（工程力学专业论文）预应力锚杆索在节理岩体中的支护机理研究及应用.pdf

分类号v d c密级 i i i ii i ii i ii i ii ii iii 1 1 y 17 19 6 8 2 硕士学位论文 预应力锚杆( 索) 在节理岩体中的 支护机理研究及应用 t h em e c h a n i s ma n da p p l i c a t i o no f p r e - t e n s i o n e db o l t s s u p p o r t i n gjo i n t sr o c km a s 作者姓名： 学科专业： 学院( 系、所) ： 指导教师： 杨慧敏 工程力学 资源与安全工程学院 戴兴国( 教授、博导) 敝答辩口期：翟坦：支：堡 答辩委员会主席丧毖 中南大学 2 0 10 年0 5 月 1 的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特另, l j u 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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 搔整丛日期：二型l 年上月笪日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：趑蒸丛叁导师签 中南人学硕j ：学位论文摘要 摘要 岩体是由各种结构面组分割而成的大小方位各不相同的岩块组 合体，其内部所包含节理的长度、方向和倾角对岩体性态起着决定性 的作用，因此，在进行岩体破坏和稳定性研究时，仅仅以岩石为研究 对象是不够的，应深入研究节理对岩体强度的影响。为了保证岩体工 程顺利开挖，必须采取必要的措施保证其安全性，岩体锚固便成为岩 土工程领域的重要分支，近年来，预应力锚杆加固已经成为岩石开挖 支护方面最有效、最经济的支护方式之一。然而，岩土锚固理论目前 还不完善，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。我们应在现有理论的基础上，借助于近年来快速发展的数 值分析方法，探讨预应力锚杆支护后节理岩体整体力学性质，改善锚 固工程的设计方法，并将其应用到岩体工程稳定性分析中。 本文首先概述了节理的力学成因和状态；从理论分析出发，将非 贯通节理岩体破坏分为三种模型并分析了各种模型的破坏机理和强 度准则；根据塑性区最短距离判据分析了裂纹的扩展方向。随后，总 结了锚杆和锚索的支护机理，并以锚杆和节理面共同变形为基础，探 讨了对锚杆有效锚同长度和最优锚固角。同时，运用a n s y s 数值模 拟软件，对预应力锚索的锚固机理进行了数值模拟研究，其中，锚索 的自由段用只能承受单向拉伸的三维杆单元l i n k l 0 模拟，锚固段用 三维杆单元l i n k 8 模拟，为了能使预应力锚索和岩体之间产生联系， 本文在划分单元格时将锚索结点和岩体结点设置重合，预应力采用等 效降温法施加。最后研究了巷道层状顶板顶板预应力锚杆的加固作 用。 本文主要得到了如下结论： ( 1 ) 预应力锚索支护对节理岩体巷道的加固作用，主要体现在增 加节理面正压力和顶板压应力，消除拉应力。 ( 2 ) 对锚索施加的预应力主要由自由段承担。预应力锚索的锚固 段只有一部分发挥作用。内锚固段剪应力峰值位置基本不随各因素的 改变而改变，但峰值大小随锚索刚度的增大或预应力、岩体剪切模量 的减小而有不同程度的减小。 ( 3 ) 张拉式预应力锚索在内锚固段周围的岩体是受拉的，在群锚 设计时，应防止预应力锚索的内锚头布置在同一个平面上而形成拉应 力面，因此要采用不等长锚索。 中南大学硕上学位论文摘要 ( 4 ) 运用接触单元模拟岩层之间的接触，得到预应力锚杆支护对 节理岩体巷道的加固作用，主要体现在增加节理面正压力和顶板压应 力，消除拉应力。预应力锚杆对层状项板的加固机理是增加层间正压 力，从而降低节理面之间的滑动位移，控制顶板离层量，降低巷道位 移。 关键词：节理岩体，预应力锚杆( 索) ，加固机理，有限元法，接触 单元 l i 中南大学硕上学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t r o c km a s si st h ea s s e m b l yo fr o c kb l o c k sw i t hd i f f e r e n ts i z ea n d p o s i t i o n ，t h el e n g t h ，d i r e c t i o na n da n g l eo ft h ej o i n t se x i s ti nw h i c ha r e t h ec r i t i c a lf a c t o r st ot h er o c km a s sc o n d i t i o n t h e r e f o r e ，w h e ns t u d y i n g t h ed a m a g ea n dt h es t a b i l i t yo fr o c k ，s o l e l yb a s e do nt h er o c ki sn o t e n o u g h ，w es h o u l dt h o r o u g h l ys t u d yt h ej o i n te f f e c t so nr o c km a s s s t r e n g t h i no r d e rt oe n s u r et h er o c ke x c a v a t i o n ，t h en e c e s s a r ym e a s u r e s m u s tb et a k e dt oe n s u r et h e i rs a f e t y ，a n c h o rt e c h n i q u ei sw i d e l yu s e di n g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g r o c kb o l t i n gi st h em o s te f f e c t i v ea n da l s ot h e m o s te c o n o m i c a lm e a n so fs u p p o r t i n ge x c a v a t i o n si nr o c k h o w e v e r ，t h e m e c h a n i s mo fa n c h o r a g ei ss t i l ln o tk n o w nw e l l a n a l o g i c a lm e t h o do r s e m i - t h e o r e t i c a l ，s e m i e m p i r i c a lm e t h o da r eo f t e na d o p ti nm o s to ft h e a n c h o r i n gd e s i g n s i n e n g i n e e r i n gp r a c t i c e t h e e n t i r em e c h a n i c a l p r o p e r t yo ft h ej o i n t sr o c km a s sa f t e rp r e - t e n s i o n e db o l t ss u p p o r t i n g s h o u l db es t u d i e db a s i n go n p r e s e n tt h e o r yf o u n d a t i o na n da p p l y i n gt ot h e r o c k m a s se n g i n e e r i n gs t a b i l i t ya n a l y s i s f i r s t l y ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n ds t a t u so fj o i n t sc a u s e sa r e o v e r v i e w e d a c c o r d i n gt o t h et h e o r yt h a tt h r e ef a i l u r em o d e l sw e r e p r o p o s e d ，a n dt h em e c h a n i s ma n dt h ef a i l u r es t r e n g t h c r i t e r i ao ft h e m o d e l sw a sa l s oa n a l y z e d t h ee x t e n dd i r e c t i o no fc r a c kt i p si sg i v e nb y t h ej u d g m e n to fm i n i p l a s t i cz o n ed i s p l a c e m e n t s u b s e q u e n t l y ，t h e s u p p o r t i n gm e c h a n i s mo ft h ea n c h o ra r es u m m e du p a c c o r d i n gt ot h e t h e o r yt h a tt h eb o l ta n dt h ejo i n tp l a n eh a v et h es a m ed i s t o r t i o n ，t h e e f f e c t i v e l e n g t h a n dt h eo p t i m a l a n c h o r i n ga n g l e a r ed i s c u s s e d f u r t h e r m o r e ，b yu s i n go ff e ac o d ea n s y s ，t h em e c h a n i s mo ft h e p r e - t e n s i o n e db o l t sa r es t u d i e d t h eu n r e s t r i c t e ds e g m e n to f a n c h o rc a b l e i ss i m u l a t e dw i t ht h r e ed i m e n s i o nl i n ke l e m e n tl i n kl0 ，t h ei n t e r i o r a n c h o r i n gp a r ti ss i m u l a t e dw i t hu s u a ll i n ke l e m e n tl i n k 8 ap r o b l e m s h o u l db ep a i da t t e n t i o ni st h a tt h en o d e so fa n c h o r i n gp a r ts h o u l d c o i n c i d ew i t ht h en o d e so fr o c km a s si no r d e rt ok e e ph a r m o n yw i t h d i s p l a c e m e n t t h ep r e s t r e s sc ea p p l i e db yt h ee q u i v a l e n tt e m p e r a t u r e m e t h o d a tl a s t ，t h er e i n f o r c em e c h a n i s ma n de f f e c to fp r e - t e n s i o n e d b o l t so nr o a d w a yr o o fi se x p l o r e d 中南人学硕j ：学位论文 a b s t r a c t m a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h er e i n f o r c e m e n ta c t i o no fp r e t e n s i o n e db o l t ss u p p o r t i n gj o i n t s r o c km a s sm a i n l ye x t e r n a l i z e si nc r e a s i n gt h ei n t e r l a y e r - p r e s s u r ea n d r o a d w a y r o o f p r e s s u r e ( 2 ) t h ep r e s t r e s sw h i c h i s i m p o s e do nt h ea n c h o r i s m a i n l y u n d e r t a k e db yt h ef r e es e c t i o n o n l yap a r to ft h er e s t r i c t e ds e g m e n to f a n c h o ri se f f e c t i v e t h ep o s i t i o no ft h es h e a rs t r e s sp e a kw i t h i nt h e a n c h o r a g es e c t i o ni sn o tc h a n g e dw i t ht h ev a r i o u sf a c t o r sc h a n g i n g ，b u t t h em a g n i t u d eo ft h ep e a ki sd e c r e a s e dw i t ht h es t i f f n e s si n c r e a s i n g ，o r t h ep r e s t r e s s e do fa n c h o ra n dt h es h e a rm o d u l u so fr o c kd e c r e a s i n g ( 3 ) t h er o c kw h i c hi nt h es u r r o u n d i n go ft h et e n s i o n - t y p ep r e s t r e s s e d c a b l ea n c h o r a g e sr e s t r i c t e ds e g m e n ti sp u l l e d ，t h e r e f o r e ，al o n gr a n g e a n c h o rs h o u l db ea d o p t e dw h e na n c h o tg r o u p s ( 4 ) ac o n t a c te l e m e n tm e t h o db a s e do nt h en o n l i n e a rc o n t a c tt h e o r y i su s e dt os i m u l a t et h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ei n t e r f a c e t h e p r e t e n s i o n e db o l t si n c r e a s et h ej o i n t sp r e s s u r ew h i c h i st h em e c h a n i c so f s t r e n g t h e n i n gt h ej o i n t sr o o f it h e r e b yt h ej o i n t ss l i d i n gd i s t a n c e ，t h er o o f s e p a r a t i o nv a l u ea n d t h er o a d w a yd i s p l a c e m e n ti sr e d u c e d k e y w o r d s ：j o i n tr o c km a s s ，p r e t e n s i o n e db o l t ，c o n s o l i d a t i o n m e c h a n i s m ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，c o n t a c te l e m e n t i i 中南人学硕j j 学位论文 目录 目录 目录i 第一章绪论1 1 1 问题的提出及研究意义1 1 2 节理裂隙岩体破坏机理研究现状2 1 3 预应力锚杆( 索) 锚同机理研究现状4 1 4 预应力锚杆( 索) 数值模拟研究现状5 1 5 节理岩体加固机理的研究现状6 1 6 本文的研究内容和研究方法7 第二章节理岩体的破坏机理9 2 1 节理的概述9 2 1 1 节理的力学成因及其特征9 2 1 2 节理的状态及其描述一1 0 2 2 非贯通节理岩体扩展贯通模型和强度准则1 3 2 2 1 非贯通节理岩体扩展贯通模型1 3 2 2 2 非贯通节理岩体扩展贯通强度一1 6 2 3 裂纹扩展方向的判断1 7 2 4 本章小结19 第三章预应力锚杆( 索) 在节理岩体中的锚固机理2 0 3 1 预应力锚杆( 索) 的工程应用2 0 3 2 锚杆的支护机理2 l 3 3 锚索的支护机理2 4 3 4 锚杆( 索) 有效锚同段长度分析2 4 3 5 锚杆( 索) 最优锚固角的分析2 7 3 6 本章小结2 9 第四章预应力锚杆( 索) 锚固机理数值模拟研究3 0 4 1d r u c k e r - p r a g e ( d p ) 材料3 0 4 1 1d p 材料介绍3 0 4 1 2d p 材料常数3 1 4 2 非线性问题求解3l 4 3 锚杆( 索) 的有限元概述3 3 4 3 1 有限元方法概述3 3 4 3 2 预应力锚杆( 索) 的有限元数值模拟3 3 4 4 预应力锚索的有限元数值模拟分析3 5 4 4 1 数值模型3 5 4 4 2 数值试验结果及分析：3 6 4 5 预应力锚杆( 索) 加固围岩的作用机理分析4 2 4 6 预应力锚杆( 索) 加固岩体的应力损失分析4 5 4 7 本章小结4 6 中南人学硕上学位论文目录 第五章巷道顶板预应力锚杆加固作用分析4 7 5 1 预应力锚杆( 索) 对层状顶板支护机理研究4 7 5 2 顶板预应力锚杆支护数值模拟4 8 5 2 1a n s y s 中的接触单元4 8 5 2 2 模型尺寸与参数5 1 5 3 模拟结果分析5 3 5 4 锚杆参数优化5 7 5 4 1 顶板锚杆长度优化5 8 5 4 2 项板锚杆间距优化5 8 5 4 3 顶板锚杆预应力优化5 9 5 4 4 锚杆参数优化结论6 0 5 5 本章小结一6 0 第六章预应力锚杆( 索) 应用前景及信息化施工一6 1 6 1 预应力锚杆( 索) 施工对锚固效果的影响因素分析6 1 6 2 预应力锚杆( 索) 支护存在的问题及发展方向6 3 6 2 1 预应力锚杆( 索) 支护存在的问题6 3 6 2 2 预应力锚杆( 索) 在巷道支护中的应用的景6 4 6 3 预应力锚杆( 索) 支护节理岩体巷道的信息化施工一6 4 6 3 1 信息化施工思路的提出一6 4 6 3 2 信息化施工中需要监测数据分析6 5 6 3 3 现场监测设备6 6 6 3 4 现场监测原则一6 7 6 4 本章小结一6 8 第七章结论与展望6 9 7 1 结论6 9 7 2 展望7 0 参考文献7 1 致谢7 7 攻读硕士期间发表的学术论文及成果7 8 l l 中南人学硕十学位论文第一章绪论 1 1 问题的提出及研究意义 第一章绪论 岩体是一种地质介质，它位于一定的地质环境之中，在漫长的地质年代中经 受到多次的地质构造运动，在各种复杂而不均衡的地应力作用下，产生了各种结 构面，结构面是岩体中开裂或易于开裂的地质界面的总称，它是断层、节理、劈 理等很多类型结构面的总术语【l 翻。包含这些构造面的岩体，我们称之为节理岩 体。工程岩体中普通存在着大小、形状各异的不同规模的结构面。分析国内外众 多工程实例可以发现，工程岩体破坏失稳并不是在工程开挖初期就会出现，而是 开挖后导致工作面附近的载荷变化，从而引起了应力重新分布，岩体中的某些薄 弱部位或结构面便丌始逐步发展。另外，由于地质条件的恶化，引起岩体中的断 续节理面逐渐地蠕变、演化，量变引起质变，这样就产生了岩体的宏观断裂，还 形成了新的贯通滑移面。 节理岩体中有很多从微观到宏观的各种缺陷。岩体从最初的原始状态到被破 坏，整个过程中伴随着各种奇异缺陷和分布缺陷，以及存在于两者之间的相互影 响、作用和转化。如果要找出某个单一缺陷或者是全部缺陷问的相互关系，仅仅 对岩体进行精确的力学分析是不够的，在工程实际中还应该要从较宏观的角度进 行较简化的近似分析【2 】。由于进行现场大型试验有困难，所以以往对于一般的岩 体工程，要定量的计算岩体断续节理面对岩体强度的影响是非常困难的，另外， 由于岩体中节理的分布是随机的，因此，在实际工程中，岩桥的具体尺寸和位置 是没有办法给出的。但通过相关的模型试验和统计分析，研究人员还是能够分析 出其总体强度，以及找出变形发生的规律。但是怎样通过由模型试验得到的结果， 建立一种较好的断续节理岩体力学模型，通过此模型客观的对岩桥演化、扩展和 贯通机制进行评价，这是相当关键的问题。 为了保证岩体工程能够顺利开挖，必须采取必要的措施保证其安全性，岩土 锚固便成为岩土工程领域的重要分支。在岩土工程中采用锚固技术，能较充分地 发挥和提高岩土体的自身强度和自稳能力，有效控制岩土工程的变形。近年来， 岩土锚固已经成为一种非常重要的岩土工程安全加固措施。由于锚固技术在众多 岩体加固和工程治理中的成功应用，岩土工程界对锚固机理与设计理论日益关 注，并进行了深入的研究。尤其是近年来，伴随着计算机应用的快速发展，数值 模拟方法的研究更加深入，锚固机理和优化设计的应用研究也已经取得了较大进 展【3 一】。即便这样，我国对这方面的理论研究和设计还不完善，工程设计中主要 中南大学硕士学位论文第一章绪论 还是靠经验和半经验方法进行，或依靠现场量测获得的信息，反馈设计，指导施 工。因此，在现有理论的基础上去探讨预应力锚杆的锚固机理，分析预应力锚杆 支护后节理岩体的整体力学性质，并将其应用到岩体工程稳定性分析中就十分必 要了。 1 2 节理裂隙岩体破坏机理研究现状 目前，节理裂隙岩体渐进破坏机理研究的常用方法主要有断裂力学方法、损 伤力学方法，以下简述用这两种方法研究节理裂隙岩体渐进破坏机理的现状。 ( 1 ) 断裂力学方法 断裂力学方法是将材料看成是一种其问包含有众多裂纹的复合结构体。 g r i f l i t h 瞵j 最先建立了脆断理论的基本框架，并且提出了裂纹扩展导致材料破坏 的条件，同时从能量的角度得出物体强度、材料性质和裂纹长度之间的关系表达 式。g l r w i n t 9 j 还提出了应力强度因子k 与应变能释放率g 的概念，这两个概念 的提出为后来断裂韧度k c 概念的形成以及断裂韧度试验技术的建立奠定了基 础。2 0 世纪7 0 年代以来，断裂力学逐渐被人们引入到岩体力学中来，岩石断裂 力学逐渐发展成为了工程地质学与断裂力学交叉的边缘学科，它将岩体中的裂隙 和断续节理模拟成为裂纹，岩体将不再被看成是完全连续均质体，而是被看成含 有众多裂隙的裂纹体。在分析节理裂隙岩体时，如果采用断裂力学的方法，将可 以追踪到岩体中裂隙、节理的起裂、扩展、相互贯通直到引起岩体局部的破坏。 目前为止，在雁形节理扩展贯通规律、岩体断裂破坏机理等方面，我国已经有了 很多专家学者运用断裂力学的方法进行了广泛的研究，并且取得了显著的进展。 周景涮旧1 用三点弯曲法测定大理石的k i c ，得出加载速度对k ，c 的影响不明 显，而裂纹得几何性状对k 。c 的测试精度有影响。 王桂尧，孙宗颀，黎振兹等1 3 】通过试验对大理岩i i 型裂纹扩展规律的进行 研究，得到了剪切裂纹扩展的3 种不同判据，并提出了岩石发生真i i 型断裂的条 件，探讨了岩石真】i 型断裂韧度的测试方法。 朱维申等【1 4 】研究了在双轴压缩载荷的作用下，闭合雁形裂纹的起裂、扩展 和岩桥的贯穿机理，同时提出岩桥的破坏模式有剪切破坏、拉剪复合破坏和翼裂 纹扩展三种。 肖洪天，杨若琼，周维垣掣1 5 】采用双扭试件，对三峡船闸花岗岩进行了亚 临界裂纹扩展试验研究，得到了花岗岩亚临界裂纹扩展速度与应力强度因子之间 的关系以及花岗岩的断裂韧度。 王元汉等【1 6 1 讨论了受压岩体中的翼形裂纹问题和斜裂纹问题，对两种不同 裂纹类型的扩展机理进行了分析，给出了应力强度因子的计算方法。 2 中南大学硕一l 学位论文第一章绪论 黎立云等【l7 】提出了利用断裂力学中的裂纹尖端应力和应变场的极值分布情 况，预知裂纹相互贯通模式、机理及相应外载条件的方法。 ( 2 ) 损伤力学方法 岩石类脆性材料，在宏观裂纹出现之前，已经产生了微裂纹与微观空洞，通 常情况下，人们把材料中的这些微观缺陷的出现和扩展称为损伤。由k a c h a n o v 和r a b o t n o v 创立的损伤力学理论【1 8 】应用到节理裂隙岩体的研究中，就是把岩体 中的节理裂隙看成是岩体内部的初始损伤，通过引入内部损伤变量来描述受损材 料的力学行为，这样就可以达到研究裂纹的产生、演化、体积元破坏直至断裂过 程的目的。通过运用损伤力学方法来研究节理裂隙岩体渐进破坏机理需要解决的 三个基本问题，分别是引入反映岩体中节理裂隙宏观力学效果的损伤变量、建立 描述节理裂隙损伤张量随应力状态而变化的演化发展方程以及建立包含节理裂 隙损伤张量的本构方程。 国内外众多学者将损伤力学的应用延伸到节理裂隙的研究中，取得了丰硕 的成果： k a w a m o t o ”】是第一个将几何损伤理论运用到岩体工程中的研究者，并根据 其研究结果提出了节理岩体的损伤力学模型。 在k a w a m o t o 理论的基础上，z h a n g - w o h u a 掣2 0 】指出了岩体裂隙方向、长度 和密度均遵循一定的概率分布规律，并根据岩体表面随机分布裂纹的量测结果， 分析了岩体随机各向异性的损伤力学问题。 我国学者朱维申等【2 l 】在深入分析研究节理岩石单元的变形和强度特性的基 础上，推导出了等效强度和等效变形的基本公式，同时建立了节理岩体单元的等 效连续模型。 张强勇等f 2 2 】从能量的转换和变化角度，运用节理裂隙的扩展变化机制，建 立了断续多节理岩体在不同状态下的三维弹塑性损伤本构关系，如初始损伤、损 伤变化、塑性损伤等。 王乐华等【2 3 】考虑了岩体的损伤蠕变，并将损伤看做是一种元件，并将其与 其余的弹性、塑性、粘性等元件串并联，共同构建了岩体弹塑粘性损伤力学模型。 将损伤力学应用于裂隙岩体的优点在于：可以得到成组节理裂隙的各项异性 力学关系；借助于节理裂隙面构造的损伤张量，可以将岩体的几何特性与力学特 性联系起来；由岩体的损伤预测岩体的强度，无需进行大规模的试验，只需知道 节理裂隙的特性和完整岩块的力学特性，就可以预测岩体的强度，这为解决岩体 力学中的尺寸效应问题提供了可能。 中南人学硕上学位论文 第一章绪论 1 3 预应力锚杆( 索) 锚固机理研究现状 在岩土锚固工程中，随着加固作用由支撑概念向加固概念转变，许多研究人 员通过室内模型试验、现场试验和数值仿真模拟等手段对预应力锚杆( 索) 的锚 固作用机理进行了深入细致的研究。 在模型试验方面，我国学者葛修洲2 4 】等在室内进行了加锚岩体节理面抗剪 性能的模型试验，观测了锚杆对节理面抗剪切性能的控制作用，并探讨了锚杆遏 制节理面发生相对错动的“销钉 作用机制。通过试验结果得知：加锚节理面的 抗剪强度与剪切位移有直接关系，剪切位移大，抗剪强度就随着变强，就算剪切 位移数值不大，锚杆的抗剪作用也能充分展现出来；加锚节理面的抗剪强度很大 程度上也受锚杆的倾斜角度的影响。 k i l i c l 2 5 】等研究了不同灌浆体特性对锚杆抗拔能力的影响。抗拔破坏试验通 过对水灰比、锚杆深度、添加剂、水泥砂浆和时问等不同条件下时的锚固体承载 力进行比较，得到了如下结果：锚固体失效面都是出现在锚杆与砂浆的临界面上； 锚固体的承载力受锚孔深度、锚杆直径、砂浆的抗剪强度和弹模的影响，这些数 值增加，锚固体的承载力也随着增加；水灰比和砂浆的养护时间对锚固体承载力 的影响也比较明显。 陈安敏【2 6 】等也进行了模型试验，观测分析了预应力锚索对块状岩体的加固 效应，探讨了锚索的长度和预应力值大小对加固效果影响的程度，找出其主要的 影响因素。这些因素的影响体现在：当l7 d ( l 为锚索总长，d7 为锚固 区半径) 时，锚索与岩体一起塌落；当l 2 d7 时，锚索可以发挥加固作用， 下部可以形成锚固区；当l7 = 1 1 5 d7 时，锚索不塌落，但也不能形成锚固区， 锚索不起加固作用。合适的锚索长度为l = 2d 3d ，这范围内有一个最 佳预应力值，该实验中为op oc = 0 6 7 。 荣冠，朱焕春，周创兵【2 7 】进行了螺纹钢与圆钢锚杆工作机理对比试验研究。 通过试验发现：在拉拔条件下，螺纹钢和圆钢比较，前者的受力范围小且衰减快； 前者周边浅部黏结物的应力水平明显比后者高，且前者的变形破坏程度更加明 显；前者以屈服形式破坏，而后者则被整体拔出。 朱焕春等 2 8 】探讨了全长粘结锚杆在受张拉荷载作用下的工作机理，指出在 轴向受拉过程中，由于锚杆螺纹的影响，锚杆与粘结介质接触处将产生法向剪胀 变形，这对保障和提高锚杆的锚固力有着极其重要的作用。 在数值计算方面，朱维申、李铀【2 9 】进行了大吨位试验分析和有限元分析计 算，来研究预应力锚索加固机理，通过试验和计算，判断出锚固的作用范围在锚 头、锚根附近约2 m 的区域内。对于由软弱结构面控制的岩体，在不考虑由于锚 4 中南大学硕上学位论文 第一章绪论 索加固产生的结构面材料粘结力增大的效应时，通过采取一系列的措施，如改变 锚固倾角，增大锚固力，变更锚索长度因素等，都不会使应力受影响的范围发生 较明显的变化。 李宁【3 0 1 采用摩擦接触型节理单元和绳式锚索单元，对进行预应力锚杆、锚 索进行了数值仿真分析。在建立模型时还考虑了关于节理岩体的“岩桥理论 ， 并认为单根锚杆的加固机理和群锚加固机理是不一样的。 刘吉波、马培梁、李建刚【3 l 】采用有限元模型分析的方法，以朔州鲁能兴陶 煤矿的围岩条件为原型建立了数值分析模型，对预应力锚杆支护中围岩的应力分 布状况进行了有限元分析计算，从而确定了回采巷道预应力锚杆支护的合理支护 参数。 目前为止，虽然试验模拟与数值计算两个方面工作已取得一定的成果，但锚 杆( 索) 的加固机理仍是一个没有统一认识的问题，也缺乏行之有效、合理的计 算方法，现有的各种模型仍存在不少显而易见的不足，理论与数值计算与实际情 况出入较大，因而必须进一步通过理论分析、模型试验和现场测试对锚杆( 索) 的锚固机理进行进一步深入的研究。 1 4 预应力锚杆( 索) 数值模拟研究现状 预应力锚杆( 索) 锚固数值模拟方法在其发展历程中主要有两类方法：一类 是锚杆( 索) 和岩体的等效连续模拟；另一类则是锚杆( 索) 和岩体的离散模拟。 学者们主要通过这两种数值模拟方法，对预应力锚杆( 索) 的锚固机理进行分析 研究。 ( 1 ) 预应力锚杆( 索) 和岩体的等效连续模拟 预应力锚杆( 索) 和岩体等效模拟的思路主要是将预应力锚杆( 索) 的外锚 头、锚索体及内锚头均采用隐式方法隐含在普通单元中，锚杆( 索) 体单元的刚 度是按拉伸刚度产生的附加刚度，经过坐标系转换后再进入到整体刚度矩阵中 去。 杨延毅等【3 2 】从损伤岩体的自一致理论出发，运用等效抹平的处理方法，推 导出了加锚节理岩体的损伤张量和等效柔度张量；同时运用脆性材料的损伤增韧 止裂理论，根据节理岩体加锚后的断裂扩展过程建立了其损伤演化方程，并且给 出了此类加锚岩体的本构关系。通过将加锚岩体本构关系运用到有限元程序，经 过数值模拟分析表明：和加锚前相比，加锚以后层状岩体的峰值强度和变形模量 的各向异性程度明显降低，这就表明岩体弱面经过加锚以后，弱面的结构效应明 显减弱，加固效果相当显著。 王敏强，刘晓刚，艾建申【3 3 】将预应力锚索的内锚头、锚索体和外锚头均采 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 用隐式方法隐含在普通单元中，锚索体单元的刚度则是按照拉伸刚度产生附加刚 度，经坐标系转换后再进入到整体刚度矩阵中去。 张强勇【3 4 】根据预应力锚索和裂隙岩体之间的联合作用机理，对裂隙岩体的 损伤断裂变形特性和锚索的空间锚固效应均进行了深入的研究，并且建立了一种 加索支护模型用来模拟锚索加固裂隙岩体后的整体效果。 等效连续模型法是将施加锚杆后得到改善的岩体力学参数反映到计算中去， 可以处理大规模的复杂的三维问题，其优点是显而易见，但加锚后岩体力学参数 选取却是该法的难点。 ( 2 ) 预应力锚杆( 索) 和岩体的等效离散模拟 预应力锚杆( 索) 和岩体等效离散模拟的思路主要是对单独的锚杆( 索) 专 门建立预应力锚杆( 索) 模型，将完全与围岩固结在一起的锚根部分和自由段分 别用不同的单元来模拟。 朱维申、李铀【3 5 】通过有限元计算研究了预应力锚索的加固机理。在进行有 限元模拟计算时，将锚索的锚根模拟为实体单元，而自由张拉段则取作两节点单 元，即视为一对集中力作用。 李宁，韩垣，陈飞熊等【3 0 】采用摩擦接触型节理单元及绳式锚杆单元，同时 考虑关于加锚岩体、损伤断裂的“岩桥理论”，分析了单根锚杆和群锚的加固机 理。 丁秀丽、盛谦等 3 6 】采用三维显式有限差分法，通过建立预应力锚固数值模 型，同时进行一系列计算机模拟试验，研究了预应力锚索对三峡船闸高边坡岩体 的加固效果。 徐前卫，尤春安，朱合华【3 7 】根据预应力锚索中锚固段和自由段作用机理的 不同，采用空间杆单元来模拟锚固段，而自由段则用一种三维杆单元来模拟，即 具有一个自由度、两个结点的只允许轴向变形的线单元，其特有的双线性刚度矩 阵，使其只能够承受单向拉伸或单向压缩，而不能承受弯矩，当该单元选择单向 拉伸时，单元一旦受到压力，则刚度矩阵自动被删除。 通过预应力锚杆( 索) 与节理岩体的等效离散模拟，可以对锚杆( 索) 和节 理的细节进行详尽的描述。然而，锚杆( 索) 单元法通常是采用二结点或三结点 的杆单元，这种锚杆( 索) 单元有两个缺点：一是只考虑杆件的轴力而未考虑杆 件本身的抗剪作用，二是杆件个别区段转角不能协调。此外，当节理发育，锚杆 ( 索) 数量多时，计算工作量大。 1 5 节理岩体加固机理的研究现状 在节理岩体的加固机理方面，国内外很多学者都进行了相关模型和数值试验 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 研究并得出了一些有用的结论。 叶金汉等【3 8 】在室内进行了三轴压缩试验，对锚固岩体的一些参数进行了研 究，计算出了应力应变的强度，并绘制出应力应变曲线，分析出其破坏性状。经 研究得知：a 锚固岩体在三向应力状态下应力应变曲线由原先的脆性转变成弹塑 性，岩体变形量减少，强度和弹性模量增大；b 岩体锚固的作用是防止岩体变形， 加强岩体的抗剪强度，将岩体破坏的性状由脆性改变成弹塑性或者粘弹性状，由 此来加强岩体的稳定性；c 在岩性、锚杆质量和数量相同的情况下，锚固角为 3 0 0 时，加固的效果最佳。 李术才，朱维申【”】基于断裂损伤力学的方法，运用等效应变能原理，分析 了岩体在剪应力下锚固节理面的应力应变特点，构建了加锚断续节理岩体的本构 模型，并推导出损伤演化方程。构建的模型能够较准确地反映开挖卸荷阶段围岩 渐进破坏的规律，并反映出加锚岩体的力学性征。 陈卫忠【4 0 j 介绍了节理岩体中开挖硐室并加以锚固的模型试验，根据节理岩 体的特性，运用块体理论模拟了节理岩体中大型地下硐室丌挖与锚杆支护的变形 特征。同时，开展了开挖条件下节理围岩变形特性和锚固效应的模型试验研究， 得出了不同初始地应力场条件下，大型地下洞室分步丌挖和锚杆支护的围岩力学 行为的变化规律。其试验结果表明，围岩变形主要受节理变形控制，垮落区则完 全受开挖自由面和不连续面的不利组合的制约，岩体锚固可以显著地减少围岩变 形和破坏。 陈胜宏f 5 】首先提出了复合单元的概念与原理，同时提出了定量评价锚杆对节 理加固作用的理论公式，并研究了影响锚杆加固作用的一些重要因素，探讨了提 高锚杆加固作用的有效途径。 锚杆( 索) 对岩体工程的强有力支护作用已得到许多工程的检验【4 1 4 3 1 ，然而 当前( 索) 的力学模拟方法却不能很好的反映这一实际支护效果【删。由于工程 岩体本身及其锚固问题的特殊性和复杂性，目前此方面的研究尚处在初始阶段， 在理论研究、工程应用和锚固机理方面还有很多不足，例如：岩体节理的变形破 坏机理的理论研究结果还不能很好地与实验结果相吻合；对工程岩体变形破坏力 学机理的揭示还不够明了；在数值计算中如何模拟锚杆( 索) 与岩体的相互作用 也是广大力学工作者非常感兴趣的问题。 1 6 本文的研究内容和研究方法 本文主要有以下几个方面的内容： ( 1 ) 介绍节理的力学成因和其状态，分析非贯通节理岩体张拉扩展贯通、剪 切扩展贯通和拉剪复合扩展贯通的模型和强度准则，并根据塑性区最短距离判据 7 中南大学硕士学位论文 第一章 分析了裂纹的扩展方向。 ( 2 ) 介绍了六种具有代表意义的锚杆支护理论，对锚杆( 索) 有效锚固 度和最优锚固角进行分析。运用a n s y s 数值分析软件，对预应力锚杆( 索 锚固机理进行分析。 ( 3 ) 对巷道层状顶板预应力锚杆加固作用进行研究，并优化了顶板预应 杆的布置。 本文主要采用理论分析与数值计算相结合的研究方法。具体步骤如下： ( 1 ) 从理论上运用断裂力学，损伤力学等知识对节理裂隙岩体在荷载作用下 的变形破坏及其力学效应进行研究。 ( 2 ) 通过a n s y s 软件对锚索的锚固机理和节理岩体的预应力加固效应进行 分析研究，重点在于选用一种合理的方式模拟锚索并施加预应力。 ( 3 ) 运用一种有效的手段模拟岩层问的接触，并对巷道层状顶板预应力锚杆 加固作用进行研究。 中南人学硕上学位论文第二章节理岩体的破坏机理 2 1 节理的概述 第二章节理岩体的破坏机理 2 1 1 节理的力学成因及其特征 在构造地质中存在断裂构造与节理。断裂构造是岩石在断裂过程中产生的， 而节理是断裂两侧的岩石沿断裂面无位移或发生微量位移的断裂。节理都是在单 一受力点受到力的作用产生，从应力应变方面来说，是剪应力和张应力作用形成 了节理。因此，根据力学成因，节理分为剪节理和张节理【2