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山 东 科 技 大 学本科毕业设计（论文）开题报告题 目 锚杆锚固机理的实验与数值模拟研究学 院 名 称 资源与环境工程学院 专业班级 工程力学2009级 学生姓名 学 号 2009010308 指 导 教 师 填表时间： 2013年4月6日设计（论文）题目锚杆锚固机理的实验与数值模拟研究设计（论文）类型（划“”）工程实际科研项目实验室建设理论研究其它一、本课题的研究目的和意义伴随着社会经济的迅速发展，人类对地下资源的开发利用也日趋广泛。尤其在地铁隧道掘进、煤矿巷道开挖等领域发展迅速，面对各种复杂的地下工程，安全、高效、经济地进行开发一直是地下工程界需要解决的技术难点，而其中的一个关键问题是如何经济、有效地进行支护以保持地下巷道、铜室的稳定性。根据围岩作用机理的不同，巷道支护基本上可分为两大类：一类是用支架、砌体等直接支承围岩，称为支护；另一类是注入水泥浆或化学剂等来补强围岩，以发挥其自承能力，称为加固。从锚杆和围岩的相互作用关系来看，锚杆兼具支护与加固两种作用。锚杆支护作为一种行之有效的、经济优越的巷道支护方式，能充分利用岩土自身强度和自承能力，提高岩土体的强度，显著提高围岩的稳定性，加之具有支护成本较低、成巷速度快、劳动强度减轻、提高巷道断面利用率、简化维护工艺、明显改善作业环境和安全生产条件等优点，已被广泛应用于煤矿、金属矿山、水利、地铁隧道以及其他岩土工程中，成为世界各国矿井巷道、地下硐室的一种主要支护形式。锚固技术最早是产生于矿山巷道支护。早在1890年，北威尔士的煤矿加固工程，最先出现用钢筋加固岩层；1911年美国Aberschlesin的Friedens煤矿首先应用了岩石锚杆支护巷道顶板；1918年美国西利西安矿的开采首次采用了锚索支护。此后锚固技术的应用范围开始扩大。1934年阿尔及利亚的Cheurfas大坝的加高工程首次采用了10000KN级预应力锚杆作为抗倾覆锚固，这是世界上第一例采用预应力锚杆加固坝体，并获得成功。在以后的时间里，先后有印度的坦沙坝、南非的斯登布拉斯坝、英国的亚格尔坝和奥地利的斯布列希坝也同样采用了预应力锚杆加固1。20世纪40年代，美国、前苏联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迅速得到了发展。西欧、中欧一些主要产煤国家，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。几十年来，世界锚杆支护经历了如下发展历程2：19451950年，机械式锚杆研究与应用，主要形式为楔缝式、涨壳式、倒楔式等；19501960年，采矿业广泛采用机械式锚杆，并开始对锚杆支护进行系统研究；19601970年，树脂锚杆推出并在矿山得到应用；19701980年，发明管缝式锚杆、胀管式锚杆并得到应用，同时研究新的设计方法，长锚索产生；19801990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。美国一直采用锚杆支护巷道，锚杆消耗量很大。锚杆种类也较多，有胀壳式锚杆、树脂锚杆、复合锚杆等。组合件有钢带和精架。具体应用时，根据岩层条件选择不同的支护方式和参数。锚杆支护发展最快的是英国。在1987年以前，英国煤矿巷道支护90%以上采用金属支架，而且主要是矿工钢拱形刚性支架。由于回采工作面单产低、效率低、巷道支护成本高，因而亏损严重。为了摆脱煤炭行业的这种困境，在巷道支护方而积极发展锚杆支护，但没有取得很大的进展。到1987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。经过近10年实验的基础上，又做了改进和提高，到1994年在巷道支护中所占的比重已达到80%以上。锚杆支护技术的广泛采用给英国煤矿带来巨大的活力和经济效益。因此，研究锚杆锚固机理可以帮助人们更深入的理解锚杆支护的力学机理，应力分布情况，对锚杆的设计与保持硐室、巷道稳定性施工具有重要的理论与实际意义。二、本课题的主要研究内容（提纲）本文将依据现有的相关研究成果以及所学习的理论知识，对粘结式锚杆锚固剂与围岩界面应力分布和新型大变形锚杆承载力产生机理及随时间变化规律开展研究。主要研究内容如下：1. 分析粘结式锚杆在不同载荷下锚固剂岩土体粘结面应力分布及变化，总结粘结式锚杆锚固力与载荷间的关系；2. 分析粘结式锚杆不同锚固长度对粘结面上应力分布的影响；3.模拟围岩运动（趋势）时，粘结面上应力分布规律；4. 对一种冷拔式高强恒阻大变形锚杆16进行实验研究，验证金属冷拔原理在该型大变形锚杆应用的可行性，分析该新型锚杆拉拔力产生机理以及它相对于粘结式锚杆的哪些优点；5. 对该新型锚杆进行数值模拟，观察锚杆工作工程中塑性变形情况，分析拉拔力和位移随时间的变化情况以及变化规律。结合实验结果，分析该锚杆拉拔力的影响因素和该锚杆的大变形效果。三、文献综述（国内外研究情况及其发展）对锚固的力学机理的认识与理论研究开始于20世纪中叶。目前，对岩土锚固技术理论方面的研究的主要工作可分为以下两大类：（1）以锚固体为主要研究对象，研究锚固体与岩土体之间力的相互作用，即锚固体和岩土体的力学传递机理。探讨作用在锚固体上的应力分布状态以及所产生的力学效应，以优化锚固体系和锚固体的力学参数，为岩土锚固技术的设计和计算提供理论依据。（2）以岩体为主要研究对象，研究锚固系统对岩体的加固机理，即锚固系统对加固体所产生的力学效应，又称锚固效应。探讨锚固后，岩体所产生力学性态的变化，如弹性参数的变化、强度参数的变化、断裂损伤参数的变化以及如何应用新的本构关系对加固体进行描述等。对荷载传递机理的研究，英国、美国、法国、加拿大、澳大利亚等国处于国际领先地位。主要内容为荷载从锚杆(索)转移到灌浆体力学机理研究及灌浆体与钻孔孔壁间力学机理的研究4。Hanson5和Goto6研究发现注意到锚杆杆体表面上存在着微观的皱曲，这种粗糙的表面对锚固力起着至关重要的作用，在锚杆杆体与灌浆体之间力的传递主要为粘结力，但是如果荷载继续加大，在锚杆杆体与灌浆体之间产生了位移，这时粘结力破坏，两者间的摩擦阻力成为力的传递的主要形式。这些研究表明，锚杆杆体表面的粗糙程度和自身的强度是影响锚固力的主要因数。在锚固系统中，力的传递由锚杆杆体到灌浆体，再由灌浆体到岩土体，灌浆体与锚杆杆体界面的性质不是该系统力学传递的研究重点，研究重点应放在灌浆体自身的性质以及与岩土体的界面性质上4。在锚固段的设计理论上，由于不清楚锚固段的应力分布规律以及随着荷载的增大应力的变化情况，长期以来人们一直引用当锚固处于极限状态下，沿锚固段剪应力均匀分布的假设4，即锚固体所承受的最大的荷载为：式中 锚固体半径；锚固体长度；锚固体与岩体间粘结强度。该方面的研究主要代表英国的小约翰7根据实验结果获得的锚固体与岩土体间的粘结强度的实验值，A.Serrano.和C.Olalla.8等根据Hoek-Brown准则得出锚固粘结强度的经验公式。Fujita9等总结了30例现场实验成果，提出了临界锚固的概念，认为锚固体超过这一长度，则锚固力增加很少。A. Kilic,E. Yasar A.G Celik10对全长粘结式锚杆的锚固力受锚杆长度、锚杆直径、注浆材料的强度和水灰比等因数的影响进行了实验研究指出：锚固力的大小可以通过改善注浆材料的力学性质，如改善注浆材料水灰比、搅拌时间、外加剂等；增加锚杆直径和锚杆长度可增加锚固力，但是最大不超过锚杆材料的抗拉强度。最近，A. Kilic E. Yasar和C.D.Atist11通过了实验，讨论了不同形状的锚杆对锚固力的影响。我国的岩土工程界，在对荷载传递机理的研究方面也取得了不少成就，程良奎等12对上海太平洋饭店和北京京城大厦两个深基坑工程的拉力型锚杆锚固段粘结应力的分布形态进行了测定，分析后认为：（1）沿锚固段的粘结应力分布是很不均匀的。粘结应力从锚固段的近端逐渐向远端减少。随着张拉力的增加，粘结应力峰值逐渐向远端转移。（2）粘结应力主要分布在锚固段前端的8m10m范围内，即使在最大张拉荷载作用下，锚固段远端的相当一段长度内，几乎测不到粘结应力值，换言之，当锚固体长超过某值后，则长度的增加对锚杆承载力的提高就极其有限了。一般推荐土层锚固段长度不宜超过10m是有其力学依据的。（3）在外力作用下，拉力型锚杆的锚固体有严重的应力集中现象。应力峰值点的转移，也说明锚固段前端可能已出现局部破坏。这固然并不意味着锚杆承载力的消失，但会加速锚杆的腐蚀。张季如和唐保付24假定锚固体与锚杆周围岩土体之间的剪应力与剪切位移呈线性增加关系，导出了出了锚杆荷载传递的双曲函数模型，获得了锚杆摩阻力和剪切位移沿锚固长度的分布规律及影响因素。分析表明，锚杆的剪切位移、摩阻力分布和临界锚固长度均取决于锚固体与锚固层之间的剪切模量与锚固体弹性模量之比值，与锚固体长度无关。近20年来，随着实验方法的不断改进和计算机科学的不断发展，许多专家和科研院所通过室内实验、现场实验和数值仿真等手段对锚固的作用机理问题做了深入的研究3.13.14。高永涛等46和崔政权等47采用数值模拟方法探讨了锚固段的应力分布规律。在进行岩石锚固效应的室内大比例实验中，发现岩块是被穿过它的锚杆锚固在了一起，提高了岩石的抗剪强度和整体性，并保持了锚杆间岩块的镶嵌和咬合效应，从而限制了岩块的松动和掉落。现代锚固技术得到了迅猛发展，取得了不少成果。但是由于地质条件和工程技术条件复杂多变，而锚杆又埋设在岩土体中，给锚杆力学行为及锚固机理的研究带来了很大困难，现在有关锚固理论研究都是在限定条件下和理想化的基础上进行的。因此，目前对锚杆支护作用的了解还不够深入，岩土工程界对锚杆加固机理仍没有取得统一认识。锚固理论的研究尚处在初始阶段：（1）锚杆沿全长的应力分布还不能得到正确地描述在锚固理论发展的早期，人们直观地认为，当锚固段在极限荷载条件下，作用在锚固体上的剪应力沿锚杆长度呈均匀分布。直到现在锚杆设计中还是采用锚杆承载力与锚固长度成正比的计算公式。并且设计时采用很大的安全系数，各参数的选取比较保守，造成了很大的资源浪费。实际上，许多学者通过现场实验和实测数据注意到在锚固段上剪应力的不均匀性。虽然很多学者做了不少有益的探索，得出了一些计算锚固力的公式，但由于假设与实际条件不符，不能正确地反映锚固状态的实际情况。所以，如何获得锚固段剪应力的具有普遍意义的分布规律，为锚固的计算和设计提供理论依据，成为锚固理论的发展的一个关键问题。（2）缺少影响锚固体应力分布因素的系统研究锚固体应力分布受很多因素的影响，例如：锚固长度、荷载等因素的影响。理清这些问题将对锚杆设计起到重要的意义，对于这些因素的系统研究，到目前为止还比较少。在大变形锚杆研究领域，随着大规模地下工程的建设和开采深度不断增大，面临的地质条件越来越复杂，围岩产生大变形破坏的现象非常普遍。巷道经常发生冒顶、非对称两帮变形、严重底眺、岩爆等非线性大变形破坏现象，基于传统支护材料的锚杆支护技术已经很难控制上述巷道围岩大变形问题。目前，对于巷道、硐室围岩控制，主要依靠锚杆(索)加固体系及其衍生支挡结构工程。现有基于传统锚杆(索)体系的支护和加固理念已经无法适应岩土体弹塑性大变形演变规律(软岩大变形、冲击大变形、突出大变形、发震断层大变形等)，巷道支护和监测过程中出现部分锚杆(索)端部断裂、中部拉断、支护区域多次返修、钢架扭曲破坏失效等事故。 针对粘结锚杆遇到的这一问题，需要通过结构大变形和材料大变形来抵抗围岩大变形破坏。1968年，Cook和Ortlepp首先提出了可屈服支护设备的概念，并将其用于南非的深部金矿巷道支护15。国内外对大变形锚杆的研究已经有20余年的历史。1992年，Windsor CR和Thompson AG. 最先提出理想的锚固装置的概念。理想的锚固装置应该既有足够的强度，又有良好的变形特性。在高应力作用下随围岩变形，锚杆迅速达到接近材料本身强度的荷载，在保持高荷载的情况下，变形距离可以达到足够长。在此过程中，不断吸收围岩的变形能量，所以也称为能量吸收锚杆。虽然这种概念很早就被提出，但是技术上实现却非常困难。四、拟解决的关键问题1、粘结式锚杆锚固系统和新型大变形锚杆有限元模型的建立，包括各项参数的选取；2、通过数值模拟，分析得出锚固剂与岩体粘结面上应力分布及变化规律；3、通过实验与数值模拟，验证金属冷拔原理在新型大变形锚杆设计中应用的可行性，分析锚杆拉拔力的产生机理及大变形效果，总结得出拉拔力和变形随时间的变化规律以及影响大变形锚杆拉拔力的因素。五、研究思路和方法查阅文献，对所选课题进行初步的了解。在此基础上，仔细阅读与课题紧密相关的文献资料，为课题的进行做好准备。查阅相关文献，建立起粘结式锚杆和冷拔式高强恒阻大变形锚杆有限元模型，确定各项相关参数。实验部分，首先试件的测量准备工作，其次开展静力拉拔实验，最后，采集数据分析。通过数值模拟和实验，得出粘结式锚杆锚固剂与岩体粘结面应力分布及变化规律，分析冷拔式大变形锚杆的工作机理，研究拉拔力的变化以及变形随时间的变化规律。六、本课题的进度安排1、2013.04.02-2013.04.08 阅读整理文献资料，撰写开题报告2、2013.04.09-2013.04.15 学习粘结式锚杆和大变形锚杆相关的理论知识和ANSYS软件3、2013.04.16-2013.05.01 建立粘结式锚杆锚固系统有限元模型并分析4、2013.05.02-2013.05.16 对冷拔式高强恒阻大变形锚杆进行实验、分析5、2013.05.16-2013.05.26 对冷拔式高强恒阻大变形锚杆进行数值模拟6、2013.05.27-2013.06.10 撰写论文初稿6、2013.06.10-2013.06.14 修改论文，制作PPT，准备论文答辩七、参考文献1 徐波.粘结型锚杆锚固理论与试验研究D.大连:大连理工大学博士学位论文,2006.2 宋海涛等.锚杆支护现状及其发展J.矿山压力与顶板管理,1999.3 程良奎,张作瑁,杨志银.岩土加固实用技术M.北京:地震出版社,1994.4 张乐文等.岩土锚固理论研究之现状J.岩土力学,2000,23(5):627-631.5 Hansor N.W., Influence of surface roughness of prestressing strand on band performanceJ,Journal of prestressed Concrete Institute,1969, 14(1):32-45.6 Goto Y.,Cracks formed in concrete around deformed tension barsJ,Journal of American Concrete Institute,1971,68(4):244-251.7 张发明.岩质边坡预应力锚固效应及应用研究D.南京:河海大学博士学位论文,2000.8 Fuller P G., Cox R H T. 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