动力扰动下全长黏结锚杆的力学响应特性

深部岩体工程中,锚杆在围岩变形后处于高承载应力状态,受到爆破振动、矿震等动载荷作用后极易失效,因此,亟待研究动力扰动下锚杆的力学响应机制。基于SHPB试验平台,自行研发了一套研究锚杆动力响应的试验装置,开展动力扰动下全长黏结锚杆的力学响应特性研究。结果表明:初始动载荷作用下锚杆滑移量随着入射能的增加而增加,锚杆中应力波的波峰值随着传播距离的增加而逐渐减小,当应力波传播至锚杆最里端时,应力波峰值衰减较大;第2次动载荷后锚杆SG1处与SG2处应力波峰值差明显比第1次减小,表明动载荷下锚固界面从锚杆外端开始损伤;锚杆失效与锚固界面损伤有关,锚杆承载后初次受到动载荷的影响导致锚固界面产生损伤,损伤锚固段又受到外部载荷(如二次冲击、岩体挤压)作用时会进一步劣化,其不能抵抗围岩的变形而失效。研究结果为揭示锚杆支护失效行为,采取合理的设计与施工提供新的思路。

边坡全长黏结锚杆自由振动特性分析

假定锚杆及周边岩土体均视为连续均质的线性弹性体,锚杆与周边岩土体之间相互作用采用一线性弹簧和线性阻尼壶平行耦合方式模拟,以此建立了边坡全长黏结锚杆锚固系统自由振动力学模型,获得了锚固系统特征参数及对应振型计算公式,通过算例,结合他人锚杆锚固系统连续模型,对比验证了本文理论计算公式的可行性;指出边坡全长黏结锚杆锚固系统振动控制方程等式只可能小于零,振型函数共有三种类型,均对应三角函数型,按指数规律衰减的非周期蠕动,其中Ⅰ阶最小特征参数λ值对应第2类振动形式,之后振动类型1和2交替出现,类型1比类型2衰减特性明显,第3类特殊振动只有在锚固系统内部物理力学参数满足一定条件才能发生;各阶锚固系统特征参数λ中,对应第2类振型的λ对锚固系统的动力力学响应影响较大,尤以Ⅰ阶最为突出。开展此项研究,可为边坡锚杆锚固系统动力分析及锚固工程防灾减灾提供理论支撑,均具有重要的理论和实践意义。

深埋隧道全长黏结锚杆加固等效方法研究

为定量描述全长黏结锚杆对深埋隧道围岩的加固作用及其对衬砌支护抗力的影响,结合全长黏结锚杆中性点理论改进了等效计算因子,基于Mohr-Coulomb屈服准则推导出施加锚杆后岩体强度参数的解析表达式;基于新奥法围岩衬砌共同承载理念,建立深埋隧道全长黏结锚杆等效加固的力学模型,推导了围岩施加锚杆后等效复合体临界破坏时衬砌结构所需提供的最小支护抗力的表达式。结合工程实例,利用改进的等效计算因子分别计算了施加锚杆后围岩强度参数和支护抗力。结果表明,该等效方法可以有效量化设计方案的支护效果。

TBM隧洞倾斜黏结锚杆受力特性分析及支护参数优化

依托北疆供水二期输水KS隧洞工程,针对敞开式TBM隧洞倾斜黏结锚杆设计了三角形带孔垫板,通过现场监测锚杆轴力进行锚杆受力特征研究,同时结合数值模拟进行对比分析,并对锚杆支护参数进行优化设计,研究结果表明:隧洞轮廓边缘锚杆近端轴力逐渐增大,在中性点(0.5 m)附近达到峰值,往锚杆远端处轴力逐渐减小.锚杆轴力最大值为3.48 kN,应力为7.09 MPa,应力比仅为0.030.隧洞不同位置处锚杆轴力有所差别,总体表现为拱顶处锚杆轴力最大,拱肩处次之,拱腰处最小.锚杆轴力计算值与实测值两者变化规律基本一致,但总体上计算值比实测值稍大,主要是由于现场测试时围岩已经发生位移,而且锚杆实际工作中锚固体部分产生一定滑移,造成实测值较低.综合分析建议锚杆长度从3.0 m减少到2.5 m,纵向间距从1.0 m增加到1.2 m,环向间距为1.0 m,梅花形布置,不仅可以减少施工周期,而且可以降低施工成本,具有较大的经济效益.

预应力锚索与全黏结锚杆在高边坡治理中结合应用

通过工程实例对预应力锚索与全黏结锚杆在高边坡治理中结合应用做出研究,为了进行高边坡治理,保证边坡的稳定性。采用预应力锚索和全黏结锚杆支护技术,加强高边坡的稳定性,通过两种技术的结合应用,可以保证后期工程施工稳定进行、节约工程成本、缩短工程工期。

红砂岩边坡中全长黏结型锚杆受力机理分析

对于全长黏结型锚杆的受力机理,大多数研究是在拉拔试验下分析锚杆的受力情况,这与实际工况中锚杆的受力情况存在差异,而对于采用全长黏结型锚杆进行支护的岩质边坡,锚杆从施加到实际起作用的过程中,其受力是一直变化的,其随时间变化的规律同样值得研究。利用模拟软件对红砂岩边坡内的锚杆受力进行分析,同时基于Mindlin位移解,考虑岩石的流变性质,选择合适的蠕变模型,推导出包含时间因素的全长黏结型锚杆剪应力、轴力表达式。

全长黏结锚杆特征荷载试验研究

为评价高速公路边坡既有锚杆的锚固效果,依托京沪高速公路改扩建边坡工程,对边坡既有全长黏结锚杆进行了现场拉拔破坏试验。通过现场实测荷载-位移增量曲线确定了支护锚杆的工作荷载和极限荷载,建立了锚杆拉拔数值仿真模型,研究了全长黏结性锚杆-注浆体、锚固体-岩层两界面剪应力的分布规律。结果表明:荷载-位移增量曲线呈现“增大-减小-缓增-陡增”的变化特征;锚杆在拉拔荷载作用下经历外锚固段紧固阶段、锚杆-注浆体耦合变形阶段、塑性变形阶段、脱黏阶段等4个阶段,其中锚杆-注浆体耦合变形阶段与塑性变形阶段、脱黏阶段分别对应既有全长黏结锚杆工作荷载、极限荷载;锚杆工作荷载主要发生在锚杆-注浆体耦合变形阶段与塑性变形阶段区间,为区间拉拔荷载中值;锚杆极限荷载以位移增量陡增特征点为依据,为单级位移增量5 mm左右对应的拉拔荷载;当锚杆处于工作荷载阶段时,锚杆-注浆体界面、锚固体-岩层两界面的剪应力沿埋深方向均呈单调递减的分布形式;当锚杆达到极限荷载时,锚杆-注浆体界面、锚固体-岩层界面的剪应力分布形式由“单调递减”转变为“单峰分布”,且随着拉拔荷载的增加,剪应力峰值向深部移动。

岩体离层作用下全长黏结型锚杆受力分析

针对巷道锚固范围内出现离层,引发锚杆脱粘失效的问题,基于围岩变形中全长黏结型锚杆的荷载传递机理,分析离层作用对锚杆的影响,建立含有离层的系统锚杆受力分析模型,研究岩体离层下锚杆受力特性及失效机制。研究结果表明:离层会对锚杆产生附加应力,系统锚杆在离层作用下锚固界面剪应力及杆体轴力迅速增大,且界面容易发生脱粘滑移;在离层位置处,界面剪应力发生跳跃,轴力最大值从中性点位置转为离层处;离层位置对锚杆的受力特性有一定影响,离层发生在中性点附近时,产生的不利影响最大。研究结果为易发生离层的巷道锚固支护设计提供理论参考。

考虑开挖面效应的黏结式锚杆锚固效应分析

【目的】为简化计算,在针对全长黏结式锚杆-围岩支护相互作用方面的理论研究中,通常将围岩视为弹性体、将杆体视为刚性、或将锚杆与砂浆界面接触视为刚性,与实际不相符。【方法】针对于此,根据力学假定提出锚杆-围岩分层简化力学模型,基于岩体屈服准则与流动法则,采用应力平衡与位移协调方程,给出改进的考虑隧道开挖面效应下的锚杆-围岩作用弹塑性解,该解法可用于预测隧道锚杆的受力状态与支护效果。之后,依托隧道工程实例对该解法进行验证,探讨了界面剪切刚度、岩体峰后应变软化特性、锚杆托盘刚度对锚杆支护效应的影响。【结果】在分析中发现,围岩应变软化行为对锚杆支护效应影响较为显著,在锚杆支护设计中应考虑到围岩的应变软化行为。在高应力条件下,锚杆托盘刚度在一定程度上影响了锚杆的失效形式,当远端处于塑性区域内部时,增大锚杆界面剪切刚度可有效加强锚杆控制效果。【结论】研究提供的计算程序可对系统锚杆支护的整体支护效果进行有效预测,为支护结构设计提供理论支撑。

圆形隧洞全长黏结锚杆力学分析的解析方法

在深埋圆形隧洞中安装全长黏结锚杆,在地应力作用下,围岩和锚杆将产生相互作用,为了探求二者的作用机制,将锚杆对围岩的作用简化为沿着锚杆长度方向的剪切分布力并且基于两者相互作用的变形协调条件,建立求解锚杆表面剪应力的积分方程。这个积分方程是关于锚杆表面剪力的线性方程,直接求出这个积分方程的解析解是困难的,将采用数值方法进行求解,沿着锚杆轴向将锚杆均分为n段,将锚杆每段长度上的表面剪力视为线性分布的形式,将每段之间节点处的剪力视为要确定的未知量,则可以通过复合梯形数值积分公式,获得求解这些未知量的线性方程组,当n的取值较大时,就可以得到精度很高的剪应力分布。通过本文方法,获得锚杆轴力的分布情况,以及锚杆长度、安装角度和围岩参数对剪应力及轴力分布的影响。

受拉全长黏结式锚杆剪切应力弹性解析解及其应用

面对锚杆-围岩锚固界面剪切应力分布研究不够精确,制约锚杆设计施工水平提高的现状,基于半无限弹性空间体的Mindlin位移解,导出了拉拔荷载作用下全长黏结式锚杆锚固界面剪切应力沿杆长分布的近似弹性解析解,并求得了最大剪切应力的数值和分布位置,给出锚杆杆长的建议值和增强局部剪切力的建议。结论适用于较硬围岩中较长锚杆在较小荷载作用下的剪切应力分析,可为岩体锚固设计提供借鉴,提高锚杆设计施工的安全性和经济性。

隧道围岩全长黏结式锚杆界面力学模型研究

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,对研究隧道工程初期支护系统的力学效应具有重要意义。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。算例分析表明,初期支护时机的选择对锚固效应和围岩稳定性有较大影响;适当增加全长黏结式锚杆的锚固层厚度能明显降低锚杆端部剪应力的应力集中度,能有效改善锚杆的锚固效果。

基于端锚黏结式锚杆静、动载试验的非均匀受力锚杆单元

为使锚杆支护工程的设计计算和数值模拟更加合理,对端锚黏结式锚杆进行了常规拉拔试验和动拉拔荷载试验,分析了静、动荷载下锚杆的受力特征并提出了力学计算模型。结合试验和力学模型计算结果,比选了多单元数2结点杆单元和少单元数高阶次杆单元的计算精度和计算量。试验结果表明,端锚黏结式锚杆在静荷载下轴向应力呈三角形分布,在动荷载下轴向应力呈负指数分布。受力分析表明,静荷载作用下黏锚力可视为均匀分布,动荷载作用下黏锚力可近似简化为三角形分布。对比试验和理论分析结果,高阶杆单元能简洁明了地反映静、动荷载下锚杆的非均匀受力情况,并能有效减少单元数目和结点数目,大大减少计算量,同时提高计算精度,相比多单元数2结点杆(索)单元优势明显。静、动载试验和理论成果为锚杆支护工程的设计计算和数值模拟提供了参考和依据。

双锚杆受力机制分析及模型试验研究

为了研究锚杆间距对全长黏结锚杆之间相互作用产生的影响,推导出基于Mindlin解的双锚杆锚固段应力分布近似解,并结合单锚和双锚静载拉拔模型试验,得到了锚杆间距改变对双锚杆应力分布、极限承载力及最终破坏形态的影响规律。结果表明:间距减小使得锚杆的轴向应力和侧摩阻力呈现均匀化趋势,且轴向应力随间距减小而增大,锚固段中部增长幅度最大。当锚固系统进入破坏阶段,随着间距减小,锚固系统周边岩体破坏的位置深度增加,破坏锥形体的面积增大,并由单锚的倒锥状破坏转变为复合破坏模式。间距过小时,增加锚杆数量对承载力的提升十分有限,为起到锚固联合作用,锚杆间距应不小于10 D(D为锚杆直径),在软弱岩体中间距取值应加大。

不同龄期砂浆全长黏结锚杆中应力波传播的试验研究

利用激振锤冲击锚杆激发应力波,研究不同龄期砂浆全长黏结锚杆中的应力波传播规律。基于应力波在全长锚固锚杆中的传播试验,测得速度和幅值随着锚固剂养护龄期增长而衰减,养护龄期14d内,波速和幅值衰减程度急剧下降,在3d时达到最大,14d后波速和幅值衰减程度维持稳定。由不同龄期条件下的应力波频谱分析可知,随着养护龄期的增长,同一波形中能量占比的变化趋势保持不变,但是高频谐波所占能量的比例增大;能量占比曲线交叉点向低频移动,总能量衰减趋于稳定。在拉拔过程中,随着拉拔力的增大,锚固系统中应力波波速略有上升,应力波幅值衰减程度减小,各谐波幅值差异值也随之减小。基于应力波在含缺陷锚固锚杆中传播的试验,发现应力波波速和幅值的衰减幅度可以用于评价锚固效果,进而用于评估锚固施工质量。

基于砂卵石土抗剪强度现场试验的全黏结式锚杆支护结构稳定性分析

洛阳砂卵石土现场直剪试验结果表明：对于含水率约为2％，粗粒含量P，约为78．66％的砂卵石土，黏聚力c=22～34kPa，内摩擦角φ=38°～40°。黏聚力和内摩擦角变化对预应力全黏结锚杆支护体系整体稳定性和锚杆轴力的影响分析表明：随着黏聚力的增加，砂卵石土层中锚杆轴力明显减小，基坑整体稳定性大幅增加。黏聚力增加约30kPa，基坑整体稳定性系数提高约11％～15％。

全长黏结式注浆锚杆侧摩阻力分布实用简便计算

提供一种全长黏结式注浆锚杆侧摩阻力分布的简化计算方法。对工作中的锚杆进行分段分析,计算假定分段锚杆侧面摩阻力均匀分布。根据锚杆体、注浆体及岩土体三者间的受力及变形传递关系,推导出锚杆侧摩阻力分布的2重级数表达式。结合已有研究文献进行实例验证,结果表明:锚杆侧摩阻力分布从底部到端部大致呈2重级数曲线分布,靠端部长度的40%抵抗了张拉荷载的85%以上。该法得出的结果与文献计算结果具有较好的一致性,验证了其可行性及精确性。在此基础上,分析锚杆分段数、锚杆直径、锚杆弹模以及土体抗剪刚度对计算结果的影响。该法简单实用,应用于完全黏结注浆锚杆侧摩阻力的分析具有一定的可行性及实用性,为多类型锚杆工程计算提供一种新的方法。

中空注浆锚杆在加固碎裂边坡中应用试验研究

河南省省道S246线K60+535～K60+585段位于豫西王屋山脉洛阳市新安县境内。该段山高坡陡,石灰岩裸露,节理发育且贯通性好,对坡体一般碎裂区和严重碎裂区分别采用中空注浆杆和全长黏结锚杆加固处理,从极限拉拔力和位移、注浆压力、注浆量进行对比分析2种锚杆的加固效果,在一般碎裂区2种锚杆的拉力极限值为179～189kN,注浆压力为1.8～2.3MPa,注浆量为97～128L,表明在该岩体下2种锚杆所提供极限拉拔力相差不大,而在严重碎裂区中空注锚杆极限拉拔力为179kN远大于全黏锚杆的153kN,第一次注浆压力较小,经二次注浆后压力可达2.1MPa左右,空锚杆和全黏锚杆的注浆量分别为683和627L,在严重碎裂区中空锚杆提供极限拉力远大于全黏锚杆。采用UDEC模拟实际岩体的节理和锚杆的布置,分析杆体的轴力和剪力分布特征,进一步验证岩体破碎情况下,中空注浆锚杆加固效果要优于全黏锚杆。

端头锁定对锚杆受力影响的理论及数值分析

全长黏结锚杆端头是否采用螺丝垫板固定或者与钢拱架焊接将导致锚杆的受力特征发生显著差异,研究这种差异对于理论认识及工程应用这类最常规的支护措施具有重要的理论意义及实用价值.采用理论分析及数值模拟的手段,对是否采用端头锁定的两种类型全长黏结锚杆轴力/杆体表面剪切力的分布形式进行了系统研究.主要研究工作如下:①根据两种类型全长黏结锚杆与围岩不同的作用方式,分析得到杆体轴力/表面剪切力分布的边界值;②通过理论分析,建立了能够反映两种类型全长黏结锚杆的杆体轴力/表面剪切力同围岩变形关系的统一微分方程;③以有限差分软件FLAC3D中内置的pile/cable结构单元作为基础,结合link,通过fish语言建立了考虑端头锁定的全长黏结锚杆模型构建方法;④分别采用理论方程和数值模拟对同一算例的两种类型全长黏结锚杆轴力/表面剪切力进行求解,对比论证了模型构建方法的合理性,研究了两种类型锚杆受力的差异性.

含锚杆钻孔线单元的3D-FSM·DDM边界元数值系统开发

为了将已开发的3D-FSM·DDM边界元数值系统应用于新奥法施工中锚杆支护之类的实际问题,在原数值系统的基础上,尝试开发了含锚杆线单元的三维边界元数值系统。其基本思路是,首先使锚杆单元和与之重合的锚杆钻孔单元始终点的位移差相等;其次,将全长黏结式锚杆钻孔单元简化成线单元,并且根据Kelvin基本解求其锚杆线单元的影响系数;最后与自由单元一并考虑并进行耦合,形成求解同一个模型边值问题的三维边界元数值系统。