n c h o r a g ea n g l ea n dr o c k b o l tn u m b e ri n f l u e n c i n gt h e a n c h o r a g ee f f e c t so ft h er o c kb o l t ( s ) t ot h ef r a c t u r e ds p e c i m e n s l a s t l y , l a u n c hb i a x i a lc o m p r e s s i v et e s t t oi n t a c ts p e c i m e n s ，f r a c t u r e ds p e c i m e n s ， a n da n c h o r e d - f r a c t u r e ds p e c i m e n s ；a n a l y z ef r a c t u r e sw e a k e n i n ge f f e c t sa n dr o c k b o l t s s t r e n g t h e n i n ge f f e c t so nt h es p e c i m e n s m e c h a n i c a lp r o p e r t i e su n d e rd i f f e r e n t l a t e r a lp r e s s u r e s ；s u m m a r i z et h ed i s c i p l i n e so fa n c h o r a g ea n g l ea n dr o c k b o l tn u m b e r i n f l u e n c i n gt h ea n c h o r a g ee f f e c t so ft h er o c kb o l t ( s ) t ot h ef r a c t u r e ds p e c i m e n su n d e r d i f f e r e n tl a t e r a lp r e s s u r e sa n ds t u d yt h ei n f l u e n c eo fl a t e r a lp r e s s u r eo nd i f f e r e n t s p e c i m e n s b i a x i a lc o m p r e s s i v es t r e n g t h s i na d d i t i o n ，t h es p e c i m e n s m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s i n f l u e n c e db yt h er o c k - b o l t n u m b e ra n da n c h o r a g ea n g l ea r es t u d i e d ；t h er o c kb o l t s f a i l u r ep a t t e r n sa n di t s i n f l u e n c e so nt h es p e c i m e n s d e s t r u c t i o np r o c e s sa r ea l s oo b s e r v e d i nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ns t a g e ，t h ea x i a lc o m p r e s s i v ee x p e r i m e n to ft h et h r e e k i n d so f s p e c i m e n si n c l u d i n g i n t a c t s p e c i m e n s ，f r a c t u r e ds p e c i m e n s a n d a n c h o r e d - f r a c t u r e ds p e c i m e n si ss i m u l a t e db yf l a c 3 d ；o b t a i nt h ed i f f e r e n t s p e c i m e n s n u m e r i c a ls t r e s sv s s t r a i nc u r v e s ，m o r t a r sc o n t o u ro ft h em i n i m u ma n d m a x i m u m p r i n c i p l es t r e s s ，a n dt h es t r e s so rf o r c es t a t eo ft h er o c kb o l t ( s ) u s et h e i n c l u d e dp i l ee l e m e n to ff l a c 一3 dt os i m u l a t et h er o c kb o l t ( s ) w h i l es i m u l a t i n gt h e a n c h o r e d f r a c t u r e ds p e c i m e n s a x i a lc o m p r e s s i v ee x p e r i m e n t a d o p tt h et w om e t h o d s o fs o l i d - e n t i t ym e t h o da n ds o l i d e n t i t ya n de q u i v a l e n c ec o m p o u n d i n gm e t h o dt o s i m u l a t er o c k - b o l ta n c h o r a g ee f f e c to nt h ef r a c t u r e ds p e c i m e n s m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s t h es o l i d - e n t i t ya n de q u i v a l e n c ec o m p o u n d i n gm e t h o d ss i m u l a t i o nr e s u l ti sm u c h b e t t e rt h a nt h es o l i d - e n t i t ym e t h o di nt e r m so fm u l t i r o c k b o l t sr e i n f o r c i n ge f f e c t c o m p a r i n g t ot h er e s u l t so fl a b o r a t o r y e x p e r i m e n t b e s i d e s ，b yt a k i n g t h e s i n g l e - a n c h o r e df r a c t u r e ds p e c i m e n sa x i a lc o m p r e s s i v ee x p e r i m e n ta sa ne x a m p l e ， o n ed i s c i p l i n eo ft h ea n c h o r a g ea n g l ei n f l u e n c i n gt h ea n c h o r a g ee f f e c ti sg o tb yt h e s i m u l a t i o no f f l a c 一3 d t h ed i s c i p l i n ea b o u tt h er o c kb o l t sn u m b e ra n da n c h o r a g ea n g l eo nr o c k - b o l t a n c h o r a g ee f f e c tt of r a c t u r e ds p e c i m e n si so b t a i n e db ys u m m a r i z i n gt h er e s u l t so ft h e l a b o r a t o r ye x p e r i m e n ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h er e s u l t so ft h i sr e s e a r c hw i l lb e s i g n i f i c a n tf o rt h ep r a c t i c a le n g i n e e r i n g ，s i n c et h em a t e r i a l s m e c h a n i c a la n dp h y s i c a l p a r a m e t e r su s e di nl a b o r a t o r ye x p e r i m e n ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o na r es t r i c t l y 山东大学硕士论文 a c c o r d a n tt oaf i x e ds i m i l a rr a t i oc o m p a r i n gt h er e a lm a t e r i a l s k e yw o r d s ：r o c kb o l t ；f r a c t u r e ds p e c i m e n ；a n c h o r e d f r a c t u r e ds p e c i m e n ；l a b o r a t o r y e x p e r i m e n t ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n v 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，均己在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 彩撇：4 迸日期：塑弘丛 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) ：粗剧嗽：垒嗡期：掣 山东大学硕士论文 1 1 课题的背景及研究意义 1 1 1 岩体的裂隙缺陷 1绪论 岩体存在着大量的各种形式的结构面，如层理、节理、断层、裂隙及孔洞缺 陷等。结构面的存在使得岩体呈现出不连续性、各向异性、不均匀性等特性。尤 为重要的是，由于结构面的存在，岩体的力学性能与完整岩石相比在数值上和稳 定性方面会降低很多。岩体内部的各种结构面会由于地应力场、温度场、施工荷 载的变化和地下水的影响而扩展、贯通，进而会使岩体内部的结构面变得更加错 综复杂，也极大地危害了工程的施工安全性和长期稳定性。大量工程实践表明： 岩质边坡与地下洞群的失稳及破坏与其岩体内部结构面的扩展、贯通有关l 。 1 1 2 锚杆加固技术的发展及应用现状1 2 i 实际工程中，普遍采用锚杆支护技术来提高岩体的力学性能和整体稳定性。 自从1 9 1 1 年美国首先将锚杆应用于矿山巷道支护以来，锚固技术已经经历 了近一个世纪的发展。从最初人们的怀疑、疑虑，发展到今天，锚固技术已经几 乎不受限制地广泛应用于岩土工程的各个领域。由于锚杆支护显著的技术经济优 越性，现已发展成为世界各国矿井巷道以及其他地下工程支护的一种主要形成。 早在2 0 世纪的4 0 年代，美国和前苏联就已在井下巷道使用了锚杆支护，以后在 煤矿、金属矿山、水利隧道以及其他地下工程中也迅速得到发展。几十年来，世 界锚杆支护经历了如下发展历程： 1 9 4 5 1 9 5 0 年，机械锚杆研究与应用； 1 9 5 0 - 1 9 6 0 年，采矿业广泛采用机械式锚杆，井开始对锚杆支护系统进行研 究； 1 9 6 0 1 9 0 年，树脂锚杆推出井在矿山得到应用；1 9 7 0 - 1 9 8 0 年，发明了管缝 式锚杆、胀管式锚杆和长锚索； 1 9 8 0 - 1 9 9 0 年，混合锚头锚杆、组合锚杆、桁架锚杆、特种锚杆等得到应用， 树脂锚固材料得到改进； 1 9 9 0 至今，锚杆支护技术得到了更多的发展空间。 美国、澳大利亚等国由于煤层埋藏条件好，加之锚杆支护技术不断发展和日 益成熟，因而锚杆支护使用很普遍，在煤矿巷道的支护比例几乎达到了1 0 0 。 西欧、中欧些主要产煤国家，过去巷道中主要采用金属支架支护，随着巷道维 山东大学硕士论文 护日益困难和支护成本的增加，各国均在积极发展锚杆支护。锚杆支护发展最快 的是英国。在1 9 8 7 年以前，英国煤矿巷道支护9 0 以上采用金属支架，1 9 8 7 年英 国从澳大利亚引进了成套的锚杆支护技术，从而扭转了过去的被动局面，煤巷锚 杆支护得到迅猛发展，1 9 9 4 年在巷道支护中所占比例已达到8 0 以上。 我国矿山巷道的锚杆支护的发展也比较迅速。据煤矿和金属矿山巷道中采用 锚杆支护或锚杆与喷射混凝土支护的初步统汁，从1 9 6 0 1 9 9 5 年末的3 5 年间， 累计使用量已超过3 0 0 0 k m ，年使用量已超过1 6 0 0 m ，工程实践表明，采用锚杆 与喷射混凝土支护取代传统的混凝土支护，可以加快施工速度2 4 倍，节省劳动 力5 0 以上，节约全部木材和4 0 以上的混凝土，降低支护成本3 5 , - , 4 5 。特 别是进人2 0 世纪8 0 年代，把锚杆、喷射混凝土支护与现场监控量测、信息反馈 技术巧妙地结合，采用及时支护、分期施工、刚柔适度、全环封闭等一整套充分 发挥围岩自承能力的设计原则，已成功应用于一批复杂地质条件的隧洞工程，如 高地应力( 水平应力达到3 0 m p a ) 、软岩大变形巷道( 水平收敛量达2 5 3 0 c m ) 地层 控制( 如金川镍矿) 、开拓于半胶结的泥页岩中并受采矿动压影响的煤矿巷道工 程、覆岩层厚度仅1 0 余米的q 3 黄土质泥土的隧洞工程( 如军都山隧洞) 。这些有 代表性的地下锚固工程的建成，标志着我国软弱地层中的地下工程的锚固技术的 应用已经有了突破性进展。 1 1 3 本课题的研究意义 近一个世纪以来，虽然锚杆支护技术在工程实践中得到了广泛的运用，工程 效果也非常明显，但其作用机理至今尚未完全为人所知。锚杆支护技术的设计理 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。因此有必要在结合国内外锚固技术与理论发展现状的基础 上，进一步研究和解决锚固技术推广与发展中的问题。 随着经济的发展，为了满足现代化生产和生活的需要，我国将加快交通等基 础设施建设，大力开发城市地下空间，修建各种海底( 湖底) 隧道，开展南水北 调工程，兴建水利水电工程，开发能源，深部高应力环境下资源开采等。在这些 工程中，都离不开岩土锚固技术，岩土锚固技术必将迎来更多的发展机遇以及广 阔的应用前景。 1 2 相关领域的研究现状 2 裂纹扩展和锚杆锚固机理研究一直是土木工程领域的研究热点和难点，为了 山东大学硕士论文 更好地阐述本课题的研究现状，本节分两部分内容分别介绍裂纹扩展及锚杆锚固 机理的国内外研究现状。 1 2 1 裂纹扩展研究的发展过程及现状 岩体内部的各种缺陷被统称为结构面，其具有分布广泛、尺寸各异、类型繁 多、随机分布等特点，研究人员往往通过一些简化措施来研究结构面对岩体的变 形力学性能影响，以期获得一些科学发现以对实际工程的设计和施工给予科学有 效的指导。事实上，由于岩体中结构面的复杂性，如果完全不做任何简化是无法 进行精确的科学研究的。通常，研究人员将结构面视作内嵌于岩体中的裂纹，研 究裂纹的分布特性及几何尺寸对岩体的力学变形性能影响，实践表明：这种研究 方法所得的研究结论与现场工程勘察结果相结合可有效地指导实际工程的设计 和施工。裂纹按其分布特征及岩体的受力特点可分为二维裂纹和三维裂纹，裂纹 也称为裂隙，含裂纹岩体通常被称为裂隙岩体。 ( 1 ) 二维裂纹研究 1 9 1 3 年，i n g l i s 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，依据传统强度理论确定出材料的临界应力【3 4 】。c m f l i t h 于2 0 世纪2 0 年代 运用能量法对玻璃和陶瓷等构件的强度进行了理论分析和试验研究，提出了裂纹 扩展是否处于稳定平衡状态取决于裂纹扩展单位面积所释放应变能是否小于形 成其自由表面所需之表面能【5 7 j 。在c n - i f f i t h 理论提出3 0 年之后，o r o w a n 指出裂 纹扩展前在其尖端附近会产生一个塑性区，裂纹扩展的能量不仅用于形成新表面 所需的表面能，还用于引起塑性变形所需的能量；i r w i n 通过对裂纹尖端附近应 力场的研究，于1 9 5 7 年提出了应力强度因子概念并建立了断裂判据悸j 。 2 0 世纪6 0 年代。c o o k 等学者【9 1 3 】研究了含预制裂隙岩体在受压情况下裂隙 及次生裂纹的扩展状况，得出裂纹扩展方向与最大主应力方向平行的结论。1 9 6 6 年，b r a c e l l 4 】提出了二维裂隙滑移开裂模型，认为在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原因，受压状态下裂隙扩展是随附 加荷载的增长而发展的。1 9 6 4 1 9 6 8 年，b o m b o l a k i s t t s , 1 6 1 t l ：展裂隙试件在单轴压 缩条件下裂纹扩展的光弹试验时发现：相邻裂纹在各自稳定扩展到一定长度时或 所试件所受荷载远大于裂纹扩展的临界荷载会发生贯通；其将裂纹扩展分为第一 阶段和第二阶段，明确指出裂纹贯通只会发生在第二阶段；认为斜裂纹扩展的方 向或多或少会平行于单轴加载方向，且与第一阶段中采用何种加载方式达到( 逐 渐加载还是循环加载) 到裂纹扩展临界荷载有关。 2 0 世纪7 0 年代，随着试验技术的进步，二维裂纹扩展的试验研究方面得到 3 山东大学硕十论文 了很快的发展。1 9 7 3 年，g a y r 7 】开展了室内张开型裂纹岩体的模型试验研究，试 验中裂纹扩展方向与现场观测结果一致。1 9 7 2 年，f r i e d m a n 等【l 驯使用x 光衍射 仪研究了砂岩内部张拉型裂纹附近残余应变的变化情况，得出了在裂纹两端 5 m m 范围内的砂岩晶粒会产生相对位移。1 9 7 6 年，g a y t l 9 j 研究了圆孔裂纹岩体 在单轴和双轴压缩情况下裂纹的扩展模式。1 9 7 9 年，g r a d y 等【2 0 j 在石英岩中预制 裂纹，研究在动态拉荷载的条件下采用激光干涉法测试裂纹扩展过程中的应力释 放率，建立了线弹性裂纹微观力学模型来计算裂纹的扩展情况。1 9 7 6 - 1 9 7 9 年， h u d s o n 和p r i e s t 等1 2 1 , 2 2 1 用计算机对裂隙岩体进行了几何统计特征的分析研究。 2 0 世纪8 0 年代，关于二维裂纹扩展研究的试验技术和理论水平都有了较大 提高。1 9 8 1 年，s t a c e y 2 3 】建立了简明的经验判断准则，可预测地下工程开挖过程 中围岩内部裂纹的起裂、扩展情况。1 9 8 4 年，l i n d q v i s t 等1 2 4 】采用电子扫描显微 镜( s e m ) 扫描了岩体内部裂纹的扩展情况。1 9 8 7 年，n o l e n h o e k s e m a l 2 5 1 等人研究 了含张开型裂纹的大理岩的裂纹扩展破坏模式，观察到裂纹的扩展具有非对称 性，并指出贯穿裂隙在试件表面的扩展情况能很好地代表试件内部裂纹的扩展情 况。n e m a t n a s s e r t 2 6 , 2 7 】、h o r i i t 2 s - 3 0 、a s h b y t 3 1 3 2 】等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。他们在定量分析和试验验证的基础上，提 出了一个二维模型，通过该模型可解释缺陷诱发裂隙扩展导致岩石劈裂现象，并 进一步指出：三维压力下裂隙的相互作用使得扩展失去稳定，导致裂隙局部化形 成，并控制材料的强度及最终的失效面。k a c h a n o v 等【3 3 ”】在考虑岩石非线性基 础上建立了适合滑动摩擦特性的预制裂隙的扩展模型。1 9 8 8 年w a n 9 1 3 6 研究了含 压剪型裂纹岩体的破坏模式。1 9 8 9 年，y a m a d a 掣3 7 】开始采用电磁发射和声发射 的方法来研究岩体内部裂纹的扩展情况。 2 0 世纪9 0 年代至今，随着试验手段和理论水平的进一步提高，二维裂纹扩 展研究得到了更迸一步的发展。如r e y e s 和e i s t e i n 等1 3 9 , 3 9 进行了含预制平行裂 隙石膏试件的单轴压缩试验研究，并建立了相应的分析模型和指出裂隙贯通发展 与预制裂隙几何特征有关。s h e n 等【4 0 4 3 1 对含单个和两个预制张开型和闭合型裂 隙缺陷的试件开展了试验和数值分析研究，并建立了新的断裂准则和运用修正的 g r i f f i t h 准则解释了试验结果。b o b e t 等一7 】用石膏试样研究了单轴和双轴压缩 条件下裂纹的扩展、贯通机制。朱维申、李术才和陈卫忠等【4 8 - 6 3 1 通过模型试验研 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。 4 山东大学硕十论文 w o n g 、c h a u 和t a n g 等 6 4 7 2 】对一些裂隙岩体试件及含不同预制裂隙的类砂 岩相似材料进行了单轴压缩和直剪试验，研究了裂隙的扩展和贯通机制，并进行 了相应的数值模拟和理论分析研究。 任伟中、白世伟等( 1 9 9 9 ，2 0 0 3 ) 7 3 - 7 s 1 研究了在直剪条件下断续岩体的节理连 通率、节理排列方式、探讨了节理、岩桥变形和破坏机理，并建立了相应的计算 公式。郭少华等( 2 0 0 3 ) 【7 6 j 开展了含二维裂纹的石膏试件单轴、双轴压缩试验研究， 研究了不同加载条件对裂纹的扩展模式的影响。 ( 2 ) 三维裂纹研究 与二维裂纹相比，三维裂纹的理论研究是比较困难的，由于数学模型上的困 难及计算的复杂性，三维裂纹理论研究远比不上二维裂纹研究。三维裂纹问题通 常都是通过试验与近似处理方法相结合的方法来研究。1 9 6 3 年， e r d o g a n 和薛 昌i 蓼j ( s i h ) 1 7 7 ，7 8 l 根据具有中心斜裂纹承受均匀拉伸的树脂玻璃板的试验结果， 提 出了最大周向应力断裂准则，即裂纹沿着最大周向应力方向开裂并当周向应力达 到临界值时，裂纹会失态扩展。1 9 6 9 年，s o m m e r1 7 9 】的进行了在玻璃中预置i i i i 复合型裂纹的试验研究，1 9 7 0 年，k n a u s s1 8 0 1 开展了纯i i i 型裂纹的试验研究，滕 春凯等( 1 9 8 7 ) 、尹祥础等( 1 9 8 8 ) 在玻璃等试件中预制表面裂纹，研究了三维裂纹 的破裂和扩展【8 l 一8 3 】。a d a m s 和s i n e s ( 1 9 6 5 ) 研究了含预制三维裂纹的脆性材料在 单轴压缩条件下的裂纹扩展特征8 4 1 。黄明利等【8 5 名7 】采用树脂材料研究了含不同裂 纹试件的扩展形式，裂纹之间的应力场分析研究以及裂纹的几何特征对三维裂纹 扩展的影响，并进行了相应的数值分析研究。 2 0 世纪9 0 年代以来，由于试验技术的进步，三维裂纹研究得到了较快的发展。 d y s k i n 等人【8 h 8 】自19 9 4 开始，在低温树) 旨( c o l o m b i ar e s i n 和c r - 3 9 等材料) 试样 中预制了三维裂纹，并对试样进行了单、双轴压缩试验。试验结果表明：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 缩下翼裂纹可以继续发展直至试样发生劈裂破坏。简浩等( 2 0 0 2 ) | 9 9 采用实时c t 扫描技术研究了节理岩体在单轴压缩条件下的损伤演化问题，以c t 平均数为参 数定量地研究了三维裂纹扩展问题。w o n g 等t 1 眦1 0 2 1 ( 2 0 0 4 ) 进行了含三维表面裂纹 试样的裂纹扩展试验，并通过改变预制裂纹的几何参数来研究裂纹起裂模式和扩 展路径，指出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。黄凯珠，林鹏等 1 0 3 。1 0 5 】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预 制三维裂纹的萌生、扩展和贯通机制，指出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。李术才、李廷春0 0 6 等人对利用陶瓷材料预制内置裂纹进 5 山东人学硕士论文 行c t 扫描对三维裂隙扩展的进行了研究，取得了很多成果。 1 2 2 锚杆锚固机理的研究现状 锚杆锚固的作用机理比较复杂，至今尚未有统一的理论解析表达，针对不同 的具体工程地质条件和锚杆本身的材料属性，人们得出了一些具有一定适用条件 的锚杆锚固理论，关于锚杆锚固机理的基本理论研究见第二章叙述。以下分两方 面叙述锚杆锚固机理的国内外研究现状。 ( 1 ) 物理试验研究 k i l i c t l 0 7 j 研究了不同力学性能的注浆体( 调整水灰比和# l - 力n n ) 、不同的锚孔深 度( 1 5 , - - 3 2e m ) 在不同养护时间下对锚固体承载力的影响。试验结果表明：锚固 体的承载力随锚杆直径和锚孑l 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。其后，k i l i c 等【1 0 8 】进行了锚杆形状对锚杆抗拔能力影响的试验研究，研 究了锚杆形状对其的失效模式的影响。 b e n m o k r a n e 等【l 叫使用钢绞线和螺纹钢作为锚杆材料，考虑锚固长度、注浆 体力学性能等因素对锚杆抗拔承载力影响的试验研究，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【o 】还对玻璃纤维锚杆的锚固特性进行了室内试验和现场测 试，指出：表面粗糙程度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 1 1 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。 荣冠等【1 1 2 】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。 葛修润等【“3 】通过室内模拟试验和理论分析，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。 k h a r c h a f i 等【1 1 4 】进行了大尺度模型试验研究。结果表明：锚杆产生的抗力正 比于锚杆截面；随锚杆倾角的增大，其拉应力增大，剪应力减小。 温进涛等5 】通过模型试验研究了不同锚索安装角和不同结构面粗糙程度下 的锚索抗剪能力。结果表明：结构面的粗糙程度影响锚索的破坏失效模式；锚索 6 山东大学硕士论文 安装角影响着整体试件的抗剪强度，当结构面比较粗糙时，这种影响更为明显。 朱焕春等【1 16 1 1 刀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i l l 8 】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 i l g 等【1 19 】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， 得出了一些受剪作用下整个锚固体的力学变形性能的研究发现。 邹志辉、汪志林【1 2 0 1 j 菌过模型试验，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