复合锚固类结构关键技术研究

汇报人：曾宪明（研究员）

王启睿（工程师）总参工程兵科研三所二〇一〇年十二月复合锚固类结构关键技术研究11研究背景和关键问题一览2研究内容3主要研究结果与结论

3.1大规模事故调查与定量分析

3.2临界锚固长度问题研究

3.3平均剪应力及诸界面剪应力相互作用关系问题

3.4新型结构的优化设计方法研究与应用4主要创新点汇报提纲2失事工程243例失事原因311条1.研编背景和关键问题一览工程事故频发“施工”46.9%“设计”39.9%“投资方（大包方）”6.4%“勘察”3.9%“监理”2.3%“规范”0.6%失事原因概率分布3设计理论有误施工工艺不正确投资方、大包方盲目压价勘察不细监理不严格规范参数指标有误很多问题未搞清楚科研浮躁，不求甚解工程失事原因：1.研编背景和关键问题一览4关键问题

1.概述☆2.锚固类结构诸界面剪应力相互作用关系问题☆3.锚固类结构杆体临界锚固长度问题☆4.平均剪应力设计方法问题☆5.微观结构理论应用范围问题

6.锚固类结构的“定时炸弹”问题☆7.锚固类结构的3个“同时转移”特性问题1.研编背景和关键问题一览5☆8.复合锚固结构加固支护的优化组合问题☆9.地下工程新型复合锚固结构优化设计方法问题

10.国外“屈服锚杆”、“吸能锚杆”的借鉴应用研究问题

11.影响锚固类结构应用的特殊地层的钻孔机具问题1.研编背景和关键问题一览6

12.影响锚固类结构应用的某些特殊不良地层边坡的破坏模式问题

13.锚固类结构支护边坡破坏的临界位移速率问题☆14.锚固类结构抗动载效应与机理问题☆15.锚固类结构理想诸界面剪应力量测技术问题

16.锚固类结构钻孔偏斜率测试技术问题☆17.锚固类结构中锚杆、锚索、土钉墙、土钉支护作用机理异同问题1.研编背景和关键问题一览7

上述问题的处理与结果：在4次全国性会议上讨论、交流在有影响的核心期刊发表研究生很感兴趣掀起研究讨论热潮开展合作攻关研究

1.研编背景和关键问题一览8上述问题的处理与结果：总计16个问题重点对带“☆”者作了系统研究（10个问题）此处只汇报4个问题，另汇报1个事故调查分析所汇报问题与创新点有关1.研编背景和关键问题一览9本项目启动于1999年主要研究内容7次现场试验6次理论分析计算5次室内试验多次应用技术研究多次综合研究2.研究内容10主要依托单位总参工程兵科研三所北京工业大学北京科技大学大连理工大学清华大学同济大学中国科技大学西南交通大学华东交通大学2.研究内容11主要依托项目①新型复合锚固结构抗动静载作用机理与优化设计方法研究（国家自然科学基金）②国家重点图书《岩土工程师手册》编纂③《基坑与边坡事故警示录》编纂④锚索锚杆耐久性、使用寿命与防护对策研究（国家自然科学基金项目经费支持）⑤多个工程项目2.研究内容123.1大规模事故调查与定量分析

事故案例：243个事故原因：311条特点：定量分析规模：国内最大结果：论文：发表专著：出版（建工版当年畅销科技书）反响：强烈3.主要研究结果与结论13表3.1-1失事工程实例一览序号工程名称资料来源围护结构（基础）类型勘察设计施工监理投资方（大包方）规范处理措施1某综合大楼冼逵人工挖孔桩√不详2某办公楼林本海毛石基础√√灰土井墩托换加固3某地下贮水池管立夫等钢管桩√√混凝土灌注桩+内撑4乌海大厦基坑崔玮沉管灌注桩√堆砂法，木撑5某基坑谢永利等深层搅拌桩√√√建议卸荷、钢板桩补强6大连某深基坑张维正等锚喷网√√卸荷+预锚7某深基坑张鑫等土钉支护√√不详8天津某工程张惠甸锚碇式板桩结构√不详9深圳新世界大厦基坑陈德兴等人工挖孔桩√土钉支护10～17南京所街小区二组团工程周洪涛等(7)深层搅拌桩7(7)不详18辽宁机械进出口大厦基坑刘治模悬臂式预制桩√√不详19大连海远大厦基坑刘治模钢管桩√√不详20大连天津街高层副食品商场刘治模混凝土灌注桩√√不详14序号工程名称资料来源围护结构（基础）类型勘察设计施工监理投资方（大包方）规范处理措施21大连海味饭店大厦刘治模混凝土灌注桩√√补打锚杆22成都锦绣花园工程深基坑任辉启等喷锚网√√喷锚网23成都人民商场营业楼基坑黄强灌浆锚杆支护√增设灌注桩、灰砖支护24武汉泰合广场深基坑王爱勋等钻孔灌注桩+锚杆√√√注浆：高压施喷注浆帷幕等25某工程基础俞增民人工挖孔桩√√钻孔灌注桩等26某商住楼基坑工程俞增民钻孔灌注桩+水泥搅拌桩+内撑√加强降、止、压水和注浆27某基坑工程俞增民地下连续墙+内撑√综合治理水患28镇江德辉广场基坑邓学才深层搅拌桩√止水、降水、压浆29某倒虹管赵成宪等放坡+井点降水√综合治理30某泵站赵成宪等放坡+井点降水√综合治理31黄浦江上游引水工程某段管道赵成宪等放坡+井点降水√综合治理32浦东某港倒虹管赵成宪等放坡√√综合治理33福建船政学校宿舍楼基础郑建兴沉管灌注桩√锚杆静压桩补强34攀钢热电鼓风机站史永忠部分预锚支护√预锚、挡墙、抗滑桩等续表3.1-1失事工程实例一览15序号工程名称资料来源围护结构（基础）类型勘察设计施工监理投资方（大包方）规范处理措施35某工程A王杰树根桩+深层搅拌桩或树根桩+压密注浆√地下连续墙36某工程B王杰钻孔灌注排桩+压密注浆√深层搅拌桩37某工程C王杰深层搅拌桩√增大桩入土深度等38某工程D王杰地下连续墙√增大墙入土深度等39某深基坑工程曾宪明等人工挖孔桩+预锚√√喷锚网加固40鞍山某大厦孟达等灌注桩+锚杆√√增大桩入土深度，深井降水等41浙江某大型软土基坑吴星水泥土挡墙√√混合半自立式挡土墙等42山东邮电通讯物质大楼基坑王洪恩等土钉支护√√降水，预锚加固等43广州××大厦基坑刘瑞朝等喷锚网支护√√√不详44石家庄某高层建筑基坑余志成等灌注桩+锚杆√不详45长春新世界广场工程余志成等人工挖孔桩+锚杆√不详续表3.1-1失事工程实例一览16序号工程名称资料来源围护结构（基础）类型勘察设计施工监理投资方（大包方）规范处理措施46济南某大厦工程余志成等悬臂灌注桩；钢管悬臂桩；放坡√√不详47南京进香河农贸市场大楼基坑余志成等钻孔灌注桩+锚杆√√不详48南京交通银行大楼基坑余志成等悬臂灌注桩√√不详49南京人民商场改建一期工程余志成等排桩，深层搅拌桩√不详50上海某工程基坑余志成等钻孔灌注桩+压密注浆√√不详51上海某工程基坑余志成等水泥搅拌桩√不详52上海某工程基坑余志成等护壁桩；地下连续墙√加大桩、墙埋入深度53杭州凯旋门大厦深基坑江虹钻孔灌注桩+水泥拌桩，钢管内撑√√桩间加网喷，坑内外降水等54闪光大厦基坑李东霞等护坡桩，混凝土预制管沉井降水√√土钉墙方法加固55某教工宿舍楼涂序文人工挖孔桩√砖砌圆筒沉井护壁工艺56宁波镇海广播电视大厦黄强混凝土灌注桩√不详57深圳海王大厦基础程鉴基大直径人工挖孔桩√√化学灌浆续表3.1-1失事工程实例一览17序号工程名称资料来源围护结构（基础）类型勘察设计施工监理投资方（大包方）规范处理措施58洛阳某基坑曾宪明无支护√√√综合法59上海某引水工程施履祥等放坡，井点降水√板桩等60上海肇嘉滨污水泵站施履祥等钢板桩+内撑√√增井点、沟管排水，宜用沉井施工法61上海重型机械厂深基坑施履祥等板桩，钢筋混凝土桩√√二级井点降水，坑边不堆土，加横撑62铜山单集泵站訾剑华放坡1：3√√设置降水系统，固坡，清基63某工程基坑王翠微等护坡桩+锚杆√不详64宫华大酒店工程田裕甲等土钉墙√√堵缝、排水等综合措施65财政厅深基坑抢险工程田裕甲等人工挖孔桩等√锚杆加固，排水等66银都大世界田裕甲等人工挖孔桩+锚索√√综合措施67某区人防办公大楼田裕甲等人工挖孔桩+圈梁+放坡√加锚索背柱，桩间网喷68裕丰大厦基坑田裕甲等网喷，锚杆（索）支护√√提高预锚吨位，井点降水等69泰安大厦基坑田裕甲等挖孔桩护壁√切断水源，保证挖孔桩质量70某交易所大厦基坑田裕甲等无支护√√型钢支撑、封水等续表3.1-1失事工程实例一览18序号工程名称资料来源围护结构（基础）类型勘察设计施工监理投资方（大包方）规范处理措施71上海广东路某基坑田裕甲等地下连续墙√不详72武汉某高层建筑田裕甲等承载桩√不详73珠海曼哈顿广场基坑田裕甲等地下连续墙√不详74北海凌元宫基坑田裕甲等素混凝土灌注桩√不详75北部湾商城田裕甲等素混凝土灌注桩√不详76柳州兴隆大厦基坑田裕甲等挖孔桩√封闭桩间土，排水77厦门某商业城李占滋人工挖孔桩+圈梁√√抗剪强度参数值减小等78福州某大楼基坑李占滋冲孔灌注桩+锁口梁+角撑√不详79福州某大楼基坑李占滋钢筋混凝土预制桩+锁口梁√√不详80厦门厦禾路某饭店基坑李占滋人工挖孔桩+锁口梁√√不详81福州湖东路某大厦基坑李占滋冲孔灌注桩+内撑+锁口梁√√√不详82厦门厦禾路某大厦基坑李占滋地下连续墙√不详续表3.1-1失事工程实例一览19序号工程名称资料来源围护结构（基础）类型勘察设计施工监理投资方（大包方）规范处理措施83福州五四路某酒店基坑李占滋预制桩√√不详84某商厦基坑朱向荣等粉喷桩√√施喷桩等85无锡吉祥大厦深基坑王胜天等灌注桩+圈梁√√√滤网管井等86长沙华联大厦深基坑谭族荣等悬臂桩+圈梁√√√增设悬臂桩等87某沉淀池基础刘寿才振动沉管灌注桩√√√短桩补强等88上海新律大厦桩基工程顾建生等预制桩√不详89浦东通贸大厦顾建生等预制桩√不详90上海良友商厦顾建生等预制桩√补打钢管桩和钢筋混凝土短桩91浦东大康花园B楼顾建生等预制桩√补桩92浦东富都大厦顾建生等预制桩√不详93上海嘉定商厦桩基工程顾建生等预制桩√重新制桩等94上海某沉淀池顾建生等钻孔灌注桩√补桩、压密注浆等95上海举贤商厦工程顾建生等钻孔桩√不详96上海某6号高层住宅楼顾建生等钻孔灌注桩√不详97浦东供销商厦顾建生等围护桩√√不详98浦东某高科技大厦顾建生等深层搅拌桩√修正施工工艺续表3.1-1失事工程实例一览20序号工程名称资料来源围护结构（基础）类型勘察设计施工监理投资方（大包方）规范处理措施99黄埔宁中大厦顾建生等钻孔灌注桩+深层搅拌桩+压密注浆√在渗水处加做压密注浆100上海东方尤邸工程顾建生等地下连续墙√不详101上海多伦商厦顾建生等地下连续墙√不详102某工业大楼深基坑工程唐业清等搅拌桩√√不详103海口宇海宾馆基坑唐业清等喷锚支护√不详104广州某深基坑唐业清等支护桩√不详105太原某商业银行营业大厦深基坑唐业清等支护桩√不详106北京某工程深基坑唐业清等支护桩+锚杆√不详107上海某大厦工程唐业清等地下连续墙+内撑√不详108上海某相邻高层建筑基础唐业清等预制桩基础√合理安排打桩顺序，控制打桩速率109海口宏威大厦基坑唐业清等放坡+井点降水+喷锚支护√√不详110～204(94)不详唐业清等不详2513010(94)不详205铁路病害边坡顾湘生等一般支挡√预锚、减载等续表3.1-1失事工程实例一览21序号工程名称资料来源围护结构（基础）类型勘察设计施工监理投资方（大包方）规范处理措施206某电站厂房滑坡张福明等无支护√√预锚为主的综合治理207某电站洞脸边坡曾宪明无支护√预锚208山区地基滑坡王银善无支护√钢筋混凝土柱+毛料石209某路基坍陷谭毓浚无支护√注浆加固210某工程挡土墙倒塌罗维德浆砌石挡土墙√拆除重建，反滤带排水等211某重力式挡土墙倒塌于志清等堆砌重力式挡土墙√部分拆除，内侧加固等212某工程黄土岭滑坡潘永坚无支护√不详213深圳某花园大厦基坑曾宪明人工挖孔桩√√土钉支护加固214深圳卫生防疫站办公楼基坑曾宪明预制桩√√土钉支护加固215深圳银水大厦曾宪明深层搅拌桩√√土钉支护加固216深圳某住宅楼基坑险情曾宪明土钉支护√√√土钉支护加固217深圳地王大厦曾宪明人工挖孔桩+圈梁√土钉支护加固218深圳某大厦基坑曾宪明地下连续墙√√√土钉支护加固219深圳某银行大厦基坑险情曾宪明土钉支护√√√土钉支护加固220烟台海关大楼基坑曾宪明钢管桩√土钉支护加固续表3.1-1失事工程实例一览22序号工程名称资料来源围护结构（基础）类型勘察设计施工监理投资方（大包方）规范处理措施221北京万福大厦管线损坏曾宪明土钉支护√土钉支护加固222北京某大厦基坑曾宪明土钉支护√√桩+注浆等223宁波某工程基坑曾宪明土钉支护√√不详224杭州某工程基坑险情曾宪明土钉支护√土钉支护加固225广州妇儿中心大厦基坑曾宪明护壁桩√土钉支护加固226山西某边坡曾宪明无支护√减载放坡227郑州某工程基坑曾宪明预制桩√不详228深圳某大厦深基坑曾宪明人工挖孔桩+圈梁√√土钉支护加固229某电站高边坡失稳曾宪明原钢筋混凝土挡墙√预锚等综合措施230上海某工程主楼基坑周志道等钢板桩+钢管撑√√邻近民房拆除等231上海某工程周志道等地下连续墙+内撑√不详232上海某基坑工程周志道等灌注桩+搅拌桩+钢管撑√暗梁支撑，注浆加固，锚杆静压桩等233上海某基坑工程周志道等水泥搅拌桩√挡土墙外侧粉喷加固234上海某超大型基坑工程周志道等厚地连墙+钢筋混凝土支撑√不详续表3.1-1失事工程实例一览23序号工程名称资料来源围护结构（基础）类型勘察设计施工监理投资方（大包方）规范处理措施235上海某基坑工程周志道等灌注桩+水泥搅拌桩+钢筋混凝土内撑√√综合治理236上海某基坑工程周志道等灌注桩+水泥搅拌桩√不详237上海某基坑工程周志道等钢板桩+水泥搅拌桩+钢筋混凝土内撑√不详238上海东湖商务楼基坑周志道等钢筋混凝土板桩√√不详239广州新华侨大厦基坑程鉴基地下连续墙√化学灌浆240广州湖北大厦基坑程鉴基钻孔桩+旋喷桩√化学灌浆241深圳华侨大酒店大厦基坑程鉴基钢板桩√化学灌浆242广州海洋馆基坑徐勋长等钢筋混凝土护坡桩√喷锚（管）网支护243珠海渔委商住楼基坑陈处宽深层搅拌桩+圈梁√综合治理续表3.1-1失事工程实例一览24表3.1-2

失事原因频数分布表%123456nx121241467202表3.1-3

失事原因经验分布表X123456W0.0390.3990.4690.0230.0640.00625表3.1-4

失事工程围护结构类型频数分布表Y1234567891011ny632291842151715表3.1-5

失事工程围护结构类型频数分布表Y1234567891011W0.4260.0810.0140.0610.0070.0540.0270.0140.1010.1150.10126表3.1-6

失事工程处理措施频数分布表Z1234567891011nz131431130210241表3.1-7

失事工程处理措施经验分布表Z1234567891011W0.1440.0110.0440.0330.0110.0110.3330.0220.1110.2670.01127图3.1-1失事原因X的分布折线28图3.1-2

失事工程围护结构Y的分布折线29图3.1-3

失事工程处理措施Z的分布折线303.1大规模事故调查与定量分析失事案例分析体例工程地质条件建造方法事故（险情）经过处置方法与结果事故原因分析31结果：60万字专著，建工版畅销书《基坑与边坡事故警示录》事故原因可信：专家鉴定会结论事故案例243例：数量、质量居全国之首社会影响：较大3.1大规模事故调查与定量分析323.2临界锚固长度问题研究概念：任一岩土介质中锚固类结构杆体的极限锚固长度，长于此长度的设计将导致安全隐患和浪费，短于此长度者锚固潜力不能充分发挥。奇异现象：杆体较长和较短时锚固力一样发现时间：国外：1965，国内：1980问题：未在理论上深究设计：仍按每米拉拔力（平均剪应力理论）进行，或按若干倍直径设计此概念由本项目提出（1990）3.主要研究结果与结论33重要研究结论：介质：任一介质中都存在唯一一个临界锚固长度值特点：这个长度值在此介质中是一个常数机理：极限剪应力、零值剪应力、浆体局部破坏同时发生向杆体深部转移特点：剪应力沿两个正交方向作空间连续衰减趋势：以临界锚固长度为基础的优化设计方法可能取代现行设计方法意义：重大3.2临界锚固长度问题研究343.主要研究结果与结论3.2临界锚固长度问题研究本项目所做实际工作及结果：试验研究理论研究综合研究建立试验判定方法353.主要研究结果与结论3.2临界锚固长度问题研究破坏机理示意图：图3.2-1锚杆破坏机理示意363.主要研究结果与结论3.2临界锚固长度问题研究试验结果：图3.2-2长度锚杆测点布置373.主要研究结果与结论3.2临界锚固长度问题研究试验结果：图3.2-31m长度锚杆的应变值沿杆体长度的分布383.主要研究结果与结论3.2临界锚固长度问题研究试验结果：图3.2-44m长度锚杆的应变值沿杆体长度的分布393.主要研究结果与结论3.2临界锚固长度问题研究试验结果：图3.2-54m长度锚杆的应变值沿杆体长度的分布403.主要研究结果与结论3.2临界锚固长度问题研究试验结果：图3.2-68m长度锚杆的应变值沿杆体长度的分布413.主要研究结果与结论3.2临界锚固长度问题研究试验结果：图3.2-78m长度锚杆的应变值沿杆体长度的分布423.主要研究结果与结论3.2临界锚固长度问题研究试验结果：图3.2-812m长度锚杆的应变值沿杆体长度的分布433.主要研究结果与结论3.2临界锚固长度问题研究试验结果：图3.2-912m长度锚杆的应变值沿杆体长度的分布443.主要研究结果与结论3.2临界锚固长度问题研究试验结果：图3.2-1012m长度锚杆的应变值沿杆体长度的分布453.主要研究结果与结论3.2临界锚固长度问题研究理论研究（半理论半经验）研究方法据实测结果拟合弹性分析剪应力分布状态比较①煤炭科学研究院方法②陆士良、汤雷方法③明德林（R.D.Mindlin）位移解方法④基于局部变形假设（Winkler假设）方法（切向弹簧）463.主要研究结果与结论3.2临界锚固长度问题研究理论研究（半理论半经验）结果：剪应力分布状态为负指数规律与方法③、④相近方法①~④未作进一步的临界锚固长度分析普遍局限原因钢筋、钢绞线弹性界面、围岩非弹性473.主要研究结果与结论3.2临界锚固长度问题研究理论研究（半理论半经验）图3.2-11轴应变的对比483.主要研究结果与结论3.2临界锚固长度问题研究理论研究（半理论半经验）图3.2-12理论解与根据应变实测结果拟合解对比493.主要研究结果与结论3.2临界锚固长度问题研究理论研究（半理论半经验）结论：高强介质临界锚固长度短（极高例外）中强介质临界锚固长度居中低强介质临界锚固长度长介质一定临界锚固长度为常数503.主要研究结果与结论3.2临界锚固长度问题研究综合研究：一种有效研究方法国外相关文献67

国内相关文献64

国籍：美国，英国，澳大利亚，日本，加拿大，前苏联，中国，法国，新西兰，挪威，瑞典，意大利……513.主要研究结果与结论3.2临界锚固长度问题研究综合研究结果：国外只有相关文献国外没有直接研究结果国外没有临界锚固长度的概念和判别方法国内在近10年来有较多直接研究成果国内在近5年来形成研究热潮，理论成果较多，专项试验少523.主要研究结果与结论3.2临界锚固长度问题研究临界锚固长度判定方法：峰值剪应力转移零值剪应力转移浆体局部破坏转移误差：相邻二测点间距离同时发生转移空间长度为常数临界长度533.主要研究结果与结论3.3平均剪应力及诸界面剪应力相互作用关系问题a.平均剪应力问题基本情况：概念：剪应力沿交界面的分布呈均匀状态理论基础：微观结构理论危害：既浪费又不安全提出：D.J.Pinchin和D.Tabor（1978）[3，4，5]研究：A.Benter,S.Diamond和S.Mindess（1985）[6]发展：其他人[7~8]进一步研究和发展地位：在国际上居于垄断地位国内外技术标准：绝大多数采用平均剪应力方法，极少由试验确定543.主要研究结果与结论3.3平均剪应力及诸界面剪应力相互作用关系问题a.平均剪应力问题微观结构理论：浆体材料在界面处存在一个相对较弱的界面区。此界面区主要由氢氧化钙晶体、C-S-H等组成，对界面力学特性起着非常重要的作用。由于界面层材料的微观构造尺寸即使与很细的钢纤维相比仍然非常小，因而纤维直径的变化不会引起界面层微观结构的变化。553.主要研究结果与结论3.3平均剪应力及诸界面剪应力相互作用关系问题a.平均剪应力问题微观结构理论的推广：鉴于此，D.J.Pinchin等提出了基于平均剪应力的界面剪切强度与摩擦剪应力计算方法，并认为可以用表面处理相同的钢条或钢筋替代钢纤维进行试验，以确定锚杆界面的力学特性。563.主要研究结果与结论3.3平均剪应力及诸界面剪应力相互作用关系问题a.平均剪应力问题质疑平均剪应力所做的工作：试验理论研究分析探究其理论根源倡导以临界锚固长度的概念和设计方法取代平均剪应力的概念和设计方法573.主要研究结果与结论3.3平均剪应力及诸界面剪应力相互作用关系问题a.平均剪应力问题质疑平均剪应力所做的工作：

试验结果图3.3-11#土钉微应变-时间关系曲线583.主要研究结果与结论3.3平均剪应力及诸界面剪应力相互作用关系问题a.平均剪应力问题质疑平均剪应力所做的工作：试验结果图3.3-21#土钉微应变沿钉长分布形态593.主要研究结果与结论3.3平均剪应力及诸界面剪应力相互作用关系问题

a.平均剪应力问题质疑平均剪应力所做的工作：

试验结果图3.3-32#土钉微应变-时间关系曲线603.主要研究结果与结论3.3平均剪应力及诸界面剪应力相互作用关系问题

a.平均剪应力问题质疑平均剪应力所做的工作：

试验结果图3.3-42#土钉钉长上微应变随时间变化曲线613.主要研究结果与结论3.3平均剪应力及诸界面剪应力相互作用关系问题a.平均剪应力问题质疑平均剪应力所做的工作：

试验结果图3.3-53#土钉微应变-时间关系曲线

623.主要研究结果与结论3.3平均剪应力及诸界面剪应力相互作用关系问题a.平均剪应力问题质疑平均剪应力所做的工作：

试验结果图3.3-63#土钉应变沿钉长分布形态633.主要研究结果与结论3.3平均剪应力及诸界面剪应力相互作用关系问题a.平均剪应力问题质疑平均剪应力所做的工作：

试验结果图3.3-74#土钉应变-时间关系曲线643.主要研究结果与结论3.3平均剪应力及诸界面剪应力相互作用关系问题a.平均剪应力问题质疑平均剪应力所做的工作：

试验结果图3.3-84#土钉应变沿钉长分布形态653.主要研究结果与结论3.3平均剪应力及诸界面剪应力相互作用关系问题a.平均剪应力问题质疑平均剪应力所做的工作：

理论分析图3.3-9

有限元计算网格划分图663.主要研究结果与结论3.3平均剪应力及诸界面剪应力相互作用关系问题a.平均剪应力问题质疑平均剪应力所做的工作：

理论分析（a）无土钉支护（b）有土钉支护图3.3-10

不同支护结构开挖变形比较（挖深为3.5m）673.主要研究结果与结论3.3平均剪应力及诸界面剪应力相互作用关系问题a.平均剪应力问题质疑平均剪应力所做的工作：

理论分析（a）无土钉支护（b）有土钉支护图3.3-11

不同支护结构开挖矢量场比较683.主要研究结果与结论3.3平均剪应力及诸界面剪应力相互作用关系问题a.平均剪应力问题质疑平均剪应力所做的工作：

理论分析（a）无土钉支护（存在塑性区）（b）有土钉支护（只在表面形成拉张区）图3.3-12不同支护结构由开挖引起塑性区比较693.主要研究结果与结论3.3平均剪应力及诸界面剪应力相互作用关系问题a.平均剪应力问题质疑平均剪应力所做的工作：

理论分析图3.3-13土钉支护实测值与计算值比较703.主要研究结果与结论3.3平均剪应力及诸界面剪应力相互作用关系问题a.平均剪应力问题质疑平均剪应力所做的工作：

理论分析图3.3-14第三步开挖时各排土钉轴力分布曲线713.主要研究结果与结论3.3平均剪应力及诸界面剪应力相互作用关系问题a.平均剪应力问题综合研究的重要结论：①剪应力远不是均匀分布的②微观结构理论超出了其适用范围③采用平均剪应力法既不安全也不经济④现行技术标准中以平均剪应力法为基础的设计方法必须修改

72因此，关于平均剪应力问题总体研究状况评述：质疑：国内、国外、非主流我们的工作：

1.发现问题

2.证明和证实

3.探讨机理

4.深究理论基础：微观结构理论

5.建立取代方法：临界锚固长度法733.主要研究结果与结论3.3平均剪应力及诸界面剪应力相互作用关系问题b.诸界面剪应力相互作用关系问题基本概念：诸界面：第1、2、3界面第1界面：钢筋（钢绞线）与砂浆第2界面：砂浆与孔壁（围岩）第3界面：围岩介质内部

743.主要研究结果与结论3.3平均剪应力及诸界面剪应力相互作用关系问题b.诸界面剪应力相互作用关系问题存在问题：破坏发生的条件？破坏发生的方式？破坏与破坏之间的关联？破坏的机理—界面间剪应力相互作用753.主要研究结果与结论3.3平均剪应力及诸界面剪应力相互作用关系问题b.诸界面剪应力相互作用关系问题研究状况：基本情况：孤立的研究，国内国外同设计方法：相对独立，主要针对第1，2界面特点：第2界面多，第1界面中，第3界面少提出问题：本项目研究问题：本项目763.主要研究结果与结论3.3平均剪应力及诸界面剪应力相互作用关系问题b.诸界面剪应力相互作用关系问题图3.3-15

诸界面剪应力相互作用关系773.主要研究结果与结论3.3平均剪应力及诸界面剪应力相互作用关系问题b.诸界面剪应力相互作用关系问题破坏模式：4种钢筋（钢绞线）断裂（现行设计考虑）沿第1交界面滑移沿第2交界面滑移（现行设计考虑）沿第3交界面滑移783.主要研究结果与结论3.3平均剪应力及诸界面剪应力相互作用关系问题b.诸界面剪应力相互作用关系问题我们的工作：室内试验理论分析现场观测综合研究793.主要研究结果与结论3.3平均剪应力及诸界面剪应力相互作用关系问题b.诸界面剪应力相互作用关系问题基本观点：力传递（正交方向）应力衰减原理（非弹性体）优先破坏效应（破坏唯一性）（某一破坏发生同时，其他破坏不会发生）时空效应（受力变形全方位连续进行）803.主要研究结果与结论3.3平均剪应力及诸界面剪应力相互作用关系问题b.诸界面剪应力相互作用关系问题试验结果阐释：传递、衰减、唯一性、时空图3.3-16

诸界面剪应力的传递与衰减813.主要研究结果与结论3.3平均剪应力及诸界面剪应力相互作用关系问题b.诸界面剪应力相互作用关系问题试验结果简介：图3.3-17

制作完毕后的试件823.主要研究结果与结论3.3平均剪应力及诸界面剪应力相互作用关系问题b.诸界面剪应力相互作用关系问题试验结果简介：图3.3-18

试件应变测点布置833.主要研究结果与结论3.3平均剪应力及诸界面剪应力相互作用关系问题b.诸界面剪应力相互作用关系问题试验结果简介：(a)高强介质试件(b)中强介质试件(c)低强介质试件图3.3-19实测锚杆内锚固段杆体轴应变分布曲线843.主要研究结果与结论3.3平均剪应力及诸界面剪应力相互作用关系问题b.诸界面剪应力相互作用关系问题试验结果简介：

(a)高强介质试件(b)中强介质试件(c)低强介质试件图3.3-20

锚杆第一界面剪应力分布形态85

图3.3-21第二界面剪应力分布形态3.主要研究结果与结论3.3平均剪应力及诸界面剪应力相互作用关系问题b.诸界面剪应力相互作用关系问题试验结果简介：(a)高强介质试件(b)中强介质试件(c)低强介质试件863.主要研究结果与结论3.3平均剪应力及诸界面剪应力相互作用关系问题b.诸界面剪应力相互作用关系问题第三界面发生滑移的条件：

钢筋（钢绞线）抗拉力≥第一界面抗剪力第一界面抗剪力≥第2界面抗剪力第2界面抗剪力＞第3界面抗剪力第3界面介质：通常为不良地质体873.主要研究结果与结论3.3平均剪应力及诸界面剪应力相互作用关系问题b.诸界面剪应力相互作用关系问题理论研究简介：

图3.3-22各锚杆杆体轴应变分布拟合曲线(a)高强介质试件(b)中强介质试件(c)低强介质试件883.主要研究结果与结论3.3平均剪应力及诸界面剪应力相互作用关系问题b.诸界面剪应力相互作用关系问题理论研究简介：

图3.3-23荷载系数Kp－P关系曲线893.主要研究结果与结论3.3平均剪应力及诸界面剪应力相互作用关系问题b.诸界面剪应力相互作用关系问题理论研究简介：

图3.3-24锚杆加载时杆体受力分析示意图903.主要研究结果与结论3.3平均剪应力及诸界面剪应力相互作用关系问题b.诸界面剪应力相互作用关系问题理论研究简介：

图3.3-25注浆体与杆体间（第一交界面）剪应力分布(a)高强介质试件(b)中强介质试件(c)低强介质试件913.主要研究结果与结论3.3平均剪应力及诸界面剪应力相互作用关系问题b.诸界面剪应力相互作用关系问题理论研究简介：

图3.3-26锚杆加载时注浆体受力分析示意图923.主要研究结果与结论3.3平均剪应力及诸界面剪应力相互作用关系问题b.诸界面剪应力相互作用关系问题理论研究简介：

图3.3-27构件的剪应力分布

(a)高强介质试件(b)中强介质试件(c)低强介质试件39%

35%

39%

933.主要研究结果与结论3.3平均剪应力及诸界面剪应力相互作用关系问题b.诸界面剪应力相互作用关系问题综合研究的重要结论：

国内外未进行过此问题研究未报道过关于此问题的概念及成果此问题由本项目组提出并研究。943.主要研究结果与结论3.3平均剪应力与诸界面剪应力相互作用关系问题b.诸界面剪应力相互作用关系问题综合研究的重要结论：

4种破坏模式都可能发生，且都发生过，但有唯一优先性剪应力沿正交方向作空间连续衰减，第2界面剪应力是第1界面剪应力衰减的结果，第3界面剪应力是第2界面剪应力衰减的结果每一界面剪应力均存在峰值、零值、浆体局部破坏的同时连续转移特性。953.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用新型复合锚固结构的概念：

a.单介质系统b.双介质系统c.三介质系统（毛洞围岩）（喷锚衬砌-围岩）（喷锚衬砌-弱化区-围岩）

图3.4-1

单、双、三介质系统的概念963.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用前期成果回顾：

非优化

奇异现象追踪研究结果：土中，提高3~4倍岩石中，提高2倍以上立项研究（国家自然科学基金）973.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用优化问题的提出：

最终

优化假设弱化孔径弱化孔密度弱化孔长度锚固区厚度最初983.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用优化假设的证明：判定条件：爆心下优化孔底压力为最小

计算方案：改变弱化孔径改变弱化孔密度改变弱化孔长度改变锚固区厚度试验方案：与计算方案相对应993.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用研究方法：理论分析试验验证确定优化值（对比试验）建立优化方法（4因素相互关系）工程应用

1003.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用计算结果：

图3.4-2模型爆心下方孔底中心单元的压力时程曲线（模型1）1013.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用计算结果：

图3.4-3孔径与孔底单元压力峰值关系1023.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用计算结果：

图3.4-4孔布设个数与孔底单元压力峰值关系1033.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用计算结果：

图3.4-5空孔长度与孔底单元压力的关系1043.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用计算结果：

图3.4-6锚固区厚度与孔底单元压力的关系1053.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用计算结果：

图3.4-7各模型孔底中心单元的拉伸压力峰值绝对值1063.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用计算结果：

图3.4-8锚固区最终损伤参数δ的分布（模型1）1073.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用计算结果：

图3.4-9各模型锚固区损伤参数δmax1083.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用计算结果：

图3.4-10洞室拱顶的竖直向位移（模型1）1093.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用计算结果：

图3.4-11各模型洞室拱顶的向下位移峰值1103.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用计算结果的证实：

优化与非优化（经验设计法）对比试验结果：抗力优化者：是非优者2.1倍以上破坏效应：优化者是非优化者的

25%和33%

1113.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用验证试验结果：

图3.4-12非优化弱化复合锚固结构支护洞室（2#洞室）（单位：mm）1123.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用验证试验结果：

图3.4-13

优化弱化复合锚固结构支护洞室（3#洞室）（单位：mm）1133.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用验证试验结果：

图3.4-14试验洞室平面布置图（略去弱化区；单位：mm）1143.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用验证试验结果：

（a）土钉和洞室测点布设及编号（b）土钉应变测点布设位置图3.4-15土钉和洞室测点布设图1153.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用验证试验结果：

（a）爆心位置（b）炮眼位置（3#洞室）图3.4-16爆心位置和装药方法（单位：mm）1163.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用验证试验结果：

图3.4-17700gTNT装药爆炸后，2#洞室破坏情形1173.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用验证试验结果：

（a）爆心下方洞室拱顶外鼓（b）洞室破坏示意图图3.4-18800gTNT装药爆炸后，2#洞室破坏情形1183.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用验证试验结果：

（a）实拍照片（b）洞室破坏示意图图3.4-19800gTNT装药爆炸后，3#洞室洞顶破坏情形1193.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用验证试验结果：

（a）2#洞室口部（b）2#洞室内部图3.4-20900gTNT装药爆炸后，2、3#洞室洞顶破坏情形1203.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用验证试验结果：

（c）3#洞室口部（d）3#洞室内部图3.4-20900gTNT装药爆炸后，2、3#洞室洞顶破坏情形1213.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用验证试验结果：

（c）2#洞第2炮A2波形（d）3#洞第2炮A2波形图3.4-21

低爆炸荷载条件下，2#、3#洞室质点加速度波形和峰值比较1223.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用验证试验结果：

（a）2#洞第24炮A1波形（b）3#洞第24炮A1波形图3.4-22在较高爆炸荷载作用下，2#、3#洞室质点振动加速度波形和峰值比较1233.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用验证试验结果：

（c）2#洞第24炮A2波形（d）3#洞第24炮A2波形图3.4-22在较高爆炸荷载作用下，2#、3#洞室质点振动加速度波形和峰值比较1243.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用验证试验结果：

（a）2#洞室第2炮S4波形（b）3#洞室第2炮S4波形图3.4-23低动载下顶部土钉动应变波形与峰值比较1253.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用验证试验结果：

（C）2#洞室第2炮S5波形（d）3#洞室第2炮S5波形图3.4-23

低动载下顶部土钉动应变波形与峰值比较1263.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用验证试验结果：

（a）2#洞室第8炮S1波形（b）3#洞室第8炮S1波形图3.4-24较高动载下洞室顶部土钉动应变波形与峰值比较1273.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用验证试验结果：

（c）2#洞室第22炮S1波形（d）3#洞室第22炮S1波形图3.4-24

较高动载下洞室顶部土钉动应变波形与峰值比较1283.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用优化与单一锚固结构抗力对比试验：目的：优化设计方法：现场对比试验介质：Q2黄土评价依据：宏观破坏效应量测结果结果：优化者是单一结构抗力的5.1倍

1293.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用优化与单一锚固结构对比试验结果：

a.单一锚固结构支护洞室（1#）b.优化复合锚固结构支护洞室（3#）图3.4-25两种锚固结构支护洞室断面图（单位：mm）1303.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用优化与单一锚固结构对比试验结果：

图3.4-26

两种锚固结构支护洞室平面布置图（略去3#洞室的弱化孔群；单位：mm）1313.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用优化与单一锚固结构对比试验结果：

（a）土钉和洞室测点布设及编号（b）土钉动应变测点布设位置图3.4-27土钉和洞室测点布置图1323.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用优化与单一锚固结构对比试验结果：

（a）爆心位置（b）炮眼位置（3#洞室）图3.4-28爆心位置和装药方法（单位：mm）1333.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用优化与单一锚固结构对比试验结果：

图3.4-29500gTNT装药量爆炸后，1#洞室拱顶破坏状态展开图1343.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用优化与单一锚固结构对比试验结果：

（a）洞室拱顶破坏素描图（b）拱顶剥落破坏情形（钢丝网外露）图3.4-30600gTNT装药量爆炸后，1#洞室拱顶破坏状态1353.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用优化与单一锚固结构对比试验结果：

图3.4-31700gTNT装药量爆炸后，1#洞室被完全堵塞1363.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用优化与单一锚固结构对比试验结果：

（a）洞室拱顶过临界破坏情景（b）洞室拱顶破坏素描图图3.4-32800gTNT装药量爆炸后，3#洞室拱顶过临界破坏状态1373.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用优化与单一锚固结构对比试验结果：

（a）爆炸后3#洞室口部破坏情形（b）爆炸后3#洞室内部破坏情形图3.4-33900gTNT装药量爆炸后，3#洞室顶部发生震塌堵塞破坏情形1383.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用优化与单一锚固结构对比试验结果：

169.0113.0

(a)1#洞第23炮A1(b)3#洞第23炮A1图3.4-341#与3#洞室拱顶加速度波形和峰值比较1393.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用优化与单一锚固结构对比试验结果：

90.248.6

(c)1#洞第22炮A1(d)3#洞第22炮A1图3.4-341#与3#洞室拱顶加速度波形和峰值比较1403.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用优化与单一锚固结构对比试验结果：

(a)1#洞第18炮S1波形（200gTNT）(b)3#洞第18炮S1波形（200gTNT）1413.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用优化与单一锚固结构对比试验结果：

(c)1#洞第19炮S1波形（250gTNT）(d)3#洞第19炮S1波形（250gTNT）1423.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用优化与单一锚固结构对比试验结果：

(e)1#洞第21炮S1波形（350gTNT）(f)3#洞第21炮S1波形（350gTNT）1433.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用优化与单一锚固结构对比试验结果：

(g)1#洞第22炮S1波形（400gTNT）(h)3#洞第22炮S1波形（400gTNT）1443.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用优化与单一锚固结构对比试验结果：

（i）1#洞第23炮S1波形（500gTNT）（j）3#洞第23炮S1波形（500gTNT）图3.4-35

两种锚固结构洞室拱部土钉动应变波形与量值的比较1453.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用优化与单一锚固结构对比试验结果：

图3.4-361#、3#锚固结构洞室拱部土钉动应变量值与装药量关系曲线1463.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用优化与单一锚固结构对比试验结果：

表3.4-1

爆炸装药量比较分析洞室类别1#3#3#/1#分析结果临界装药量级/g5007501.50×临界前累积装药量/g326046101.41×临界后累积装药量/g50025505.1√震塌堵塞装药量级/g7009001.30×震塌堵塞前累积装药量/g456062601.40×震塌堵塞后累积装药量/g70024003.4临界至震塌堵塞累积装药量/g120049504.13√1473.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用新型复合锚固结构的应用：

工程地点：山西太谷工程性质：导弹储备库设计特点：工程经验法（当时优化问题正在研究中）1483.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用应用结果：

图3.4-37

土质洞库复合土钉支护参数设计（单位：mm）1493.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用应用结果：

图3.4-38土质洞库开挖次序1503.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用应用结果：

图3.4-39

洞内进尺0m处变形收敛时程曲线1513.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用应用结果：

图3.4-40洞内进尺10m处变形收敛时程曲线1523.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用应用结果：

图3.4-41

洞内进尺20m处变形收敛时程曲线1533.主要研究结果与结论3.4新型结构的优化设计方法研究与应用