剪切过程中锚杆的轴向和横向作用分析

为了分析锚杆轴向力和横向剪切力分别换算的结构面抗剪强度大小规律,依据最小势能原理的变分法,并考虑结构面剪胀特性,建立加锚结构面抗剪强度计算公式。通过加锚结构面直剪试验验证理论计算的有效性,结合理论计算公式,分析了在不同锚杆倾角下围岩强度、锚杆直径和法向应力对锚杆轴向力和横向剪切力换算的抗剪强度影响规律,以及预应力对抗剪强度的影响。结果表明：加锚结构面抗剪强度计算结果与试验结果吻合较好;当锚杆倾角逐渐增大时,锚杆轴向力发挥的抗剪强度逐渐降低,横向剪切力发挥抗剪效能逐渐增大,当锚杆倾角为120°～150°时,轴向力换算的抗剪强度基本为0,而横向剪切力换算的抗剪强度最大;随着围岩强度或法向应力的增大,锚杆轴向力换算的结构面抗剪强度减小,但随锚杆直径或预应力的增大,锚杆轴向力换算的结构面抗剪强度增大;当围岩强度和锚杆直径增大,锚杆横向剪切力换算的抗剪强度会明显增大,而预应力增大会使锚杆横向剪切力换算的抗剪强度呈现降低趋势。     

顺层岩质边坡锚杆拉剪作用力学性能

锚杆能够显著增强顺层岩质边坡的稳定性.基于顺层边坡结构效应,应用锚杆加固顺层边坡的力学模型,根据结构力学理论和变形协调关系,建立拉剪作用下全长粘结型锚杆加固顺层边坡抗剪计算的理论分析方法.与相关试验数据进行了比较验证,结果表明顺层边坡锚固抗力模型计算结果与试验结果比较一致,验证了理论模型的合理性.讨论了锚杆倾角、锚杆直径、灌浆体强度、结构面内摩擦角、剪胀角等对加锚顺层岩体抗剪性能的影响.分析表明:锚杆锚固抗力模型能够较好地反映锚杆轴力及横向剪切力对顺层岩质边坡的抗剪作用.锚杆倾角越大,锚杆总的抗力呈减小趋势,而锚杆抗力随剪胀角增大而增加;当锚杆倾角等于内摩擦角时,锚杆抗力达到最大;锚杆抗力随锚杆直径增加而增大;当锚杆直径不变时,锚杆抗力随灌浆体抗压强度增大而有所减小.      

锚杆锚固对节理岩体剪切性能影响试验研究及机制分析

为研究锚杆锚固对节理岩体剪切性能的影响规律及锚杆抗剪作用机制,开展不同锚杆倾角及不同法向应力作用下加锚节理岩体室内剪切试验研究,探究加锚节理岩体在法向力及剪切力作用下的变形和受力特征,对比分析节理岩体锚固前与锚固后的剪切变形规律,讨论锚杆倾角、节理面法向应力等因素对节理岩体抗剪性能的影响。试验结果表明,锚杆锚固能够有效地增加节理面的黏聚力和内摩擦角,提高节理岩体的抗剪强度;锚杆倾角对加锚节理岩体的抗剪强度及剪切变形规律有重大影响,较大的锚杆倾角有利于发挥锚杆的"销钉"抗剪作用;节理岩体施加锚杆后其剪力–位移曲线存在弹性阶段、屈服阶段及塑性变形阶段3个区段;在锚杆倾角相同的条件下加锚节理岩体的抗剪强度随节理面法向应力的增加而增大。分析试验后试件破坏形态可知,加锚节理岩体中锚杆的屈服破坏主要发生在节理面附近的区段,岩体材料由于锚杆横向的挤压作用,也会在节理面附近发生局部破坏现象。     

锚固方式对节理岩体剪切性能影响试验研究

分别采用预制混凝土块、45号钢螺杆、矿用化学浆液来模拟围岩、锚杆及锚固剂进行节理岩体室内剪切试验,研究在无锚、端锚和全锚3种情况下节理岩体抗剪特性及锚杆受力变形特征。研究结果表明:在不同锚固方式下节理岩体的剪力-位移曲线有显著的差异,无锚试件表现为脆性特征;端锚试件在调动锚杆抗剪强度时会有一剪力小幅下降的转折点,全锚试件与节理匹配性较好,可以承受更大的剪力;对于加锚试件,无论是端锚还是全锚锚杆,根据锚杆变形特点,均可分为拉伸区、剪拉区和压缩区。锚杆在剪力和拉力综合作用下破坏时即发生在剪拉区。锚固方式不同,剪切试验过程中锚杆轴力分布也不同,全锚锚杆主要分布于节理面附近,随着与节理距离增加,轴力迅速衰减。端锚锚杆轴力分布则相对均匀。     

基于剪切试验的预应力锚杆变形性能分析

为了研究锚杆对节理剪切性能的作用机制和模式,开展了锚固节理岩体的实验室剪切试验,模拟了不同强度的岩体在剪力作用下的变形和受力特征,对比了锚杆加固前、后岩体的剪切变形规律,分析了节理岩体强度、预应力及锚固方式对节理的抗剪能力的影响,试验过程中通过应变片测点监测锚杆轴力的变化规律,研究了节理剪切过程中锚杆的轴向受力机制和变形特性。剪切试验完成后,取出剪切变形后的锚杆,统计了变形段长度与各参数之间的关系。通过试验结果分析,剪力-位移曲线存在明显的3个阶段：弹性阶段、屈服阶段和塑性强化阶段,曲线近似呈现双直线特征,弹性段锚杆主要发挥销钉作用;屈服段锚杆的轴向作用开始调动,锚杆同时存在销钉和约束作用;塑性段锚杆不再发挥销钉作用,只是依靠其轴向约束作用限制岩体的变形;曲线表现出韧性增强的剪切性能,这就使得锚杆锚固节理岩体的破坏特性由脆性转变为塑性,从而提高了岩体的稳定性和安全度。节理面的滑动对锚杆产生剪切作用,由于切向变形而产生了附加的锚杆轴向变形,锚杆的轴向应力随着剪切位移的增大呈增长的趋势,变形剧烈区域集中于节理面附近,且距离节理面越近其轴向应力增大越多。     

破裂大理岩锚注加固试样的三轴压缩试验及加固机制分析

通过三轴压缩试验得到不同围压下形成的含单一贯通破裂面大理岩试样,用自制的夹具对试样进行"水泥注浆"和"锚杆+注浆"两种方式加固后再次在原加载破坏围压下进行三轴压缩试验,结合激光扫描和电镜扫描手段,分析了注浆和锚杆对大理岩破裂面的加固效果和作用机制。试验结果表明,注浆加固的黏结作用使开裂大理岩破裂面产生黏聚力,而锚杆的抗剪和抗拉效应能进一步提高加固大理岩破裂面的强度;注浆加固和锚注加固大理岩破裂面的峰值剪应力对应的剪切位移基本相等,表明锚杆只有发生了一定的剪切变形时,其抗剪和法向加载效应才能发挥。最后,以摩尔-库仑强度准则为基础,建立了表面粗糙程度较低且充填度大于1的锚注加固大理岩破裂面的抗剪强度公式。与试验结果的对比表明,该公式较为合理,可为深部硬岩工程围岩支护优化提供参考。     

加锚节理面的抗剪试验研究

通过一系列剪切模型试验,研究在不同法向力、预应力和锚固情况下锚索对平滑节理面抗剪性能的影响,利用对比试验将销钉力、预应力和轴力增量3种力的抗剪作用分离出来,着重探讨了在剪切过程中3种力对节理面的抗剪贡献,并分析了锚索模拟体的破坏形式。试验结果表明,预应力锚固明显提高了节理面剪切力-位移曲线初始段的抗剪力和剪切刚度,并使得曲线末段表现出塑性强化的特征;预应力大小对加锚节理面抗剪强度的影响与试验条件、节理面状况和锚固角等有关。试验和理论分析表明,剪切位移开始阶段预应力和销钉作用发挥了主要作用,杆体形成塑性铰后轴力增量则起了重要的作用,锚索的破坏一般发生在节理面附近,属于拉剪复合破坏模式。     

断层对采空区地表沉降影响的模拟

断层是影响采空区地表沉降的重要因素。针对这一问题,采用数值模拟的方法,建立矿山地层、断层和采空区的三维地质模型,对比有无断层时,采空区地表沉降的变化规律,并详细分析了断层倾角、断层与采空区相对位置关系、断层摩擦强度等因素对沉降规律的影响。研究表明：断层不仅对采空区沉降起放大作用,同时对地表沉降变形起隔断作用。断层的存在使地表塌陷盆地中心向断层方向偏移。断层倾角在40°~50°时,地表沉降量出现最大值;断层倾角在35°~40°时,采空区顶板下沉量出现最大值。随着断层抗剪强度的减弱,采空区地表沉降量增大;但当断层的内摩擦角大于或等于周围地层的内摩擦角时,断层内摩擦角的增大对地表沉降量的影响不明显。     

硬脆性大理岩拉剪破坏特征与屈服准则研究

岩土工程中常用的屈服准则多以压缩剪切为其破坏机制,然而硬脆性岩体的脆性破坏包括拉伸破坏、张拉剪切破坏和压缩剪切破坏3类,且随着岩体工程向深部发展,张拉剪切破坏成为了洞壁围岩的主要破坏机制。针对此问题,开展了硬脆性大理岩的室内拉剪试验,分析了大理岩拉剪破坏特征,并结合压剪试验结果,建立了考虑张拉剪切破坏机制和应力状态影响的Mohr-Coulomb准则。研究结果表明,硬脆性大理岩破裂面在拉剪应力状态和低正应力压剪应力状态下均具有张拉剪切破坏特征,高正应力压剪应力状态下则只具有压缩剪切滑移特征;拉剪应力状态下,大理岩破裂面张拉破坏特征明显,无明显剪切痕迹,剪切力固定时,剪切位移随着轴向拉力增加而增加;凝聚力和内摩擦角受应力状态影响,凝聚力随正应力增大先减小后增大,内摩擦角则随正应力的增大而减小;凝聚力、内摩擦角随正应力的变化趋势可分为4段,拉剪段、低压应力段、中压应力段和高压应力段,每段的凝聚力、内摩擦角与正应力皆可认为是线性关系,靠近抗拉强度处,内摩擦角趋近90°,凝聚力趋于无穷大;考虑张拉剪切破坏机制和应力状态影响的Mohr-Coulomb准则曲线分为两部分,可采用二次抛物线进行拟合的拉剪段和考虑凝聚力、内摩擦角随正应力演化的压剪段,由此建立的Mohr-Coulomb准则更全面、精度也更高。     

颗粒形状对人工模拟堆石料强度和变形特性影响的试验研究

颗粒形状对堆石料的强度和变形特性有着明显的影响。采用水泥净浆浇筑方法,制备了相同体积不同形状的粗颗粒近似模拟堆石料颗粒。通过三轴剪切试验,研究了不同围压条件下颗粒形状对人工模拟堆石料的强度和变形特性的影响。结果表明:颗粒形状对人工模拟堆石料的强度和剪胀特性有影响,随着颗粒球度的增大,人工模拟堆石料峰值强度增大,低围压下剪胀特性越明显;极限应力比随着颗粒球度的增大而减小;初始切线模量和切线体积模量随着颗粒球度的增大而增大;初始内摩擦角受颗粒球度影响较小,内摩擦角增量受颗粒球度的影响相对较大,随着颗粒球度的增大而减小。     

节理岩体锚杆的综合变形分析

在总结国内外对节理岩体中锚杆加固机制的试验研究和理论探讨基础上,综合考虑锚杆的切向和轴向变形能力,建立节理锚固锚杆在剪切荷载作用下的变形模型,将节理锚固锚杆的变形区划分为弹性变形段和挤压破坏段,引入表征挤压破坏段长度的变量,对锚杆与岩体的相互作用机制进行理论分析,推导了剪切荷载与剪切位移和轴向荷载与轴向位移的关系。通过分析锚杆的屈服破坏形式,得到了确定挤压破坏段长度的方法。最后,通过算例分析了挤压破坏段长度与锚杆直径、岩体强度、锚固角度等参数的关系,得到了以下结论：（1）节理锚固锚杆抗剪作用的实质是锚杆调动岩体的抗压强度抵抗节理切向荷载。在抗压强度较高的硬岩中,挤压破坏段局限于节理面附近,锚杆影响范围小;而在抗压强度较低的软岩中,挤压破坏段较大,而且会产生较大的剪切变形,锚杆影响范围较大。（2）锚杆屈服破坏形式与岩质和锚杆直径有关。硬质岩体发生剪切屈服,而较软岩体中容易发生弯曲屈服;小直径锚杆一般直接剪切屈服,而大直径锚杆可能发生弯曲屈服。锚杆屈服破坏后出现塑性铰,挤压破坏段范围在节理一侧约为直径的1～2倍,继续增加剪切荷载,挤压破坏段长度不再增大。（3）随岩质的不同,锚杆锚固节理的最优锚固角变化较大。岩质较硬时,最优锚固角度较小,反之则较大。     

管索组合结构及其力学性能研究

为防止在巷道围岩中锚索发生剪切破断,进一步提高锚索的抗剪强度,自主研发的管索组合结构能更好地提高围岩的抗剪强度及稳定性,该结构主要由C型钢管和锚索组成。在详细介绍了管索组合结构支护结构的基础上,为了更好地研究管索组合结构的力学性能,利用自主研发的新型管索拉剪试验系统分别对不同类型、不同预应力、不同索径的管索组合结构及纯锚索进行了室内力学特性试验,分别从受力?剪切位移曲线特征、支护构件类型影响和支护结构破断模式等方面对比分析了试验结果。结果表明,管索组合结构在剪切过程中经历孔壁岩石自由变形、孔壁岩石压缩C型管、C型管握裹锚索共同变形3个阶段;管索组合结构的剪切破断形式表现为拉伸破断和拉剪复合破断,其峰值剪力与预紧力呈负相关,且与纯锚索相比,管索组合结构的剪切塑性铰的轴向距离较大,管索组合结构的最大剪力、最大轴力以及整体结构变形能力均得到提高,提升率分别达到26.8%、3.5%和7.0%以上。试验结果表明,采用管索组合结构可以有效提高结构面的整体抗剪能力。当围岩发生变形破坏时,锚索与C型钢管的组合结构不仅可以增加整个支护系统的抗剪强度,而且可以同时提高锚索的抗拔能力,从而实现锚索+C型钢管1+1＞2的支护效果,在巷道周围组成有效的围岩承载圈,实现巷道围岩的稳定。     

抗浮锚杆应力-应变状态的线弹性理论分析

假定抗浮锚杆各部分贡献的位移与锚杆轴力均呈线弹性关系,运用力学原理分析锚杆轴力与锚侧摩阻力、锚-土变形之间的相互关系,推导出锚杆的摩阻力、轴力及各部分变形与锚杆各参数的相互关系。实例验证结果表明：基于线弹性模型基础上建立的摩阻力、轴力和位移公式能够较好地描述垂向抗浮锚杆在弹性变形阶段的内力和变形形态;获得了抗浮锚杆摩阻力和剪切位移沿锚固长度的分布规律;证实了锚土界面处变形为土层抗浮锚杆变形的主要部分。     

Analytical model for the mechanical behaviour of bolted rock joints subjected to shearing

Summary This study proposes a new analytical model for the prediction of the contribution of bolts to the shear strength of a rock joint. The main characteristics of this model are the accounts for the interaction of the axial and the shear forces mobilised in the bolt, as well as the large plastic displacements of the bolt occurring during the loading process. The complete curve of the bolt contribution as a function of the displacement along the joint can be computed, and the maximum bolt contribution is obtained by dissociating the bolt cohesion and the confinement effects. The comparison of the performances of this analytical model with test results shows its capacity to describe the observed phenomena. The effects of the most important parameters such as bolt inclination, mechanical properties of bolt material, rock strength and joint friction angle are clearly established and discussed.     

玄武岩纤维与钢筋锚杆锚固性能现场对比试验研究

玄武岩纤维（BFRP）锚杆具有抗拉强度高、耐腐蚀性能好等优点,是岩土锚固结构中钢筋的良好替代品,近年颇受业界关注。通过在黄土地层中开展4组?25 mm BFRP锚杆和钢锚杆的现场拉拔试验,初步研究两种材质锚杆的破坏模式和锚固性能差异。研究结果表明：对于诸如?25 mm类较大直径土层锚杆,拉拔过程中锚固体系的灌浆体内外界面破坏迹象共存,但最终破坏模式受控于灌浆体与土层界面（第二界面）,且BFRP锚杆与砂浆内界面（第一界面）破坏程度明显高于钢锚杆;两种材质锚杆的极限承载力相近,界面黏结强度均随锚固长度的增大而减小;受两种材质锚杆本身的加工工艺和材料力学性能影响,试验中钢锚杆与灌浆体的黏结性能优于BFRP锚杆;相同荷载水平,相同位置处,BFRP锚杆杆体轴力大于钢锚杆,轴力衰减速率略小于钢锚杆;峰值剪应力BFRP锚杆小于钢锚杆。     

锚固节理直剪力学行为的颗粒流数值分析

为探究锚固节理在直剪加载作用下的细观力学响应,利用颗粒流数值计算方法建立不同锚固角度下的锚固节理数值模型,并进行不同法向荷载下的直剪试验。之后,通过分析和对比剪切-位移曲线和峰值剪切强度来对锚固节理宏观力学性质进行研究。与此同时,基于微裂纹分布规律,从细观角度揭示了剪切荷载下不同锚固角度的岩石节理面的破坏特征;研究结果显示。（1）不同于非锚固节理,锚固节理的剪切-位移曲线在剪切后期呈现出一定的增长趋势,且粗糙度不同曲线变化特征存在一定的差异。（2）不同锚固角度下,锚固节理的破坏模式存在着较为明显的差异。当锚固角为90°时,锚固节理模型的破坏主要集中于锚杆与上下节理面接触位置,且破坏主要为挤压式破坏。随着锚固角度的减小,接触位置的破碎区域不断减小,节理破坏主要表现为沿着锚杆的轴向拉伸变形破坏及内部的拉伸破坏。（3）锚固角度的变化对锚固节理的抗强度的影响程度与节理面的粗糙度存在一定关联。具体而言,较为平直节理抗剪强度随着锚固角度的增大,增长趋势明显,而粗糙节理面随着锚固角度的增大峰值抗剪强度的变化趋势相对较为平缓。