加锚岩体的界面应力元模型

基于不连续介质变形体的界面应力元法建立了加锚岩体新的数值模型，该模型可以仿真各种加固锚件的复杂几何布局，对加固锚件的位置、长度、倾向、倾角等均无任何限制和要求。数值算例表明：文中的计算模型能够较好地揭示加锚岩体的工作性态，具有广阔的应用前景。

加锚岩体的阶谱复合单元法研究

加锚岩体有着复杂的非线性的变形模式,常规的线性基函数不能满足成模拟这种非线性的要求,若进一步细分网格,又会增加前处理的工作。引入阶谱技术,建立阶谱复合单元法,其基本思想是在复合单元中增加虚节点,扩大容许函数容量,通过使用阶谱基函数,提高计算精度。在广义节点下分析复合单元,使用阶谱复合单元法模拟加锚岩体,随着升阶,能够从物理本质上更好的拟合加锚岩体复杂的力学性质;在粗糙单元网格下逼近真实值,减轻网格的束缚。对阶谱复合单元法进行理论推导和实例研究,通过与有限单元法和复合单元法计算结果的比较,发现在较粗糙计算网格情况下随着升阶,阶谱复合单元法计算结果有明显的改善。

考虑界面特性的加锚岩体组合单元模型

针对加锚岩体的数值模拟,通过锚杆轴向位移自由度的引入,建立了考虑界面黏结滑移性质的加锚岩体组合单元模型,并导出了组合单元的相关列式.算例表明,采用该模型进行加锚岩体分析时,锚杆可以穿过实体单元的任意部位,可为真实地反映锚杆的复杂几何布局与工作特点提供便利.

加锚岩体的组合模型及加固效应分析

针对加锚岩体的数值模拟，为了真实反映各种锚固件的复杂几何布局，提出了采用三维加锚岩体的组合模型，利用有限元法中的位移插值理论和静力等效原则建立加锚岩体组合单元的相关列式，并提出相应的实施细则，避免了传统概化模型引入的误差，从而为全面揭示加锚岩体的工作性态提供依据，同时，文中对锚固件的效应作了讨论。

加锚岩体细观破坏数值模拟

将端部锚杆模型应用到改进刚体弹簧方法中,建立了加锚岩体细观破坏数值模型。考虑拉裂和剪切2种破坏模式,拉裂破坏通过拉裂强度进行判断,剪切破坏通过Hoek-Brown准则进行判断。算例表明,锚杆的施加在细观尺度上遏制了张拉裂隙的产生并使剪切裂隙相应增多,显著提高岩体的单轴抗压强度,并抑制岩体的侧向变形。

加锚岩体力学效应的研究

岩体加锚的物理力学效应非常明显。利用理论分析和界面元数值模拟研究了锚杆对岩体内聚力、内摩擦角值的影响,讨论了不同的锚杆倾角及密度对岩体内聚力、内摩擦角值的影响程度。在此基础上,给出加锚后岩体等效内聚力的近似计算式。

冲击载荷下加锚岩体抗剪力学特性

为深入研究冲击载荷下加锚岩体抗剪力学特性,采用实验室试验的方法对2种锚杆材质的加锚岩体开展了不同冲击能量和预紧扭矩下的侧向冲击试验,分析了不同锚杆材质和预紧扭矩对加锚岩体在冲击载荷下抗剪力学性能的影响,监测了落锤冲击力-时程曲线,并利用高速摄像机捕捉了试样冲击变形的全过程。试验结果表明:加锚岩体冲击过程可分为落锤释放、锤岩下移和分离回弹等3个阶段。试样顶底面均为轴向剪切裂缝和伴随竖向裂缝;前面和背面均为腹剪斜裂缝和竖向裂缝;交界面裂缝以钻孔为中心向四周呈放射状分布,且上半部分裂缝数量明显多于下半部分,裂缝宽度多在10 mm以内。在一定范围内,中部混凝土块顶面和交界面破坏程度均随冲击能量的增大而增大,随预紧扭矩的增大而减小。锚杆受动态剪切会发生弯曲、径缩甚至断裂。在一定范围内,冲击能量越大,锚杆弯曲变形越大;预紧扭矩越大,锚杆抗冲击变形能力越强。CRM700型锚杆的抗冲击变形及破断能力均优于HRB500型锚杆,其能够显著提高加锚岩体的整体抗冲击性能。根据冲击力-时程曲线又可将冲击过程分为强冲击阶段、震荡阶段和衰减阶段。强冲击阶段时间仅1 ms左右,主要为锤头与试样发生接触;震荡阶段持续时间达10 ms左右,主要发生混凝土块的破裂失效和锚杆的弯曲变形。锚杆材质和预紧扭矩对加锚岩体在冲击载荷下的抗剪力学性能影响显著,使用CRM700型锚杆或施加适当的预紧扭矩均可提高加锚岩体的抗剪力学性能。

加锚岩体侧向冲击载荷下动力响应规律研究

锚杆支护系统是控制深部脆性岩体动力灾害的重要技术手段,但动态锚固理论仍滞后于工程实践。根据实际工程中锚杆支护脆性岩体动态破坏特点,通过室内相似物理模型试验研究了加锚岩体侧向冲击载荷下的动力响应规律,分析冲击能量和锚杆力学特性对岩体力学行为的影响。试验结果表明:加锚岩体裂缝模式以剪切裂缝和受弯裂缝为主,跨中斜裂缝密集性高,斜裂缝与垂直方向夹角约45°,加锚岩体中的锚杆强度和韧性能抑制裂缝的发育,尤其是抑制贯通的裂缝。锚杆强度越高、冲击吸收功越大,加锚岩体的裂缝开度越小,加锚岩体整体吸能能力越强;冲击速度和锚杆强度对加锚岩体的落锤冲击力和锚杆轴力有一定影响。冲击速度越大,加锚岩体的冲击力平台值和锚杆轴力平台值越大,相应的作用时间越短;锚杆强度越高,冲击力平台值相应越大,冲击作用时间越短,冲击力衰减斜率越大;锚杆可显著提高岩体表面的应变峰值,改善岩体表面的拉应变状态。整体来看,锚杆强度和韧性对岩体抗冲击性能影响显著,通过提高锚杆强度和韧性可改善岩体的抗冲击性能。

加锚断续节理岩体断裂损伤模型在硐室开挖与支护中的应用

应用断裂力学与损伤力学理论,对复杂应力状态下脆性断续节理岩体的本构模型及其断裂损伤机制进行研究。根据应变能等效的方法和自洽理论,建立加锚断续节理岩体在压剪、拉剪应力状态下的断裂损伤本构模型;且建立裂纹在压剪和拉剪状态下的损伤演化方程。基于以上的本构模型和损伤演化方程,编制三维有限元程序,并将其应用于琅琊山抽水蓄能电站地下厂房硐室开挖与支护工程的稳定性分析中,研究地下厂房硐室在开挖支护过程中的稳定性。重点分析硐室围岩在开挖过程中的应力状态、变形特性及损伤演化过程。将计算所得出的硐室开挖边界附近的位移值与原型观测值进行比较,得出一些对工程有指导意义的结论。

加锚节理岩体断裂损伤模型及其应用

基于等效应变能原理，在分析压剪、拉剪应力状态下加锚节理面的受力与变形特点的基础上，运用断裂损伤力学的方法建立了加锚断续节理岩体的本构模型及其损伤演化方程，并将该成果应用到黄河小浪底水利枢纽工程地下厂房洞室群施工稳定性分析中．结果表明，该模型能较好地反映加锚节理岩体力学特性及开挖卸荷过程中围岩渐近破坏的规律．

加锚节理岩体的复合单元法研究

加锚节理岩体有着复杂的细部结构和力学行为,常规的数值模型很难满足模拟这种力学行为的要求。进一步发展了笔者建立的加锚岩体的复合单元法,提出加锚节理岩体的复合单元法研究。在不考虑锚杆、节理等细部结构的情况下划分网格,分别定义了加锚岩体复合单元、不连续岩体复合单元和加锚节理岩体复合单元,并建立了其数值模型。同时,在复合单元中还定义了不同材料介质的子单元用来模拟加锚节理岩体内复杂的细部构造。对加锚节理复合单元法进行了理论推导和算例研究,通过与常规有限单元法计算结果的比较,表明了加锚节理岩体复合单元法的合理性,同时也突出体现了其前处理简便的优势。

加锚多组有序裂隙类岩体单轴破断试验分析

为研究锚杆对多组有序裂隙岩体的作用机制,以水泥砂浆预制多组有序裂隙类岩体,采用玻璃纤维塑料筋材(GFRP)模拟锚杆,对预制的类岩体进行全长锚固,制作多组不同锚固条件下的试件。将预制试件在RMT-150伺服试验机进行单轴压缩破断试验。根据试验结果提出了主控裂纹的概念,认为主控裂纹的贯通导致了试件强度的弱化。分别从细观上研究了锚杆对多组有序裂隙类岩体主控裂纹的起裂、扩展和贯通影响机制;从宏观上研究锚杆对多组有序裂隙岩体峰值强度、残余强度以及抗变形能力的影响。研究发现:锚杆锚固后多组有序裂隙类岩体主控裂纹由纵向—倾斜—横向贯通为主的扩展、贯通模式转变为横向—纵向—倾斜的模式,主控裂纹路径更长且贯通过程受到锚杆锚固限制,具体表现为锚杆锚固改变了裂纹尖端的应力强度因子使得类岩体试件抗变形能力更大、试件的峰值强度和残余强度更高。但并非加锚密度越大,类岩体强度越高,适当的加锚密度才能获得更好的支护效果。

加锚贯通节理岩体宏细观剪切破坏特性

为了研究加锚贯通节理岩体的剪切破坏特性,根据室内实验及数值模拟软件PFC2D,分析了不同法向应力及不同锚固角度作用下,加锚贯通节理岩体的抗剪性能及内部细观裂纹的演变过程。研究表明:(1)随着锚固倾角的增加,加锚节理岩体抗剪强度呈现先增大后减小的趋势,且在锚固角度为60°时,其抗剪强度最大,锚固效果最好。随着法向应力越大,加锚节理岩体抗剪强度越高,其抗剪性能越好。(2)随着剪切位移的不断增加,由初期阶段在锚杆和节理附近产生的少量裂纹通过不断的向外扩展,最终在锚杆和节理交界处聚集了大量的裂纹,其中裂纹以张拉裂纹为主。(3)锚固角度及法向应力对裂纹扩展影响显著,随着法向应力的增加,裂纹数也呈现了增加的趋势,且岩体破坏越严重。随着锚固角度的变化,加锚节理岩体破坏时形成的裂纹数量有先减小后增大的趋势,且在锚固角度为60°时,产生的裂纹最少。

采用拉格朗日法分析加锚节理岩体的锚固效应

根据拉格朗日法能模拟材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形的特点,从变形-锚固的角度分析了加锚节理岩体的锚固效应。所得成果对边坡的锚固设计及稳定性评价具有指导意义。

基于CEM的加锚节理岩体动力学算法研究

复合单元法(CEM)是一种准确和快速的数值模拟方法,能够实现模型中结构面和加固措施的快速模拟,在静力学方面取得了大量研究成果。但是,动力学计算方面还未实现对加锚节理岩体动力学计算,针对此问题,本文进一步发展了复合单元法,提出了加锚节理岩体复合单元法动力学算法,并首次将粘弹性边界在复合单元上进行了应用,建立了惯性力、阻尼力、动力荷载及弹性力作用下的复合单元动力系统的控制方程组,编制了相应程序,通过算例证明了算法的合理性,为加锚节理岩体的动力学计算研究提供了一个新的思路。

单向加锚双向增强岩质材料力学参数试验研究

岩土锚固技术在边坡工程和地下洞室支护过程中有着广泛的应用,能将较不稳定的岩土体锁固在稳定的地层中,但因岩体结构的复杂性导致岩体存在着沿其结构面破坏的趋势,使锚杆不但承受沿其轴向的抗拉作用,还应发挥沿结构面方向的抗剪作用。为验证单向加筋对岩石力学参数的双向增强作用,基于相似理论,以西南地区常见的灰岩为参照对象,进行了不同加锚方式、不同加锚密度条件下加锚岩体双向增强作用效应的相似材料力学试验。试验结果表明:岩体加锚后,不仅对其轴向有加固作用,对径向也有一定加固作用。当加锚密度一定时,与水平加锚试样相比,垂直加锚试样的抗压强度及弹性模量提高效果更为显著,最高可达到20.60%和41.51%;在加锚方式相同的情况下,加锚密度越大,加锚岩体抗压强度和弹性模量越大,且抗压强度在加锚率0.22%附近增长最快。同时,单向加筋对其垂直面上的抗剪强度有显著提高,尤其体现在黏聚力上,最高可达199.04%,而内摩擦角值变化不大。根据试验数据,拟合了加锚复合材料轴向及径向力学参数与其加锚率之间的函数关系,得到加锚复合材料横观各向同性力学参数,可为后续的岩土体稳定性计算提供依据。

锚固后岩体稳定性分析的能量法初探

现有常规的锚固后岩体稳定性分析方法是建立在传统岩体稳定性分析方法的基础上,仅把锚杆的作用简化为一个抗滑力,没有考虑锚杆的锚固作用对岩体滑移面上应力分布的影响。作者以一种新的思路来分析加锚岩体的稳定性,其中的一个重要思想是:滑裂面的极限抗剪强度是在滑裂面发生一定相对错动后才能完全发挥。根据新的思路并考虑锚杆锚固效应对滑裂面上应力分布的影响,新方法将从能量角度判定岩体的稳定性。

锚杆松弛与岩体蠕变耦合预应力损失模型研究

为研究预应力锚杆作用下节理岩体的变形破坏,通过引入描述锚杆弹塑性变形的普兰特体对原有广义开尔文模型进行修正,建立起描述外荷载作用下锚杆预应力损失与围岩变形破坏的耦合模型。研究表明:(1)锚杆预应力损失分为两个阶段,且第一阶段预应力损失占总体预应力损失的比重达到92%以上;(2)通过定义松弛时间并绘制松弛曲线,利用岩石蠕变屈服强度进行分段处理,选择与室内试验最为接近的松弛曲线,从理论上说明预应力损失分段的合理性;(3)结合室内试验数据,对耦合模型进行参数识别,并通过拟合系数R2的值非常高说明该耦合模型的准确性。通过考虑锚杆的弹塑性变形,可以更好地反映围岩的变形,有利于围岩的后期支护与安全。

考虑弱面注浆因素对加锚层理边坡抗剪性能影响的力学机制分析

针对层理边坡预应力锚杆加固工法中存在的缺陷及隐患,通过对加锚层理边坡力学机制的理论推导及试验对比分析,得出锚杆设计倾角的变化会对锚杆的抗拔力和加锚层理弱面的抗剪强度产生相反的影响,从而设计时,使两者难以协调兼顾。为此,提出压力注浆与锚杆复合加固工法可以克服此类问题的观点,并经过对加锚注浆节理模型的力学分析,推出压力注浆能够提高加锚层理边坡的抗剪强度及抗剪刚度的结论,为这种复合加固工法提供理论依据。最后通过具体的工程实例,使该工法得以实际运用与验证,并就工法工艺中的几个关键技术问题予以说明。

加锚节理面结构强度特性研究

从加锚节理岩体系统的变形破坏过程出发,基于节理剪胀效应建立了节理面抗剪性能理论分析模型,研究节理处锚杆应力与层面切向变形状态的关系,提出了"等效抗剪强度相对贡献率"的概念,并将其作为评价加锚节理岩体加固效果的指标,初步探讨了锚杆的理论最优安装角。