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地下工程中注浆岩石锚杆锚固机理研究

朱训国  
【摘要】: 岩土锚固技术是岩土工程领域的重要分支。岩土锚固技术能充分调动和提高岩土体自身的强度和自稳能力,改善岩土体的应力状态,大大缩小支护结构物体积和减轻结构物的自重,明显地节省工程材料,提高施工过程的安全性。岩土锚固技术已经成为提高岩体工程稳定性和解决复杂岩土工程稳定问题最经济、最有效的方法之一,在边坡工程、地下工程、建筑基坑等领域得到了广泛的应用,尤其地下工程是其应用最广泛的领域。但是,目前对锚杆锚固机理的研究依然没有完全清晰,在很大程度上仍需进行更深入的理论探讨。本文以锚杆应用最广的地下工程为背景,对地下工程中尤其是隧道工程锚固中锚杆的锚固机理进行研究,从不同角度,不同层面对其进行详细的分析研究,以期得到对锚杆锚固机理深层次的认识,为锚固设计的改进提供科学的理论依据。本文的主要研究内容有以下几部分: 1.建立锚杆常规拉拔试验力学模型,根据荷载—位移之间的函数关系以及锚杆的受力平衡,建立了锚杆应力分布函数,并对影响其应力分布趋势和大小的各个因素进行了分析。同时,研究了极限承载力与各个因素之间的关系。通过研究表明,锚杆的应力分布函数是一种指数分布函数,并且在锚杆的端部有较强的应力集中现象,在长度大约为1/3长度内,承担锚杆承载力的80%左右。研究了影响锚杆应力分布的多个因素的影响,通过分析得出,不同的锚杆半径其应力分布函数的形式是不变的,但是其提供的应力大小在发生变化。增大锚杆的直径可以有效地改善锚杆的锚固效果,使锚杆的作用范围增大,因此,在安装锚杆的施工过程中,应该选择直径较大锚杆为锚固材料。通过数据拟合得到了锚固体直径与其极限承载力之间的函数关系是一种明显的线性函数关系。锚固体的弹性模量对锚杆的锚固效果的影响是明显的,弹性模量大的锚杆其锚固效果要优于弹性模量小的锚杆。弹性模量大能有效地降低剪应力的应力集中度,增大围岩体所受的反作用力,改善锚固系统的锚固效果,增强围岩的稳定性。通过对已有试验数据的分析,可以看出,界面平均承载力与弹性模量的对数成线性关系;锚杆长度与锚杆极限承载力之间也呈线性函数关系。还分析了注浆体的力学特性与锚固体抗剪强度之间的函数关系,为进一步改进目前的锚固设计中的相关参数提供了一定的理论基础。 2.根据其力学模型的特点,依据弹性理论中半无限空间边界上一点受集中力作用下空间内某点的位移问题的Mindlin解,建立弹性状态下锚杆的受力分布函数。分析了其应力分布的特征,通过分析得到,在孔口处,锚杆所受的剪应力为零,然后沿锚杆方向急剧增大,并达到最大值。在达到最大值后,衰减至零值;锚杆的轴向载荷最大值在孔口处,沿着锚杆的方向递减,在一定距离段递减为零;锚杆在弹性状态下的受力分布状态和锚杆的实际受力状态虽然还有一定的差别,但是与实际受力状态中锚固约束段的受力情况是相同的,此结果也得到了很多实际测试结果的验证,因此,可以说,建立的锚杆弹性状态下的力学模型是合理的;在弹性状态下,锚杆的受力范围比较小,当界面剪应力达到最大值后,超过黏结材料或者岩体的容许剪切强度后,则界面将发生塑性变形。 3.基于锚杆与围岩体界面局部共同变形理论建立的锚杆了载荷传递方程,其应力分布函数是一双曲线函数,此模型虽然类似常规拉拔试验模型所建立的传递模型,但是在此模型中的一个非常重要的参数七体现了注浆体、围岩体、锚杆这三个锚固主体以及三者之间的界面的特性,比前面所建立的两种模型更先进。同时,根据此传递载荷的模型分析了极限承载力与锚杆长度的关系,以及一种快速确定锚杆长度的方法,通过实际工程实例验证,得出此方法是快速有效的。 4.根据锚固体与围岩体界面遵循莫尔库仑屈服准则建立了注浆岩石锚杆的应力分布函数,主要是剪应力分布函数,然后在此基础上根据围岩体与注浆锚固复合体相互作用原理,建立了比较简单的力学模型,均质弹性岩体中锚杆的实际摩阻力的分布函数,然后在此基础上分析了影响其应力分布特征的各种因素。同时,根据其摩阻力的通解表达式,建立了求解锚杆中性点位移的通解函数。在对影响锚杆应力分布趋势和大小因素的分析中,重点对前人很少研究的一个问题,即锚杆施按的时间进行了研究。本文从推导的锚杆的实际受力摩阻力的分布函数出发,通过改变围岩体中不同变形时刻原岩应力的变化来研究此问题,是一种比较新型的研究方法,通过研究表明,锚杆施按的时间是非常重要的,不同的时间所施加的锚杆在其后面与围岩体的相互作用所产生的应力是不同的。经过研究得出,当围岩即洞壁变形大约为最终变形的25~50%这一阶段进行锚杆施加是比较合适。 5.基于载荷传递机理建立了岩石注浆锚杆与围岩体相互作用下的载荷传递微分方程,同时根据隧洞围岩体变形的不同状态建立了围岩体不同状态下的径向位移的函数表达式,根据注浆岩石锚杆与围岩体微段界面摩阻力与其相对位移之间呈线性关系的假定建立了锚杆与围岩体的实际受力相互作用的载荷传递函数。在此基础上,建立了不同类型围岩体模型下的锚杆的受力函数,研究了其应力传递的机理和锚固机理。通过研究得到了锚杆与围岩体相互作用下锚杆的轴向位移的函数关系,并在此基础上建立了锚杆轴向力分布函数关系以及摩阻力的分布函数关系;分析了理想弹塑性岩体中隧洞围岩的径向位移表达函数,通过此函数结合所建立的锚杆的轴向力函数关系以及摩阻力的函数关系,建立了理想弹塑性岩体中锚杆轴向力和摩阻力的实际分布函数,并对影响其应力分布趋势和大小的各种因素进行了详细的分析,得出影响其应力分布的主要因素是围岩体的弹性模量、锚杆的长度以及锚杆施加的时机。在研究完理想弹塑性岩体后,对脆弹塑性岩体中锚杆的锚固机理进行研究。在此部分,建立了脆弹塑性岩体中隧洞围岩径向位移的函数关系,通过此函数结合所建立的锚杆的轴向力函数关系以及摩阻力的函数关系,建立了理想脆弹塑性岩体中锚杆轴向力和摩阻力的实际分布函数,并对影响锚杆应力分布趋势和大小的岩体的剪胀角进行了分析,得出随着剪胀角的增加,锚杆的轴向力和摩阻力也随之增大;同时,剪胀角小的岩体中锚杆的应力集中现象比剪胀角大的岩体中的锚杆的应力集中现象低,因此,剪胀角小的脆性岩体中的锚杆的锚固效果要更优。另一方面,剪胀角对锚杆的中性点的位移影响不大,剪胀角增大,中性点的位移几乎没有发生改变;随后研究了粘弹性岩体中锚杆的锚固机理,主要采用了开尔文和柏格斯模型。通过研究表明,当采用开尔文模型研究锚杆的锚固机理,当时间超过某一定值后围岩体的变形不再发生变化,此时锚杆与围岩体的相互作用维持不变。而采用柏格斯模型时,则没有出现这样的一个定值,而是随着时间的变化,围岩体的变形继续发展,同时锚杆的受力也在不断的发生变化,只是在某时间后变化的速率大大降低,但是依然有新的作用力发生。


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