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岩体—锚杆支护系统复合材料性质数值仿真模拟研究与分析

宋桂红  
【摘要】: 锚杆支护是岩体结构加固的一种常用方法,广泛应用于隧道支护、路基加固和边坡稳定等岩土工程中。喷锚支护在地下工程施工中的采用使岩体支护加固的观点发生了根本性改变,从被动支护发展到主动和共同支护上来。锚杆却能够把被节理裂隙切割的岩块串在一起,增加了岩体的完整性,这对于提高岩体强度、发挥岩体介质本身的自承能力起到了事半功倍的效果。经过几十年的发展和经验积累,使锚杆支护成为一种有效的岩土工程加固手段。但是岩体锚杆支护理论远落后于实践。 为了改变支这种现状,使锚杆支护更好的应用于实践,提高针对性,减少盲目性,就必须为生产实践提供必要的、先进的理论指导,因此建立一种比较完善的锚杆支护理论迫在眉睫。 本文在现有的锚杆支护理论和数值分析方法基础上,将岩体—锚杆支护系统看成一种由岩体(基体)、锚杆(增强材料)和砂浆(粘结材料)组成的复合材料。理论上,利用复合材料力学的方法和观点建立了锚杆加固岩体的细观力学等效模型,并将锚杆的圆形截面简化为矩形截面进行计算,确定了这种复合材料的等效弹性常数。建立岩体—锚杆支护系统复合增强材料的宏观力学性质与其组分材料性能及细观结构之间的定量关系,可以从整体上评价这种支护复合材料的加固增强效果。数值分析中,在大型有限元软件包ANSYS的基础上利用APDL参数化设计语言进行二次开发编写了计算程序,选取岩体—锚杆复合材料单元体,在计算机上进行了虚拟试验研究,主要是通过模拟实验室加载条件对单元体的单轴和三轴试验,得到了岩体锚—杆复合材料的等效应力应变关系和等效强度常数,与解析计算结果进行了比较,基本吻合。这也说明了第三章中的岩体锚杆复合材料理论模型的合理性。结果表明,锚杆加固岩体的力学性能较未加固前有较大的改善。 通过加大尺寸模型来考虑群锚效应的影响,在较大范围内选取单元进行了分析。试验结果表明,群锚时岩体锚杆支护系统复合材料的弹性模量以及等效强度常数较单锚时增加幅度大,说明群锚时,因为相互作用使这种复合 武汉理_「大学硕十学位论文 材料的整体性能有所增强。 锚杆直径增大而其他参数保持不变时,岩体锚杆支护系统复合材料的力 学性质弹性模量随着直径的增大而有所提高,但等效强度常数变化幅度较小。 岩体力学性质变化时,通过试验发现,岩体本身的弹性模量越小,加固 后岩体的弹性模量增加幅度越大,这就说明了锚杆对软弱岩体的加固效果更 明显。锚杆对软弱岩体的力学性质的改善较坚硬岩体的明显,当锚杆直径增 大时,岩体一锚杆复合材料的力学性质增强效果越明显。


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