动载作用下锚固体应力波传递及破坏特征研究

为研究动载作用下锚固体的应力波传播规律及破坏特征,利用分离式霍普金森杆(SHPB)对锚固体试件开展了不同预应力及不同冲击次数的冲击试验。研究结果表明:随着预应力增加,锚固围岩中应力波峰值逐渐增加,衰减速度逐渐减小,增大锚杆预应力,锚固自由端拉伸波峰值明显减小;随锚固体试件预应力增加,锚固体轴力损失越快,轴力损失率呈二次线性增加的趋势;预应力较小时,锚固自由端围岩产生裂缝较多,多次冲击下裂缝距离较为接近;随着预应力的增加,自由端头破坏程度减弱;随着预应力增加,拉拔最大位移量越来越小,未受动载作用的原始试件拉拔后未出现明显的破坏;动载作用后,随着预应力增大,锚固端头发生一定程度的劈裂破坏,预应力持续增加劈裂破坏程度越来越弱。

浅埋隧道预应力锚固体承载效应模型实验研究

预应力锚杆主动支护技术在隧道工程中的应用逐渐普及,对于浅埋大跨岩质隧道,其支护特性及作用机制尚未明确。为探究预应力锚杆支护体系下围岩的承载特性,以青岛地铁6号线某暗挖车站为工程背景,基于相似原理配制地层及支护结构模型实验材料,通过液压加载试验,探究了预应力锚杆及普通锚杆支护下锚固体的承载特性。结果表明:①预应力锚杆与围岩的相互作用形成了具有承载能力的锚固体,能够有效承担大部分上覆荷载。预应力锚杆的应用使得隧道失稳破坏的预警荷载值提高了42.8%,同时极限荷载值也提高了41.2%。②在上覆加载过程中,预应力锚杆经历了紧密锚固持荷阶段和脱锚卸荷阶段,衬砌经历了应变累积、应变突增和应变释放3个阶段。③较普通锚杆,主动支护下预应力锚杆与岩体间的受力协同性好,无轴力突变现象,锚杆的支护性能得到充分的利用,有效抑制了裂隙的发育,提高了隧道的整体稳定性。

动载作用下全锚锚固体应力波传播及破坏特征

深井巷道受动载扰动变形严重,明晰动载作用下锚固支护体的应力波传播及破坏特征具有重要意义。基于霍普金森杆(SHPB)试验系统,研究了不同冲击气压下锚固体试件的应力波传播规律,基于一维应力波理论计算了锚固体的层裂强度;利用ABAQUS数值模拟软件还原了动载冲击试验,再现了锚固体试件的应力波传播全过程,分析了锚固体轴向不同位置处的应变–时序特征。研究结果表明:①随冲击气压增大,应力波衰减速度越快,空间响应幅值及衰减系数逐渐增大,锚固体试件层裂强度与冲击气压呈正相关关系,0.6 MPa冲击气压下的层裂强度相较于0.4 MPa冲击气压下增加了41%,呈现出明显的应变强化效应;②锚固尾部及中部锚固剂的应力波峰值应变略大于围岩峰值应变,而锚固端部由于净拉应力作用导致围岩峰值应变骤增;③锚杆、锚固剂及围岩3者动力响应具有时序性,锚固围岩与锚固剂率先受到压缩应力波作用,锚杆产生滞后于锚固剂与围岩的拉伸应力波,阻止锚固体试件发生协同破坏;④锚固尾部锚杆、锚固剂及围岩应变起跳时间间隔为0,随着应力波向锚固中部及端部传递,3者应变起跳间隔时间逐渐增加,锚杆峰值应变随之增加,锚固端部锚杆破坏最严重,随冲击气压的增大,3者不协同作用逐渐加剧,锚固体试件加速劣化。

黏土岩中水泥锚固体滑脱的有限-离散元模型初探

锚固体与围岩有效黏结是保证锚杆(索)系统正常工作的重要前提,为研究黏土岩内水泥锚固体在拉拔荷载作用下的滑移脱黏机理,开展黏土岩三轴试验、黏土岩-水泥砂浆界面直剪试验和水泥锚固体拉拔的物理模型试验,基于有限-离散元方法(FDEM),建立黏土岩-水泥砂浆的二元体模型,对水泥锚固体拉拔过程进行模拟。研究表明:黏土岩黏聚力小于黏土岩-水泥砂浆界面的切向黏结强度,低法向压力时二元体的剪切破坏多为黏土岩的剪切破坏,但黏土岩内摩擦角较大,高法向压力下界面抗剪强度低于黏土岩,二元体剪切破坏逐渐转变为界面脱黏;考虑剪切失效的双线性黏聚力模型在模拟软岩破坏时是适用的,而二元体黏结界面更适合通过黏结-摩擦模型模拟;水泥锚固体拉拔失效过程可分为黏结变形阶段,界面脱黏阶段,剪胀咬合阶段和滑移阶段4个阶段,界面脱黏后,锚固体附近黏土岩的剪切破坏也是导致锚固失效的重要因素,剪胀咬合阶段的咬合力决定了锚固体的峰值抗拔能力。研究结果对于软岩地区锚固结构设计有一定的指导作用。

基于注浆工艺的边坡岩体与锚固体间粘结强度试验对比分析

依托我国南部沿海地区的某大型锚杆试验场地,基于不同的注浆工艺,通过试验数据分析与对比,得出,一、二次注浆型锚杆这2种工况下的极限粘结强度情况,并与国家规范给出的建议值进行对比分析。结果表明:在同样的地层与锚固长度条件下,二次注浆工艺下的锚杆极限抗拔力约为一次注浆工艺时的1.1~1.3倍。当锚固长度逐渐变大时,极限抗拔力表现为非线性变大趋势,超过一定值后,一次注浆工艺的极限抗拔力缓慢增大;而二次注浆锚杆的极限抗拔力仍大幅提高。在呈硬塑状的残积砂质粘性土地层条件下,不管是一次注浆工艺还是二次注浆工艺,其相应锚杆的极限粘结强度标准值均远大于规范值。

恒阻吸能材料及锚固体力学特性研究与应用

锚固支护作为地下工程围岩控制的主体,与围岩联合承载形成锚固体,共同抵抗动力灾害释放的能量。传统锚杆(索)支护强度、延伸率不足,在抵抗动力灾害时易破断失效。恒阻吸能材料是一种具有高强、高延伸的新型支护材料。为明确恒阻吸能新材料及其锚固体的力学特性,本文开展了恒阻吸能支护材料与现场常用支护材料MG335、MG500的静力拉伸与动力冲击试验。在此基础上,对MG335、MG500与恒阻吸能支护材料锚固下的岩体开展了霍普金森冲击对比试验,研究了高速冲击下锚固体的变形破坏特征。相比于MG335、MG500锚固体,通过霍普金森冲击试验得到恒阻汲能锚固体的峰值应力提高了42.2%与63.9%,所能吸收的动力冲击能量提高了42.0%与63.2%。恒阻吸能支护技术能够增强锚固体的抗冲承载能力与吸能能力。结合上述试验成果,提出了强扰动下围岩恒阻吸能支护的工程建议,并在千米冲击地压矿井中应用。

高聚物锚固体与粉土间黏结性能试验研究

以竖向高聚物注浆锚杆为对象,对高聚物锚固体与粉土间的黏结性能进行了大量试验,详细研究了锚固体直径、密度、长度对黏结强度的影响;同时研究了不同锚固体长度下黏结应力的分布情况,及其在不同荷载作用下的变化规律。试验结果表明:钻孔孔径、锚固体密度、锚固体长度对黏结强度均有重要影响:黏结强度随锚固体密度的增大而增大,在小密度情况下增幅更为明显;黏结强度随锚固体长度的减小而增大,短锚固长度(2.5~4 m)下土体的抗剪强度几乎能完全发挥,长锚固体(5 m)时仍具有较长的有效黏结长度;黏结强度基本随孔径的增加而减小。高聚物锚杆有较显著的黏结应力集中分布现象,主要黏结区域随着荷载增大逐渐向底部转移和扩大。

破裂围岩锚固体变形破坏特征试验研究

为了进一步揭示破裂围岩锚固体的承载机制，在自主研制的真三轴物理模拟试验系统的基础上，采用反复加卸载围压的方法预制破裂岩体，加锚后进行继续加载试验，研究破裂围岩锚固体以及锚杆的变形破坏特征。研究发现，随着锚杆预紧力的增加，锚固体变形模量随之增加，全应力一应变曲线呈现双峰特征。在锚杆预紧力较小的情况下，破裂围岩内部滑移块体主要沿原有裂隙面滑移，二次破坏较少发生且裂隙发育位置比较集中。在锚杆预紧力较大的情况下，滑移块体会发生二次破坏，破裂围岩锚固体新生裂隙倾角高、数量多且分布均匀。锚固体变形过程中锚杆控制角在空间以及时间上不断发展变化：锚杆压缩区在空间上为向围岩深部开口的喇叭形，其深度为1～1．5倍托盘直径；随着锚固体压缩变形，锚杆压缩区会发生二次甚至多次破裂。锚杆控制角在压缩区初次破裂时为50°～64°，在压缩区多次破裂后最终稳定为34°～56°。锚杆在破裂面附近受到两侧滑移块体剪切错动作用下处于压、张、剪复杂应力状态，弯曲变形严重，这反过来使破裂面两侧滑移块体出现一定程度的错动分离。

旋喷锚杆锚固体直径计算方法及影响参数试验研究

旋喷锚杆锚固体直径是影响锚杆抗拔力和可靠性的关键。基于高压旋喷破土扩孔的物理过程,提出一种便于实际应用的高压旋喷锚杆锚固体直径计算方法,并以三门核电站二期泵房32 m深基坑支护为背景,设计现场试验验证计算方法的实用性,通过将12根试验锚杆中的3根挖出,分析旋喷参数对锚固体直径的影响。结果表明:1受土体未被完全破碎和大颗粒土沉淀等因素的影响,旋喷锚杆锚固体直径的计算值比实测数据略小,喷射压力越小,钻进速度越快,计算值和实测数据之间的偏差越大;2钻杆螺旋运动和振动导致旋喷锚杆锚固体的形状近似为椭圆形,且表面有片状毛刺,喷射压力越大,钻进速度越快,锚固体的形状越不规则;3相同条件下,增大喷嘴直径和采用二次扩孔能够获得更好的成孔质量,为提高成孔工效,并防止出现射流剖面间断,应合理配置钻进速度。

Hoek-Brown准则下预应力锚索锚固体破坏的极限分析

针对预应力锚索锚固体的破坏形式,采用Hoek-Brown强度准则及其相关联的流动法则,分别考虑锚固体界面产生滑脱破坏与锚固体周围岩体发生整体破坏两种工况,根据塑性力学中的上限分析定理,推导出了锚索极限抗拔力的计算公式与锚固体的破裂机制,并分别讨论了锚固段灌浆压力、锚固段长度与岩体强度参数等对极限抗拔力与破裂面形状的影响。计算表明:一定范围内增大锚固段长度和采用压力灌浆是提高锚索极限抗拔力的有效措施;当锚固段周围岩体发生整体破坏时,随着岩体经验参数A、岩体抗拉强度、抗压强度与重度的增加,锚索极限抗拔力不断增大,而随着经验参数B的增加,锚索极限抗拔力则不断减小;锚固段周围岩体破裂面形状呈现出对称的"喇叭形",这与现有文献中的研究成果相一致,而且岩体经验参数B是影响岩体破裂面形状的重要因素,它决定了岩体破裂面的曲率大小,当B=1时,岩体破裂曲面退化为圆锥面。

抗拔荷载作用下锚固体与岩土体界面剪切作用

为了加深对锚固机理的研究,通过建立锚杆在受到拉拔荷载作用下锚固体界面侧阻力产生软化的数学模型,分析了锚固体与周围土体界面分别处于弹性状态、塑性状态、部分进入滑移状态、全部进入滑移状态4个阶段锚杆的轴力、位移和锚固界面剪应力,推导了锚杆产生松动的临界荷载、拉拔荷载与松动长度的关系及锚杆极限抗拔荷载的理论公式。结果表明,当锚杆在受到拉拔作用后滑移破坏首先在端部产生,然后荷载向锚杆里端传递,致使锚固体进一步破坏;根据拉拔荷载与锚杆松动长度之间的关系,当锚固体界面的侧阻力大于临界滑移的侧阻力时,在拉拔荷载作用下锚杆表现为渐进性破坏,当锚固体界面的侧阻力小于临界滑移的侧阻力时,则为突发性破坏。

锚杆预紧力对锚固体强度强化的模拟实验研究

锚杆预紧力在巷道支护中发挥着重要作用,但其对锚固体强度强化特征的研究仍存在不少问题;以砂蜡材料、预紧力锚杆和平面应变约束装置制作锚固分离体,在RMT-150C实验机上对其力学特性进行了研究。实验结果表明:锚固体的峰值强度、残余强度的强化系数和岩体强度、锚杆预紧力呈正相关,岩体强度一定时,随着锚杆预紧力的增大,强化系数逐渐增加,锚杆预紧力对锚固体峰后残余强度的强化大于对锚固体峰值强度的强化。锚固体的应变-应力全程曲线与锚杆受力存在着对应关系,锚固体屈服之前,锚杆受力增加缓慢;屈服点之后,受力急剧增加;峰后软化阶段锚杆受力逐渐增加,摩擦阶段锚杆受力处在不断的调整下降中。预紧力一定时,岩体强度越高,锚杆受力增加幅度越小;岩体强度一定时,高预紧力锚杆受力增幅较小;软弱岩层破坏后,锚杆载荷的损失比坚硬岩层大,预紧力锚杆对软弱岩层的作用比坚硬岩层明显。现场实践表明,提高锚杆预紧力能够有效控制围岩的变形。

锚固体应力分布规律的数值模拟分析

采用非线性有限元法,分析了全长粘结式锚杆在荷载作用下剪应力的分布规律,同时研究了被加固岩土体的性质对锚固体剪应力分布规律的影响。并将数值模拟的结果与理论计算以及试验结果进行了对比分析。分析表明,锚固体剪应力的分布非常不均匀;当荷载不大时,锚杆所受的剪应力分布范围较小,而最大剪应力数值较大;随着荷载的加大,剪应力的分布范围有向下扩展的趋势,但扩展的速度比较慢;锚固体所受的剪应力的大小和分布与岩体性质有密切的关系,岩石越坚硬,剪应力分布越集中,最大剪应力的数值越大;而岩体越松软,剪应力分布就越均匀,最大剪应力的数值就越小。

预紧力锚杆作用下锚固体的形成与失稳模式

高强锚固系统在深部及复杂软弱巷道围岩控制中得到越来越广泛的应用,但对该条件下的锚固体形成和失稳的认识仍不充分。笔者采用数值模拟方法研究了预紧力锚杆作用下锚固体的形成因素及原岩应力作用下锚固体的失稳规律。结果表明:预紧力一定时,锚杆间距越小,附加应力就越大;锚杆间排距一定时,预紧力越大,附加应力就越大,附加应力在锚固体范围岩体中呈纺锤形,压力从巷道表面处逐渐衰减,在锚固起始端呈锥形分布;锚固段越短或预紧力越大,压缩区域就越大,锚固体的范围就越大,但锚固段长度对锚固体的影响较为明显。原岩应力环境中,巷道围岩锚固体失稳类型有锚杆断裂型、锚固脱黏型、岩体主导破坏型和锚固体复合型破坏型;岩体强度、锚杆预紧力、原岩应力侧压系数、埋深、锚杆间排距等对锚固体失稳的作用依次减小。

高聚物锚固体与土体黏结特征试验与数值模拟

针对高聚物锚固体与土体相互作用机理认识不足、黏结强度参数不完善的问题,采用中心拉拔的大比尺模型试验,测试了低密度(0.11~0.13 g/cm^3)高聚物锚固体与土体间的黏结特性,获得了锚杆加载端的荷载-位移曲线以及锚杆轴力、界面黏结力的分布规律,得出了低密度高聚物锚固体与不同状态土体的黏结强度值;从细观力学角度出发,采用颗粒流软件(PFC2d),建立了锚杆杆体-高聚物锚固体-土体的三相锚固体系数值模型,对拉拔荷载作用下高聚物锚固机理进行分析,通过和模型试验结果的对比,验证了数值模型的合理性,并重点探讨了土体应力和孔隙率的变化规律。试验结果为高聚物锚固注浆设计及应用提供了参数依据,颗粒流模型为高聚物锚固机理的细观尺度研究提供了一种可行的手段。

螺纹钢横肋作用下锚固体应力分布与破坏规律

在柱坐标系下将拉拔状态下的锚杆空间受力问题简化为平面应变问题。基于ABAQUS仿真软件建立全长黏结式螺纹钢锚杆有限元模型,研究螺纹钢横肋作用下的锚固体应力分布特征。选取单元锚固体,建立有限元模型并数值计算,重点分析了树脂破坏面的演化特征以及螺纹钢横肋面角q、径向尺寸系数d/D和横肋间距L对锚固体破坏的影响。结果表明,螺纹钢锚杆的应力分布显著不同于圆钢锚杆;拉拔状态下螺纹钢的轴向应力较圆钢沿轴向衰减速率更快,树脂-杆体接触面剪切应力值沿轴向呈现锯齿状分布。螺纹钢横肋几何参数q,d/D,L对锚固体的强度和破坏失效形式有直接影响。联合分析螺纹钢锚杆全长应力分布与单元锚固体的破坏失效形式,总结了横肋作用下的锚固体失效的时空演化规律。

新型压力分散型预应力锚固体系现场生产性试验

压力分散型预应力锚固体系是一种日益被广泛应用于岩体锚固的新型锚固体系之一。本文全面介绍了该锚固体系在三峡水利枢纽工程右岸地下电站尾水渠边坡进行的现场生产性工艺试验情况。

动载作用下端锚锚固体力学响应特征研究

为研究动载作用下巷道围岩失稳破坏机制,基于SHPB试验系统,研究了不同冲击气压(0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 MPa)下预应力端锚锚固体的应力波传播规律及层裂破坏特征,采用图解法计算了锚固体试件的层裂强度及应变率,建立了锚固体层裂损伤模型并采用高速摄像机进行了验证。结果表明:不同冲击气压下试件应力波峰值应变均呈指数形式衰减,且空间衰减幅值及衰减指数与冲击气压呈正相关关系;锚固体试件层裂首先发生在自由端附近,沿反射波传播方向层裂厚度逐渐增加,0.3 MPa冲击气压以上,试件每两处层裂面中间产生一道新层裂;在18~33 s^(-1)应变率范围内,应变率率效应占主导地位,层裂强度最高达69 MPa,而应变率为41 s^(-1)时,层裂强度降低至17 MPa;锚固体自由端在动载冲击后出现层裂闭合现象,但在锚固端由于锚固界面残余黏聚力作用,层裂位置未发生闭合现象。

岩体离层对锚固体荷载影响的弹塑性分析

巷道围岩由于变形不协调而产生离层,离层对锚杆产生附加应力。在已有弹性分析的基础上,根据岩层相对移动时拉拔载荷对锚杆的作用机制,建立了离层进一步扩展、锚固体界面进入弹塑性阶段的锚杆受力模型。通过选取二阶段线性函数剪切滑移模型,确定了离层左右两侧的滑移范围,并得出锚固体的应力分布形式。总结出离层作用下锚固体的受力过程一般分为4个阶段:弹性阶段、单侧进入弹塑性阶段、离层两侧均进入弹塑性阶段和一侧全部滑移、另一侧滑移范围增大阶段。通过对不同离层值和离层位置的参数分析得出:在相同离层位置条件下,离层值越大,离层对锚杆产生的附加应力就越大;在相同离层值条件下,弹塑性阶段基本趋势和弹性阶段相同,表现为锚杆中心处应力最小,越靠近边缘离层产生的附加应力越大。

深井巷道围岩锚固体流变控制力学解析

围岩流变是深井巷道变形破坏的主要特征,通过相似材料无锚体及锚固体蠕变实验,得出了锚固体蠕变特征及控制模式,建立了深井巷道围岩锚固体流变控制力学模型,分析了各因素对围岩锚固体流变稳定性的影响,确定了基本锚杆支护参数,最后进行了工程算例与实测对比。结果表明:锚固体流变的基本特征有别于无锚岩体,不仅表现出锚固体位移比无锚岩体位移小,而且锚固体呈现等速蠕变阶段时间长及蠕变应力水平高的特点,且锚固体存在明显的蠕变二阶段(主要)或三阶段(次要)特征;巷道围岩锚固体流变稳定性主要与围岩所处应力水平、锚固厚度、断面尺寸及加锚弹性模量有关;合理的锚杆支护参数能够实现巷道围岩锚固体流变稳定,实测数据与理论计算较为吻合,巷道支护效果显著。