具有锚固缺陷的锚固锚杆结构动态拉拔性能数值试验研究

为探索动荷载作用下锚固缺陷对锚固锚杆结构粘结滑移性能的影响,分析锚固界面的粘结性能及损伤机理,阐明加载速率、锚固缺陷长度对锚杆受力的影响规律,本研究对含有锚固缺陷的锚固锚杆结构进行动态数值试验研究。结果表明:锚固锚杆结构粘结强度随加载速率的增大而增加,随锚固缺陷长度的增加而减小;当加载速率为5000 mm/s时,锚固锚杆结构的动态强度增长因子为3.01,具有明显的加载速率效应。在锚杆拉拔过程中,随锚固缺陷长度的增加,锚固锚杆结构的峰值载荷呈现递减趋势,而界面剪切力呈增加趋势。不同加载速率下,随锚固缺陷长度的增加,锚固锚杆结构峰值荷载位移逐渐降低,锚固界面粘结强度也随之逐渐降低,锚固界面失效面积增加。

高频导波检测锚固锚杆缺陷数值模拟研究

前期研究证实对于地下工程中广泛使用的锚固锚杆结构只有大于1 MHz的高频导波具有衰减最小的检测模态,但由于高频导波数值模拟复杂性其研究结果均集中于试验测试,这就使得对高频导波传播特性的研究十分受限。为探究高频导波传播规律并能将其应用于现场锚固质量的检测,采用ANSYS/LS–DYNA有限元软件通过参数优化实现了锚固锚杆数值模型的建立。通过分析不同锚固体厚度对波形的影响得到了能用数值模拟有限尺寸模型代替现场无限锚固厚度尺寸模型的最小外径;理论上导波主要沿钢杆内部向前传播,且锚杆径向体现波导结构形状,因此采用锚杆径向网格设置最密,锚固体径向与杆体轴向网格设置相对稀疏的方法实现了单元数目最小化;鉴于不同首波宽度的导波频散特性不同,对其在无缺陷及带缺陷锚杆中的传播过程进行研究,得到最优首波宽度为0.04 ms;基于上述优化后的3个参数分别建立完整锚固锚杆与带缺陷锚固锚杆数值模型,数值计算结果与文献中实验室测试结果高度吻合,证明所建立数值模型正确有效,真正实现了有限计算资源下高频导波在锚固锚杆传播应用中的准确模拟。在此基础上搭建含不同缺陷特征的锚固锚杆模型,对缺陷位置及深度进行研究,结果表明特定频率的高频导波能够对钢杆缺陷进行准确定位,同时依据缺陷回波幅值与底端回波幅值之比可大致确定缺陷面积。

端部锚固锚杆预应力场分布特征研究

为探明端部锚固预应力锚杆在隧道围岩中所形成的压缩带应力分布特征,先结合室内试验和数值模拟手段分析单根预应力锚杆作用下的围岩响应;然后,采用ABAQUS软件研究不同预应力大小、长度及间距的锚杆群在马蹄形隧道围岩中形成的径向应力的分布规律,并对压缩带内径向应力分布规律进行进一步分析探讨。研究结果表明:1)端锚型锚杆预应力所形成的压缩带主要集中在未锚固段围岩中,而锚固段围岩中由于锚杆剪力作用会形成拉应力集中区;2)随着锚固长度的增加,压应力区明显减小,全长锚固时,仅在垫板端附近极小范围内形成压应力区,无法较好地发挥预应力的扩散效果;3)群锚预应力形成的连续压缩带厚度随间距减小明显增大,但随长度增大变化不明显;4)短锚杆更易在杆长范围围岩内形成连续压缩带,而长锚杆无法在整个杆长范围围岩内形成压缩带,其应力扩散效果有限。

扭转导波在锚固锚杆中传播的数值模拟

采用有限元数值模拟的方法研究了扭转导波在锚固锚杆中的传播性质。建立了自由锚杆和锚固锚杆的有限元模型,在锚杆顶端激发20～60 kHz扭转导波信号,计算得到导波在自由锚杆和锚杆锚固段的传播速度值与理论值吻合很好,证明了扭转导波数值模拟方法的有效性。数值模拟结果表明:随着激发波频率的增大,扭转导波在自由锚杆和锚杆锚固段中的衰减值均呈线性递增趋势,导波在锚杆锚固段上界面的反射回波逐渐减弱;扭转导波在锚杆锚固段的衰减值较大,无法在锚杆顶端采集到锚杆底端反射回波信号,所以扭转导波不适用于锚杆长度的检测;随着锚固介质弹性模量的增大,同一频率扭转导波在锚杆锚固段上界面的反射波逐渐增强。通过检测扭转导波在锚杆锚固段上界面的反射回波,可以确定锚固介质弹性模量的大小。

基于实际围岩变形的全长锚固锚杆杆体应力分布特征分析

在全长锚固锚杆支护过程中,锚杆与围岩之间会相互作用,进而引起锚杆应力分布变化。为探究全长锚固锚杆正常支护过程及临界失效时锚杆应力分布规律,以围岩变形为基础,建立了锚杆-围岩相互作用模型,推导出锚杆在正常支护过程中及临界失效时轴力及剪应力沿杆长分布解析表达式,进而获得了轴力及剪应力沿杆长分布曲线。并在考虑锚杆及锚固剂弹性模量、锚杆及锚固剂横截面面积等锚固参数的条件下分别分析了围岩条件、锚杆长度、托锚力对全长锚固锚杆杆体应力分布的影响。结果表明:在全长锚固锚杆正常支护过程中,杆体应力分布符合中性点理论;影响锚杆轴力、剪应力分布的因素有围岩条件、锚固参数、托锚力;在锚杆正常支护过程中,全长锚固锚杆杆体应力分布符合中性点理论,随着围岩变软,锚杆为了限制变形,中性点向孔口方向移动且所受轴力、剪应力增大;托锚力影响杆体应力分布,托锚力越大,轴力分布越不均匀,且孔口到中性点处剪应力越小,中性点到杆端剪应力越大。所以在工程实际中可实时监测锚杆托锚力,依靠本文理论依据可深入揭示锚杆支护过程中受力特征;在锚杆支护临界失效时,围岩越坚硬,剪应力及轴力越大,且分布更加集中;锚杆长度影响全长锚固锚杆的支护性能,但在锚杆长度超过一定范围后再增大锚杆长度并不能显著提升锚杆的锚固效果。

全长锚固锚杆拉拔试验研究

支护设计最基本的指标是支护能力,即支护的最大承载力。锚杆的支护能力是锚杆对围岩的最大锚固力,由于锚杆在岩土介质中受力的复杂性、多变性,因此锚固能力的计算十分困难。工程中常用拉拔试验来确定粘锚能力,但由于拉拔试验时锚杆体上的粘结剪应力分布与锚杆实际工作时不同,拉拔力并不能作为锚杆的粘锚能力。研究认为,可根据拉拔试验和锚杆的实际承载状态下载荷分布规律的不同,得出最大拉拔力和锚固力之间的关系,为正确地利用拉拔试验来检验锚杆安装质量和评估锚杆锚固能力提供理论依据。

高阻力全长锚固锚杆围岩控制的机理和效果

论述了具有强初撑、急增阻、高阻力效应的预应力全长树脂锚固锚杆对巷道围岩大变形的控制机理，以及高阻力全锚锚杆和低阻力端锚锚杆的锚固力和支护效果。

全长锚固锚杆的剪应力分布规律研究

文章从锚杆剪应力—剪切位移本构模型出发,得出了锚杆处于弹性阶段、塑性阶段和残余强度阶段的剪应力表达式;并以此为基础,研究了三个阶段的剪应力分布规律,阐述了锚杆载荷传递特性,为锚杆锚固机理的研究和锚杆锚固状态的监测提供理论基础。

自动锚固锚杆

总结锚杆技术，采用设计与试验相结合的方法研制出一种可回收自动锚固锚杆。其自动锚固头结构独特，安装简便，自动锚固，受力迅速，降低成本，经济效益好。

考虑脱锚的全长锚固锚杆典型工况力学特性分析

全长锚固锚杆存在连续变形承载、非连续变形承载和拉拔承载3种典型工况。为系统研究全长锚固锚杆在不同典型工况下的力学特性,利用经过验证的数值模拟方法以及开发的脱锚算法开展数值试验,分析不同连续变形量级、不同裂隙参数与不同围压拉拔条件下全长锚固锚杆的轴力与剪应力分布规律,以及脱锚对不同工况条件下锚杆力学特性的影响。研究结果表明:(1)在连续变形工况下,全长锚固锚杆的轴力沿杆体先增大后减小,中性点以外剪应力指向锚杆头部,逐渐减小;中性点以里剪应力指向锚杆尾部,先增大后减小。锚杆头部脱锚后,中性点向锚杆尾部转移,脱锚范围轴力与剪应力基本为0。(2)在非连续变形工况下,全长锚固锚杆轴力峰值与裂隙对应。脱锚前轴力与裂隙张开位移呈正比,剪应力在裂隙位置达到峰值,向两侧呈指数衰减,但方向相反;在裂隙位置脱锚后,轴力在脱锚段保持最大值,剪应力在脱锚范围两侧达到峰值,脱锚范围两侧剪应力方向相反。(3)在拉拔工况下,全长锚固锚杆的初始拉拔力快速增大,渐进脱锚后拉拔力表现为锯齿形升降,完全脱锚后拉拔力迅速衰减。峰值和残余拉拔力随围压而增大。未脱锚时轴力与剪应力从锚杆头部向尾部呈指数衰减;部分脱锚时轴力在脱锚段达到最大,剪应力峰值转移至脱锚范围以里;全部脱锚后轴力沿锚杆呈线性衰减,并随围压而增大。

导波模态类型对锚固锚杆无损检测的影响

纵向模态、扭转模态和弯曲模态超声导波在锚固锚杆结构中衰减的差异性巨大,研究这3种模态超声导波的传播规律对无损检测中测试波的选择具有重要指导意义.应用全局矩阵法的理论计算方法和数值模拟方法分别对这3种模态导波的频散规律和传播规律进行研究,两种方法的研究结果吻合较好.研究结果表明,纵向模态在高频范围内存在衰减为20~44 dB/m的超声导波;扭转模态的所有导波衰减都大于180 dB/m;弯曲模态的导波衰减也大于50 dB/m.因此,纵向模态高频范围的超声导波由于衰减小、易激发等优点可以作为无损检测中的首选测试波.

托板对全长锚固锚杆内力的影响

本文以托板与围岩相互作用为前提,导出了托板反力表达式,并着重分析了托板对全长锚固锚杆杆体内力的影响,得出了对全长锚固锚杆机理的若干新结论。

围岩变形作用下全长锚固锚杆受力特性非线性分析

全长锚固锚杆对隧洞围岩支护过程中,锚杆与围岩之间的相互作用将使得锚杆在围岩变形作用下产生界面剪应力和轴力变化。针对隧洞围岩中全长锚固锚杆受力分析问题,通过引入一般性双指数曲线模型来描述锚固界面剪应力与剪切位移的关系,从而建立围岩变形作用下全长锚固锚杆受力模型与非线性解答,研究锚杆轴力和界面剪应力的分布特征及其随围岩径向位移的发展而产生的演变规律,并探讨界面残余剪切强度和锚杆长度的影响,结果表明:在围岩径向位移作用下,全长锚固锚杆轴力呈现中间大两头小的曲线分布,且随围岩径向位移发展,界面剪应力在两端先逐渐增加至峰值剪切强度,而后逐渐衰减至残余剪切强度,以致锚杆轴力呈现先增加后减小的演变规律;增加锚杆长度一定程度上可提高其对围岩的约束作用,但锚杆过长时,锚固界面将产生局部塑性变形或软化,削弱对围岩的约束作用;围岩径向位移越大,界面残余剪切强度对锚杆受力特性的影响越显著,其可提高锚杆对围岩的整体约束作用。研究成果对围岩全长锚固锚杆受力分析与设计具有一定的参考价值。

快速预应力双锚固锚杆锚固性能研究

在软岩巷道设计施工中,基于浅部常应力场的普通非预应力锚杆支护已很难满足工程的安全性要求,以树脂药卷作锚固剂的预应力锚杆在这类地层应用时,采用现有的普通锚杆杆体很难达到良好的预应力效果。为了克服现有的以树脂锚固剂为粘结剂的预应力锚杆的缺陷,提出一种新型的锚杆,即快速预应力双锚固锚杆。该锚杆从锚杆结构上借鉴了自旋锚杆和树脂锚固剂锚杆的各自优点。施工时能够实现中间无停顿快速安装和全长锚固情况下的预应力效果。通过锚固力试验揭示出自旋结构端锚头形式双锚固锚杆的可行性。

全长锚固锚杆支护力学分析

通过对全长锚固锚杆支护机理论证分析 ,借助于塑性区半径、塑性区径向位移等计算式 ,以平衡条件和物理方程为基础 ,推导出锚杆支护参数设计计算公式 ,给出了锚杆长度。

全长锚固锚杆的受力分析

建立了全长锚固锚杆的简化模型,分析了锚杆的受力状态,对己有的“中性点”理论提出了一些不尽相同的看法.最后,表述了笔者对锚杆结构的观点.

机械式可回收锚固锚杆支护机理的数值分析

借助通用结构分析软件ANSYS深入地对可回收机械式锚固锚杆的作用机理进行了研究,探讨了锚杆作用对锚固体应力与变形状态的影响以及锚杆对锚固体的作用范围,比较了不同类型锚杆的作用效果。

沿空掘巷全长预应力锚固锚杆支护技术的应用

漳村煤矿2203回风巷与刚刚结采的2202工作面相邻,为小煤柱沿空掘巷,该矿采用全长预应力锚固锚杆支护技术达到了较好的效果,满足了巷道的使用要求,为采动影响下沿空掘巷提出了新的方案,取得了特殊条件下开掘锚网支护巷道较好的实践经验。

考虑锚-岩界面相对滑移的圆形巷道全长锚固锚杆力学性能研究

为了更好地揭示全长锚固锚杆与围岩的相互作用机制,基于圆形巷道弹塑性变形理论,通过考虑锚杆与围岩之间的相对运动,建立了全长锚固锚杆与围岩耦合作用的弹塑性力学模型。基于有限差分法(FDM)提出了一种求解耦合力学模型的简化数值程序,利用MATLAB软件编程得出了所提出模型的数值解。通过与现场监测数据的比较,验证了所提出模型的正确性。随后基于该模型分析了岩体的弹性模量、剪胀角以及托盘刚度对锚杆支护性能的影响。最后,为探究锚杆的最佳安装时间分析了不同应力释放率下锚杆的支护性能。结果表明,当应力释放率未超过60%之前,锚杆的支护效果随应力释放速率的增加而线性下降;之后,锚杆的支护效果迅速下降。因此,采用全长锚固锚杆支护时最好在巷道开挖后应力释放率未超过60%之前进行。

基于软岩巷道围岩峰后变形的全长锚固锚杆力学特征分析

采用全长锚固锚杆对巷道支护时,高应力软岩的连续变形引起锚杆内力分布产生复杂变化。为探究全长锚固锚杆承载特征,特别是杆体由正常承载到临界及脱黏承载时的力学特性演化规律,以巷道开挖面空间效应下的围岩二次释放位移为基础,考虑围岩塑性阶段的强度软化和体积扩容特征,建立锚杆-围岩在正常支护、临界支护和滑移脱黏3种典型工况下的相互作用模型,推导出锚杆轴力与锚固界面剪应力沿杆长分布的解析解,并系统地分析滞后支护距离(支护时机)、扩容系数、锚杆长度、残余剪切强度、托盘反力等对杆体内力分布规律的影响。研究结果表明:(1)在正常支护工况下,锚杆内力分布符合中性点理论。锚杆轴力由孔口沿杆体快速上升,在中性点处达到峰值后向着孔底呈现指数衰减特征,锚固界面剪应力在孔口至中性点部分由最大值快速衰减至0,之后沿杆体先增大后减小,中性点两侧的剪应力方向相反。锚杆轴力和锚固界面剪应力均随着滞后支护距离的增加而减小,随着扩容系数、锚杆长度的增加而增大。(2)在支护临界工况下,锚杆中性点移动至孔口,轴力在孔口处达到最大,并沿杆体向孔底方向快速衰减为0;锚固界面剪应力呈“拱形”分布,杆体两端剪应力为0,方向指向孔底,对围岩产生明显的压应力作用。在较软弱围岩条件下,较早支护时机和较大锚杆长度均有利于快速提高锚杆锚固力,但杆体易在孔口附近发生破断。(3)在滑移脱黏工况下,锚杆孔口处的脱黏范围与扩容系数、锚杆长度呈正相关,与残余剪切强度呈负相关。随着滑移脱黏范围增加,中性点向孔底侧偏移,锚固界面剪应力分布演化为“双峰”曲线,轴力集中程度显著降低,对围岩的有效压应力作用减小;锚固界面滑移脱黏导致杆体的载荷传递能力极大减弱,锚杆锚固能力难以有效发挥,通过施加托盘可使锚固界面上产生开裂的应力及时转移至托盘上,从而有效抑制滑移脱黏现象。