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预应力锚杆(索)在节理岩体中的支护机理研究及应用

杨慧敏  
【摘要】: 岩体是由各种结构面组分割而成的大小方位各不相同的岩块组合体,其内部所包含节理的长度、方向和倾角对岩体性态起着决定性的作用,因此,在进行岩体破坏和稳定性研究时,仅仅以岩石为研究对象是不够的,应深入研究节理对岩体强度的影响。为了保证岩体工程顺利开挖,必须采取必要的措施保证其安全性,岩体锚固便成为岩土工程领域的重要分支,近年来,预应力锚杆加固已经成为岩石开挖支护方面最有效、最经济的支护方式之一。然而,岩土锚固理论目前还不完善,大多数锚固工程的设计仍采用工程类比法或半理论、半经验的方法。我们应在现有理论的基础上,借助于近年来快速发展的数值分析方法,探讨预应力锚杆支护后节理岩体整体力学性质,改善锚固工程的设计方法,并将其应用到岩体工程稳定性分析中。 本文首先概述了节理的力学成因和状态;从理论分析出发,将非贯通节理岩体破坏分为三种模型并分析了各种模型的破坏机理和强度准则;根据塑性区最短距离判据分析了裂纹的扩展方向。随后,总结了锚杆和锚索的支护机理,并以锚杆和节理面共同变形为基础,探讨了对锚杆有效锚固长度和最优锚固角。同时,运用ANSYS数值模拟软件,对预应力锚索的锚固机理进行了数值模拟研究,其中,锚索的自由段用只能承受单向拉伸的三维杆单元Link10模拟,锚固段用三维杆单元Link8模拟,为了能使预应力锚索和岩体之间产生联系,本文在划分单元格时将锚索结点和岩体结点设置重合,预应力采用等效降温法施加。最后研究了巷道层状顶项板顶板预应力锚杆的加固作用。 本文主要得到了如下结论: (1)预应力锚索支护对节理岩体巷道的加固作用,主要体现在增加节理面正压力和顶板压应力,消除拉应力。 (2)对锚索施加的预应力主要由自由段承担。预应力锚索的锚固段只有一部分发挥作用。内锚固段剪应力峰值位置基本不随各因素的改变而改变,但峰值大小随锚索刚度的增大或预应力、岩体剪切模量的减小而有不同程度的减小。 (3)张拉式预应力锚索在内锚固段周围的岩体是受拉的,在群锚设计时,应防止预应力锚索的内锚头布置在同一个平面上而形成拉应力面,因此要采用不等长锚索。 (4)运用接触单元模拟岩层之间的接触,得到预应力锚杆支护对节理岩体巷道的加固作用,主要体现在增加节理面正压力和顶板压应力,消除拉应力。预应力锚杆对层状顶板的加固机理是增加层间正压力,从而降低节理面之间的滑动位移,控制顶板离层量,降低巷道位移。


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