锚固岩体的三维数值流形方法模拟

提出了三维数值流形方法中锚杆的计算模型，并给出了相应的算法和公式。算例表明，该模型能较好地反映加铺岩体的变形行为以及锚杆的加固效果。     

岩体不连续非线性变形分析的数值流形方法研究

 博士学位论文摘要　以数值流形方法为基础, 研究了岩体不连续非线性变形的数值模拟方法, 并编制了相应的流形元程序, 分析了岩土工程中某些具体问题的流形元模拟方法。(1) 利用参变量变分原理建立了岩体弹塑性分析的数值方法。该方法能够求解非关联流动和应变软化的弹塑性问题, 避免了在每个载荷步中迭代计算, 提高了计算效率;(2) 根据覆盖接触理论, 深入地研究了连续面上不嵌入和无张拉条件的数值实现方法, 完成了相应的程序。在此基础上通过引入假想不连续面, 提出了一种简化的岩体破坏分析方法, 该方法直接根据假想不连续面上的应力状态用抗拉强度和抗剪强度进行破坏判断, 不需要计算应力强度因子, 也不需要增加单元或重新划分网格, 数值实现比较方便。该简化方法还能求解采用断裂力学方法所不能模拟的岩体破坏问题;(3) 研究了锚杆支护的流形元模拟方法, 建立了锚杆支护的数值模型, 该模型能够模拟普通锚杆、预应力锚杆和锚索;(4) 研究了地下水作用的流形元模拟方法, 建立了地下水作用的简化计算模型;(5) 提出了一种用平面模型解一类特殊三维问题的方法, 分别采用改进的二维模型和等效初始应力两种方式, 考虑垂直于计算平面的正应力和正应变对计算平面变形的影响, 此法比三维计算难度小, 且节省计算时间。     

锚固层状岩体的复合加固理论与数值模拟试验分析

根据复合材料力学的理论和方法,将层状岩体-砂浆-锚杆支护系统看成一种由岩体(基体)、锚杆(增强材料)和砂浆(黏结材料)组成的加固复合材料,建立这种复合材料的细观力学等效模型。理论分析这种锚固复合材料的宏观力学性质与其各组分材料性能以及细观结构之间的定量关系;在大型商业有限元软件基础上进行二次程序开发编制,进行锚固复合材料的数值模拟试验研究,分析岩体强度、锚杆尺寸、砂浆强度以及锚杆几何布置间距等参数变化对层状岩体锚固复合材料的黏聚力和内摩擦角值的加强增长幅度,定量评估岩体锚固复合材料的等效强度特性。运用所建立的岩体锚固复合支护系统等效力学模型计算了锚固岩体相似模型试件的弹性常数和黏聚力和内摩擦角值,理论与数值模拟分析结果与岩体锚固的模型试验结果具有较好的吻合度,表明所建立的理论模型和数值分析方法是可靠的,可为岩土工程的设计与稳定性评价提供参数依据。     

多裂隙岩体三维加锚损伤断裂模型及其数值模拟与工程应用研究

 博士学位论文摘要　利用断裂力学理论、损伤力学理论和三维非线性有限元数值分析方法系统研究了断续多裂隙岩体的力学变形特性、强度特性和空间损伤岩锚支护效应。(1) 根据断续节理面几何特征的概率统计模型, 推导出了节理面主要几何特征参数的数学计算表达式, 为正确分析裂隙岩体的力学变形特性提供了重要的节理面几何特征参数保证。(2) 根据节理裂纹压剪应力场中的扩展变化过程和扩展过程中的能量转换与能量变化, 建立了多裂隙岩体的能量损伤演化方程。(3) 根据脆性岩体的损伤变形机制, 建立了脆性岩体在初始损伤和损伤演化状态下的三维脆弹性损伤断裂本构关系。(4) 考虑多裂隙岩体的损伤变形机制, 通过引入有效应力反映损伤与塑性变形的耦合效应, 并根据能量损伤演化方程、不可逆热力学定律、广义正交法则和塑性损伤一致性条件建立了多裂隙岩体在初始损伤、损伤演化和塑性损伤变形状态下的三维弹塑性损伤本构关系。(5) 根据锚杆、锚索对裂隙岩体的支护、加固作用机理, 建立了多裂隙岩体锚杆支护的空间损伤岩锚单元支护模型和锚索加固的空间加索损伤岩体联合作用模型。(6) 根据脆性岩体的断裂破坏机制, 建立了脆性裂隙岩体的起裂准则和初裂强度计算公式, 并推导出了成组有序分布的平面裂隙岩体和三维币状裂隙岩体的脆性断裂破坏强度计算公式。(7) 将上述损伤断裂本构模型和岩锚支护、加固作用模型编制成三维非线性有限元计算程序, 应用于三峡船闸高边坡开挖卸荷稳定分析, 获得了较为满意的计算结果, 验证了模型的有效性和正确性。     

新型锚杆、锚索的发展现状及展望

通过大量文献研究和广泛工程调研,从六个方面综合论述了近期国内外新型岩土锚杆(索)的发展现状,即用于地下工程支护、城市基坑加固、腐蚀地质工程加固、软土地层工程加固、地下洞室抗爆以及边坡地震灾害治理的新型岩土锚杆(索)。在此基础上,分析了当前锚杆(索)发展中仍存在的主要问题,并指出了今后需要进一步开展的重要工作,包括针对深地下工程支护问题加强对屈服型锚杆(索)的研发,针对锚固工程耐久性问题加强对非金属锚杆(索)的研发,针对城市基坑工程加固问题加强对回收锚杆(索)的研发,针对软土地层工程加固问题加强对扩体型锚杆(索)的研发以及针对地下洞室锚固抗爆问题加强对新型抗爆锚杆(索)的研发。     

岩土锚杆、锚索的新发展及展望

通过大量文献研究和广泛工程调研,从6个方面综合论述了近期国内外新型岩土锚杆(索)的发展现状,即用于地下工程支护、城市基坑加固、腐蚀地质工程加固、软土地层工程加固、地下洞室抗爆以及边坡地震灾害治理的新型岩土锚杆(索)。在此基础上,分析了当前锚杆(索)发展中仍存在的主要问题,并指出了今后需要进一步开展的重要工作,包括针对深地下工程支护问题加强对屈服型锚杆(索)的研发,针对锚固工程耐久性问题加强对非金属锚杆(索)的研发,针对城市基坑工程加固问题加强对回收锚杆(索)的研发,针对软土地层工程加固问题加强对扩体型锚杆(索)的研发以及针对地下洞室锚固抗爆问题加强对新型抗爆锚杆(索)的研发。     

基于数字图像与数值计算的节理岩体锚固效应研究

为了研究锚杆对裂隙岩体的加固作用,通过自主研发的数字图像相关(DIC)试验技术和离散元(DEM)数值计算方法,对预置裂隙岩体试样锚固前后进行测试。从细观层次量化分析了加载过程中两类岩体(未锚固和锚固岩体)裂隙的起裂、扩展等特征,对比了数字图像测量的位移场,应变场和裂隙张开度(COD)以及数值计算得到的裂隙发育数量,区域分布和扩展方向。结果表明:基于DIC测量软件,可精确进行岩体非接触的无损测量,并且能够监测出岩体锚固这种内部隐蔽的过程;加固岩体的锚杆与裂隙交叉位置出现应变集中成核现象,定量地说明了岩体加固对裂隙的抑制作用;同时还得出岩体加固可以改变裂隙扩展类型和主裂隙发育方向。     

有预张力的粘结式锚杆

在地下工程和边坡工程中,广泛采用有预张力的粘结式锚杆加固岩体。粘结剂固化后,除去加力装置,锚杆回缩。锚杆靠粘结剂向岩体传递剪力,在围岩中形成附加应力场,并引起锚杆自身不均匀变形。 本文根据锚杆和岩休的力学边界条件、几何条件,视锚杆和岩体为弹性体,利用明德林(Mindlin)解,得到了去掉预张力后,锚杆回缩在岩体中产生的应力场和锚杆自身应力分布的规律。 在解题过程中引用了由R.米开(R.Muki)和E.斯特恩白格(E.Sternberg)导出的柱状空间内的明德林积分解。     

锚杆加固巷道顶板稳定性潜力机理分析

从锚杆与岩体的复合作用分析出发,探讨了锚杆对岩体的增强机理;通过巷道顶板的脆性损伤分析,提出了锚杆加固巷道项板稳定性的潜力分析力学模型,为锚杆加固巷道项板的定量设计或加锚巷道顶板稳定性的定量评价提供了依据,从而突破了以往锚杆加固理论的框架,使得锚杆加固理论与加固定量设计得到了有机的统一.     

数值流形方法中的锚固支护模拟及初步应用

针对岩土工程中的锚固支护,研究了数值流形方法中锚固支护模拟问题。在原数值流形方法源程序基础上开发了锚固支护模块,并用算例验证了其合理性。运用该方法对某层状结构岩体中的地下洞室围岩开挖变形问题进行了研究。结果表明,数值流形法在层状结构岩体地下洞室开挖时,能反映围岩中软弱层面两侧岩体的不连续错动特征;锚固支护后,围岩位移分布趋向均匀,位移量有所减少,软弱层面两侧岩体的非连续错动变形量减小效果显著。     

基于复合岩体法的锚杆支护隧道收敛修正分析

基于复合岩体方法考虑锚杆与围岩的相互作用,在引入加锚效应不均匀性基础上,根据对围岩变形约束程度修正复合岩体等效计算刚度,获得了锚杆支护作用下圆形隧道收敛变形的修正解。对比既有解及数值结果验证了本文解的正确性,修正解合理地降低了既有计算方法对锚杆约束效果的过高估计。结果表明:锚杆通过提高复合围岩等效刚度降低隧道收敛变形;增加锚杆密度比增加锚杆长度对降低隧道收敛更为有效;在常规锚杆布置参数条件下,锚杆支护对隧道最终收敛的降低幅度不会超过20%,难以完全依靠系统锚杆来限制软岩隧道的收敛大变形。本文提出的修正解能合理反映锚杆对围岩收敛变形的约束作用,可为锚杆支护下隧道收敛变形的量化分析提供简洁准确的计算方法。     

加锚层状岩体的本构模型

将加锚层状岩体作为等效连续介质推导了加锚层状岩体的本构方程 ,新的本构模型考虑了节理的剪胀扩容现象和锚杆作用 ,弥补了以往分析中的不足 ,该本构模型可对节理岩体中锚杆的加固作用做出合理的定量评价     

大变形锚杆支护效应分析

根据大变形锚杆的力学和变形特性,建立大变形锚杆–围岩相互作用结构模型,研究锚杆加固圆形隧道时的支护效应,并通过数值模拟验证了模型和求解方法的有效性。采用上述求解方法,定量分析了原岩应力、岩体强度以及大变形锚杆安装密度、长度和安装时间对其支护效果的影响规律。结果表明,在高应力或极软岩等恶劣地质条件下,围岩产生较大位移的情况下,大变形锚杆可以更好的发挥支护效应。大变形锚杆加固的主要作用在于限制塑性区围岩的变形,对塑性区边界的位置以及弹性区岩体变形的控制效果不明显。还通过改变安装锚杆时等效内支撑力的大小,揭示了锚杆安装时间对其支护效应的影响规律。研究结果可为大变形锚杆支护设计及参数优化提供基础理论依据。     

Reinforcement mechanics of passive bolts in conventional tunnelling

According to the conventional pullout tests for passive bolts, a spring–slider model is adopted in this paper to account for the interaction relationship between the bolt and the rock mass. Based on the incremental theory of plasticity and the plane strain axial symmetry assumption, an elasto-plastic ground and bolt responses analyses method is proposed. In addition, the validity of the proposed method is verified by numerical simulations. The reinforcement mechanics of passive bolts in conventional tunnelling is clearly demonstrated via an illustrative case study. Through parameter studies, the influence of the bolt properties on the reinforcement effect is highlighted. The proposed method provides a framework to the elasto-plastic ground response analyses with passive bolts reinforcement. It also permits incorporating other features about the bolt–rock interaction model or other failure criterion of the rock mass in further analyses.     

一种锚杆计算模型及其在岩坡锚杆支护中的应用

针对目前岩土工程中锚杆数值模型存在的局限性,探索了适合于强度折减有限元法计算和锚固优化新的锚杆计算模型,考虑了锚杆沿壁摩阻力作用,研制了相应程序,并应用于岩石边坡锚杆支护方案计算中。应用表明,该模型方便可行,提高了加锚岩体数值模拟的适用性。     

厚泥岩复合顶板煤巷围岩控制技术研究

 针对首山一矿11061工作面运输平巷厚泥岩复合顶板强度低、无稳定承载结构、顶板下沉量大的问题,通过监测巷道围岩破坏及离层发育,统计巷道破坏具体形式,分析得出复杂应力条件下厚泥岩复合顶板巷道破坏的力学机制。基于普氏拱理论,结合现场具体支护和破坏状况,提出“预应力锚杆+锚索承载结构,配合原生裂隙区域注浆加固”的改进支护方案：预应力锚索(杆)形成的主、次承载结构协同作用,在两承载层间的泥岩顶板形成压缩区限制离层发展;布置倾斜锚索与垂直锚索,限制巷道顶帮角处围岩塑性区扩展,防止锚索锚固点所在岩层破断失去承载能力。依据塑性圈理论和数值模拟等手段,确定锚杆、锚索等具体支护参数,利用分区注浆加固泥岩强烈膨胀与松动破坏区域。数值模拟和现场工程实践的结果表明：与原支护方案对比,改进的支护方案巷道变形量减少约50%,巷道围岩完整程度明显提高,有效地控制了厚泥岩复合顶板变形与破坏。     

某拱坝右岸拱肩槽开挖边坡锚固仿真与优化研究

首先基于一次宏观反演的初始应力场进行二次精细模拟得到了某拱坝坝区局部模型的初始地应力场。接着基于加锚节理岩体流变模型,应用自主开发的三维弹粘塑性有限单元程序模拟了该初始地应力场作用下该拱坝右岸拱肩槽岩石高边坡开挖过程预应力锚索、系统锚杆等锚固件的支护作用。分析了现行锚固方案与锚固进度下边坡岩体的位移、应力和点安全系数等分布规律,最后在此基础上对该锚固方案和锚固进度进行了优化,确保了该边坡的稳定与安全。     

高切坡半隧道超前支护结构研究

 在山区基础设施建设过程中,经常发生因开挖边坡造成坡体失稳并诱发地质灾害的情况发生,为此,提出高切坡超前支护的思想。以西藏S306线段为依托,提出一种新型的高切坡超前支护结构型式——半隧道超前支护结构：它由普通的半隧道结构与边坡超前支护结构有机组合,以达到稳定边坡、减少开挖量、环保经济的目的。采用数值方法对超前支护半隧道结构的作用机制进行研究,分别模拟无支护开挖和超前支护结构的4种不同组合加固后开挖时的情况,分析高切坡的稳定性、应力分布及塑性区开展的情况,通过比较得出高切坡半隧道超前支护结构的合理组合方式。     

任意岩石锚杆计算模型及其算法

针对目前岩土工程中锚杆数值模型存在的局限性,提出了任意岩石锚杆的计算模型,该模型能考虑任意方向穿过岩体单元的锚杆,且岩体单元的划分不需要考虑锚杆的具体位置,锚杆信息可由已形成的岩体单元信息自动生成,可以适应岩石边坡、复杂地下结构支护分析以及加锚参数优化设计。应用表明,该模型方便可行,提高了加锚岩体数值模拟的适用性。