开题报告-考虑峰后特性的隧道围岩锚固力学效应

1、湖南大学硕士研究生毕业（学位）论文开题报告姓 名肖旺学号S130110007已修学分32所属学院土木工程学院一级学科土木工程二级学科岩土工程指导教师苏永华(教授)开题时间2015.01研究方向隧道围岩与地下工程论文题目考虑峰后特性的隧道围岩锚固力学效应一、文献综述 在地下开挖中，如果应力超出岩体峰值强度，会导致围岩非线性的体积膨胀，而且这种膨胀是不可逆的，在岩体力学中称为扩容。在深部开采工程中，由于开挖卸载导致围岩的应力重分布产生的扩容现象是普遍存在的，因此，为了安全高效的深部岩体支护开挖设计，考虑岩体的扩容特点致关重要。 隧道开挖以前，地下岩体在特定地应力中出于三轴的平衡状态，隧道一旦开挖，

2、这个平衡就会被破坏，围岩应力会重新分布。洞周围岩应力重新调整导致围岩自临空面向外依次出现：塑性残余区、塑性硬化区、弹性区。对于上述各区的划分，国内外很多学者在有关论文中都有论述。隧道围岩在峰前和峰后力学性质差异显著。塑性残余区、塑性硬化区、弹性区的力学行为与岩石的全应力-应变曲线中相应段是对应的。弹性区对应于弹性变形阶段，塑性硬化区对应于塑性硬化阶段，塑性软化区对应于岩石峰后软化阶段，塑性流动区对应于残余破坏阶段。试验结果表明，在低围压的作用下，软弱岩石呈脆性，表现出明显的塑性应变软化特性，应变软化阶段和残余阶段对围压有很强的敏感性；在高围压作用下，软弱岩石从脆性转为延性，岩石塑性应变软化特性

3、逐渐减弱，岩石峰值强度与残余强度之间的差距逐渐缩小，逐渐表现出理想塑性特征。而锚杆的加入使围岩围压增大，围压的增大会使扩容量随之减弱。因此深入研究锚杆与软岩作用机理非常重要。隧道围岩应变软化与塑性扩容研究理论解析方面袁文伯，陈进等根据岩体应变软化的变形特性, 建立了弹塑性软化模型, 分析了软岩巷道围岩塑性区和破碎区的力学性态。提出在塑性软化阶段，岩体强度随变形发展而衰减主要是由于内聚力变化的结果，围岩承载能力将随应变发展而衰减, 所以为了充分利用围岩的承载能力, 进行岩体内加固以控制其软化程度, 提高其残余强度能取得良好（本表可附页）的支护效果。例如, 使用锚杆加固和注浆等方法。在隧道围岩支护

4、中应重视岩体内加固方法的研究和应用。提出巷道围岩的内加固和外部支撑是两种不同性质的支护形式。前者增加岩体本身的强度、改善其软化程度, 从而提高了岩体的承载能力, 后者与围岩相互作用, 给围岩提供抗力，从而提高围岩的稳定性。采用两者联合的支护形式将更有效。付国彬，姚国圣等考虑岩石破裂后强度衰减（应变软化）和体积膨胀的重要特征，导出了巷道围岩破裂区半径、塑性区半径和周边位移的解析计算公式。并给出了围岩塑性状态的判定。研究表明，应变软化程度对围岩破裂范围有直接影响，进而影响巷道收敛；破裂膨胀性对围岩破裂范围影响不大，但对巷道收敛影响显著；围岩处于破裂状态时，巷道收敛主要是由处于参与强度的破裂区围岩的

5、剪胀变形引起的。减少破裂区半径应作为巷道布置、支护设计与施工的一个重要原则。马念杰等用岩体的全应力-应变曲线取代H.Kastner的理想弹塑性或Airey的理想脆塑性力学模型而建立的应变软化模型, 提出了圆形巷道围岩塑性半径及应力的通解, 适用于理想弹塑性模型、应变软化和应变硬化等各种力学模型条件下的巷道围岩压力分析。对于岩体的峰后破坏曲线难于简化成直线的情况更为有效。较为客观地反映了岩体出现破坏后强度随应变增加而降低的重要特性。刘夕才，何满潮等基于Mohr-Coulomb强度准则和非关联弹塑性准则分析轴对称软岩巷道的变形规律，推导出了巷道弹塑性变形的位移理论解，并给出了现有应力与位移理论解的

6、适用条件。引入塑性流动法则，分析软岩剪胀角对巷道围岩塑性体积应变、围岩位移分布和地层特征曲线的影响。范文等基于渝茂宏统一强度理论，考虑某些材料屈服后的强度衰减（塑性软化）和体积膨胀的特点，用弹性-塑性软化-塑性残余三线段应力-应变模型推导了洞室围岩塑性残余区半径、塑性软化区半径、洞周位移，围岩内任一点应力及围岩压力的解析公式，给出了洞室围岩所处应力状态的判别式。通过实例分析了剪胀、软化及不同强度模型对结果的影响。该结果在洞室围岩稳定性分析和加固等方面具有一定的工程实用价值。温森等将非关联流动准则及Hoek-Brown准则相结合并进行理论推导，分析出了围岩开挖卸载过程中应变软化区域的分布特点及围

7、压强度参数随塑性变形增加的变化规律，为隧道工程的数值计算提供了重要参考。蒋斌松等基于Mohr-Coulomb强度准则和非关联弹塑性准则，将巷道分成破裂区、塑性区和弹性区，获得围岩应力和变形的解析解。通过算例，分析其破裂区和塑性区应力、应变的分布特点以及破裂区范围的影响。利用所得的结果，可以为巷道稳定性分析以及支护设计提供理论依据。张小波等基于Drucker-Prager准则和非关联流动法则，建立剪胀角与软化区扩容系数的关系，计算出弹塑性区应力、位移和塑性区半径的解析表达式。通过算例分析了不同影响因素对巷道塑性区半径和位移的影响。分析结果表明：降低软化模量和提高支护阻力能不同程度地控制围岩的变形

8、；软化主要影响塑性残余区半径而扩容主要影响围岩的位移。分析结果可以为巷道稳定性评价和支护定量设计提供理论依据。曹文贵等结合在新型岩石损伤模型已有研究的基础上，利用岩石微元强度的正态分布规律，建立能反应在不同围压下岩石应变软化变形全过程的损伤统计本构模型；通过研究建立了不同围压条件下的岩石应力-应变曲线的特征及其在围压强度下强度参数之间的关系，并提出岩石损伤过程中的应变软化本构模型参数确定方法。 数值模拟方面陆银龙等对破碎岩体注浆加固后的力学特性进行分析，并基于FLAC软件的应变软化模型，分析研究了开挖支护过程中的最佳锚杆注浆时机，通过数值计算的方法提出一种综合运用监测数据反馈及数值模拟优化来确

9、定巷道最佳锚注支护时机的方法。王红英等对岩体应变软化模型条件下的变形机理进行分析，并认为围岩产生局部化的前提条件为岩体变形进入峰后残余破坏阶段。基于FLAC数值模拟软件对地下洞室围岩开挖卸载过程中的应力变形状态，以及破坏接近指标对围岩完整状态进行描述。研究结果表明，岩体应变局部化与岩体峰后变形特征有关，并认为这是岩体应变软化模型特有属性，理想弹塑性模型并不能产生应变局部化。 苏永华等基于深部地下工程围岩反复承受地质力作用和开挖扰动，其完整性和力学性能弱化的现实，认为其应力应变关系服从峰后软化的遍布节理模型，根据岩石峰后应力应变特征选定了围岩的峰后特征指标及其开挖响应方程.利用FLAC3D数值软

10、件，建立了数值实验模型,设计了开挖数值模拟的围岩响应监控方案.完成了大量的开挖数值模拟,实现了深部围岩分层断裂现象在数值模拟中的重现.试验研究方面李文婷等基于Mohr-Coulomb强度准则，将摩擦角作为应变函数的中间变量，将岩体峰后弹性模量跌落特征表征为应变的函数，建立岩体峰后非线性应力-应变关系。通过数值模拟得到大理岩在不同围压下的应力-应变曲线，其数值计算结果与试验结果基本吻合，所提供的模型可以较好的描述不同围压下大理石的峰后力学行为。 陆银龙等通过对软弱泥岩进行理想三轴压缩试验，得到不同围压下的全应力-应变关系曲线，并以Mohr-Coulomb极限破坏条件的假设为基础，通过试验数据进行

11、分析，建立以广义粘聚力和广义内摩擦角等参数来描述软弱岩石峰后屈服破坏模型。赵星光等结合经典弹塑性力学理论，对7种深部开采中的典型岩石材料进行不同围压条件下的体积应变测量试验研究，对所得数据采用非线性拟合方法建立考虑围岩和塑性剪切应变影响的非线性剪胀角模型。并以改模型为基础，对隧道开挖卸载工程中的岩石剪胀角与恒定的岩体剪胀角对锚杆受力影响的差异性，由于锚杆支护增加岩体围压，抑制高剪胀区的扩展，从而减小隧道围岩的变形。在地下工程支护设计中，应重点支护紧邻开挖面低围压环境的岩体以有效地控制其破坏和膨胀变形。 （2）锚杆支护力学机制研究 侯朝炯,勾攀峰等通过室内试验和理论分析，研究了锚杆支护对锚固范围

12、围岩峰值强度和残余强度的强化作用以及对锚固体峰值强度前后E,c,值等力学参数的改善，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。研究结果表明安装锚杆使锚固区岩体强度强化后可以有效减小巷道围岩塑性区、破碎区半径及巷道表明位移。 朱浮声，郑雨天等详细讨论了预应力全长粘结式锚杆通过改善围岩力学参数对岩体的加固作用，给出加固岩体的等效力学解析表达式。这些结果可直接应用于围岩-支护相互作用分析已有的解析解中，并通过控制围岩边界位移量进行锚杆支护参数设计。 张季如：假定锚固体与锚杆周围岩（土）体之间的剪力与剪切位移呈线性增加关系，建立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

13、固长度的分布规律及其影响因素。 朱训国等用Mohr-Coulomb、HoekBrown以及DuncanChang理论分别分析了块状和碎块状岩体锚固后的物理效应，在一定的假设条件下，推导了锚杆或锚索与注浆体耦合下的解析本构模型，并对其进行了参数分析。通过分析认为，岩体锚固后可以有效地提高岩体的凝聚力和软弱结构面的抗剪强度，增强岩体的弹性模量，改善岩体的力学性质。方勇，何川等提出了一种新的锚杆计算模型，建立了对应的物理、几何和平衡方程，在此基础之上分析了接触面产生滑移时锚杆的内力分布。该模型体现了锚杆与均质围岩之间的力学作用本质，剪力是由锚杆与围岩的相对位移引起的，将锚杆内力描述为围岩位移的函数，

14、与有限元法结合，可以求得复杂情况下的锚杆内力分布，而锚杆对围岩的作用等效于一组节点荷载施加到围岩节点上。实例计算表明，锚杆可以减少围岩位移和塑性区范围，其内力分布和中性点位置受锚杆长度、埋设位置、围岩状况、粘结强度等因素的影响。该模型为确定合理的锚杆支护参数提供了一种新途径。 汤伯森等本文从现场量测资料出发, 拟定锚杆应变深度曲线的数学模型, 据此求解锚杆的应力与位移。将锚杆对围岩的反力简化为轴对称径向体积力, 根据莫尔-库仑屈服条件求解锚固区径向应力。将锚固区视为承载结构, 按照传统支护的围岩变形公式确定锚杆支护的围岩变形。以轴对称解为基础,考虑围岩的周向非均匀变形, 从锚杆与其轴线处围岩的

15、应力应变关系入手, 建立锚杆与围岩的变形协调条件, 提出了求解砂浆锚杆支护问题的基本方程。锚固区径向应力是由两个部分构成的，一是无支护的围岩应力，二是 锚杆附加应力。因此， 深处围岩的应力随锚固区应力的增加而提高。所以，深处围岩应力的提高可以促使弹塑性分界面向巷道中心移动， 减小塑性区半径，因而减小了围岩变形。这就是砂浆锚杆可以提高围岩稳定性的原因。在围岩中设置预应力锚杆后，将在围岩中产生附加的锚固应力，尤其在锚杆群作用下，围岩又变成了三向应力状态。由于岩石的抗压强度远大于其抗拉强度，可通过调整围岩的应力状态来有效地提高围岩的稳定性。刘全林等认为锚注支护是将锚喷支护与注浆加固有机结合的一种主动

16、支护方法。根据其机理，将注浆锚杆简化为作用于围岩的一种体积力，并将注浆作用看作对围岩力学性能的改变，以此建立了锚注支护计算的力学模型。文竞舟, 张永兴等分析围岩弹塑性介质中全长黏结式锚杆的锚固界面层应力分布和变化特征，根据全长锚杆微段的受力平衡以及锚固界面层剪应力的传递机制建立了关于锚杆轴向位移的微分方程，通过求解锚杆轴向位移的微分方程可得到锚杆与围岩相互作用下的轴向载荷和锚固界面剪应力的分布函数。然后将锚杆界面剪应力对围岩的支护反力转化为圆形隧道轴对称径向体积力，进而求解有锚喷支护作用下圆形隧道围岩塑性区半径。在此解析模型基础上，可对隧道围岩-支护系统进行详细的分析和评判。二、选题背景及意义

17、 在隧道开挖过程中引起的应力集中如果超过岩石的峰值强度，会导致岩石峰后软化和峰后扩容，前者导致围岩承载能力下降，而后者是导致围岩大变形的主要原因。圆形隧洞围岩的变形与压力的弹塑性力学分析最早是由Fenner提出来的，后来Kastner作了重要修正，但他们都假设隧洞围岩为理想弹塑性介质，且认为岩体破坏后无体积变化，这与实际情况具有一定偏差，特别是软弱或破碎岩体隧道的开挖必将导致围岩非线性体积膨胀，产生扩容变形。Fenner和Kastner认为，在岩体进入塑性以后，其变形破坏规律呈理想塑性，C,是不变的。以此作为依据进行地下隧洞围岩弹塑性分析存在较大的误差。实验研究表明，隧洞围岩塑性软化区岩体裂隙

18、的发展、贯通而导致C,的衰减是该区岩体强度降低的主要原因，隧洞围岩的变形破坏过程实质是岩体内的裂隙与贯通过程。试验结果表明，在低围压的作用下，软弱岩石呈脆性，表现出明显的塑性应变软化特性，应变软化阶段和残余阶段对围压有很强的敏感性；在高围压作用下，软弱岩石从脆性转为延性，岩石塑性应变软化特性逐渐减弱，岩石峰值强度与残余强度之间的差距逐渐缩小，逐渐表现出理想塑性特征。而锚杆的加入使围岩围压增大，围压的增大会使扩容量随之减弱。 隧洞围岩软化模型的建立： 许多研究者将围岩变形的全过程概括为：“三线段模型”；现场测量和室内试验结果都表明围岩塑性软化区的应力和应变关系并非直线，本文将围岩塑性软化区的应力

19、和应变关系简化为直线。并构建内聚力软化模型。 随着巷道开挖的完成，围岩的弹性变形和塑性变形即告结束，要维护巷道空间的稳定，必须限制围岩的进一步变形，即剪胀变形的发展。预应力锚杆是在巷道开挖完成时及时地给围岩比较高的初撑力，有效阻止了围岩剪胀变形的发展，它强调的是早承载、快承载。 锚杆支护围岩强度强化理论认为在围岩巷道中系统地布置锚杆后，可以提高围岩的整体强度，形成承载结构，改善围岩的应力状态，减少巷道表面的位移，控制围岩破碎区和塑性区的发展，从而保持巷道围岩的稳定性。锚杆支护围岩强度强化理论主要论述了锚杆对提高围岩峰值后强度和残余强度的作用，比较客观地揭示了锚杆在支护破碎围岩中的作用。在隧洞围

20、岩中施加锚杆，锚杆的锚固作用体现 在径向和切向的锚固力的作用。径向锚固力对围岩施加围压，围压增大使应变软化程度降低，残余强度增大。锚杆贯穿围岩的软弱面，切向锚固力改善软弱面的力学性质，使围岩抗剪强度参数，提高，进而降低围岩软化模量，从而改善隧道围岩的力学性质。（本表可附页） 现代支护理论认为，巷道围岩支护应充分发挥围岩自承能力，以围岩来支护围岩。围岩的自承能力是由巷道的断面形态和围岩本身的物理性质决定的。研究表明，塑性硬化区是围岩承载的主体，当围岩变形达到稳定时，塑性软化区和塑性残余区是实施支护的主要对象，因此确定围岩承载单元的几何形状就决定了对巷道围岩的支护范围。在巷道围岩变形的4个力学分区

21、中，对围岩压力有支承作用的是塑性硬化区和塑性软化区，前者处于峰前变形阶段，岩体比较完整，虽然局部出现了一些裂隙，但这些裂隙规模较小，还没贯通，本区承载能力大，成为峰前承载拱；而后者处于峰后变形阶段，许多裂隙已经贯通，岩体强度已经损失一部分，但还有一定的承载作用，如不及时采取支护措施，岩体损伤会继续发展，这一承载拱成为峰后承载拱。这两部分承载拱都是在没有采取人工支护的前提下发挥承载作用的，我们将两者成为原生承载拱。原生承载拱是在巷道开挖初期是不稳定的，变化的，随着应力的调整，最大主应力集中区向围岩内部扩展，原生承载拱逐渐向围岩内部转移，塑性残余区逐渐加大，这时就要控制巷道的变形和破坏，就必须在适

22、当的时间实施支护。 锚杆支护目的就是在变形没有达到稳定的情况下，给围岩一个径向支护，增大围岩，提到围岩的岩体强度，促使稳定塑性硬化区和塑性软化区承载岩拱的形成，塑性残余区松动岩体不垮落，这样，支护系统和原生承载拱就形成了一个复合承载拱。承载拱分两层结构，内层相当于塑性软化区，外层相当于塑性硬化区。全长粘结式锚杆主要通过外支撑和内加固的形式作用于围岩。外支撑提供径向抗力施加围压，围压的增大会使扩容量随之减弱，因此可以减少体积扩容。内加固一方面通过提高残余区力学参数，降低围岩软化模量；另一方面将锚杆界面的剪应力以体积力的形式引入圆形隧道围岩中。本文在前人研究的基础上考虑峰后围岩变形的应变软化及塑性

23、剪胀扩容特性，并结合全长粘结锚杆的加固机理，对圆形洞室围岩在锚杆支护作用下进行弹塑性分析。三、研究的主要内容引入软化模量，构建岩体峰后应变软化模型。引入剪胀角，基于非关联流动准则构建弹塑性扩容模型。研究软化模量、扩容系数（剪胀角）对围岩应力及变形的影响。建立全长粘结锚杆力学分布方程，获得锚杆轴向应力、剪切应力解析方程。并将锚杆界面的剪应力以体积力的形式引入圆形隧道围岩中。构建围岩-支护力学模型，研究锚杆的介入对隧道围岩位移、应力及塑性区范围的影响。利用FLAC-3D软件做数值模拟，并与理论解进行比较。（本表可附页）四、工作的重点与难点，拟采取的解决方案本文的工作重点和难点在于：1注浆全长锚杆力

24、学状态分布的确定，锚杆界面的体积力方程；2围岩软化模量的确定；塑性软化区内聚力与内摩擦角值，塑性剪切应变的确定；3注浆体与围岩性质的差异，内摩擦角的软化。4锚杆作为支护既有外部支撑又有内部加固，如何区别考虑其作用机制。拟采取的解决方案：1将注浆体与围岩性质视为一致；2假定锚杆界面剪应力与剪切位移成正比；3不考虑内摩擦角的软化，只考虑内聚力软化；4用等效的外支撑阻力代替锚杆外支护阻力，并相等的外支护阻力锚杆进行比较。（本表可附页）论文工作量及进度(1)2014.09-2015.02收集资料，阅读文献(2)2015.02-2015.04总结当前期刊、规范等资料中岩体应变软化和塑性扩容的分析方法，了

25、解其分析过程，了解求解全长粘结锚杆应力分布的理论方法和实验方法。(3)2015.04-2015.09根据不同的围岩级别进行相似模拟试验，测定数据、进行综合分析、对照 撰写小论文，并初步形成论文提纲(5)2015.10-2016.03 完成论文写作、修改定稿、准备答辩（本表可附页）六、论文预期成果及创新点论文预期成果：考虑围岩峰后塑性软化和峰后体积扩容特性，结合锚杆加固机理，构建了锚杆-围岩界面剪应力模型，并将锚杆界面剪应力对围岩的支护反力等效为径向体积力构建平衡方程。同时考虑了弹塑性介质的软化、剪胀等参数特征，具体在如下几个方面获得进展：1 岩石峰后塑性软化程度对围岩塑性区范围有极大影响。锚杆

26、内加固降低软化模量，使围岩内的应力升高区由围岩深部向洞壁扩展，很大程度上控制了塑性区范围。 2 岩石峰后体积扩容对洞室周边位移影响显著，增大锚杆外支撑阻力能有效约束其位移发展，进而控制塑性残余区变形。3 巷道围岩的外部支撑和内部加固是两种不同性质的支护形式。前者给围岩提供抗力，增大围压，减少体积扩容；后者改善岩体本身的力学性质，改善其软化程度。4 利用FLAC-3D数值模拟考虑围岩扩容的变形，应力特征。调出锚杆的轴向应力、剪切应力分布。创新点：1 考虑围岩峰后软化和峰后体积扩容特性。2 考虑锚杆的支护力学效应，构建锚杆-界面剪应力模型，并将锚杆界面剪应力对围岩的支护反力等效为径向体积力构建平衡

27、方程。3 考虑锚杆对围岩的加固效应，改善围岩软化模量和力学性质。4 通过FLAC-3D数值模拟与理论解析值进行比较。（本表可附页）完成论文拟阅读的主要文献郑颖人，沈珠江，龚晓南.岩土塑性力学原理M北京：中国建筑工业出版社，2002于学馥，郑颖人等.地下工程围岩稳定分析.北京：煤炭工业出版社，1983朱浮生. 锚喷加固设计方法M.北京：冶金工业出版社，1993郑颖人.地下工程锚杆支护设计指南M.杭州：浙江大学出版社，1989.李志业，曾艳华.地下结构设计原理与方法M. 成都：西南交通大学出版社, 2003.何满潮，景海河，孙晓明.软岩工程力学M.北京：科学出版社，2002.E.Hoek，E.T.

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