地下工程中注漿巖石錨桿錨固機(jī)理研究.pdf

1、巖土錨固技術(shù)是巖土工程領(lǐng)域的重要分支。巖土錨固技術(shù)能充分調(diào)動(dòng)和提高巖土體自身的強(qiáng)度和自穩(wěn)能力，改善巖土體的應(yīng)力狀態(tài)，大大縮小支護(hù)結(jié)構(gòu)物體積和減輕結(jié)構(gòu)物的自重，明顯地節(jié)省工程材料，提高施工過(guò)程的安全性。巖土錨固技術(shù)已經(jīng)成為提高巖體工程穩(wěn)定性和解決復(fù)雜巖土工程穩(wěn)定問(wèn)題最經(jīng)濟(jì)、最有效的方法之一，在邊坡工程、地下工程、建筑基坑等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，尤其地下工程是其應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域。但是，目前對(duì)錨桿錨固機(jī)理的研究依然沒(méi)有完全清晰，在很大程度上仍

2、需進(jìn)行更深入的理論探討。本文以錨桿應(yīng)用最廣的地下工程為背景，對(duì)地下工程中尤其是隧道工程錨固中錨桿的錨固機(jī)理進(jìn)行研究，從不同角度，不同層面對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的分析研究，以期得到對(duì)錨桿錨固機(jī)理深層次的認(rèn)識(shí)，為錨固設(shè)計(jì)的改進(jìn)提供科學(xué)的理論依據(jù)。本文的主要研究?jī)?nèi)容有以下幾部分： 1．建立錨桿常規(guī)拉拔試驗(yàn)力學(xué)模型，根據(jù)荷載一位移之間的函數(shù)關(guān)系以及錨桿的受力平衡，建立了錨桿應(yīng)力分布函數(shù)，并對(duì)影響其應(yīng)力分布趨勢(shì)和大小的各個(gè)因素進(jìn)行了分析。同時(shí)，研究

3、了極限承載力與各個(gè)因素之間的關(guān)系。通過(guò)研究表明，錨桿的應(yīng)力分布函數(shù)是一種指數(shù)分布函數(shù)，并且在錨桿的端部有較強(qiáng)的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在長(zhǎng)度大約為1/3長(zhǎng)度內(nèi)，承擔(dān)錨桿承載力的80％左右。研究了影響錨桿應(yīng)力分布的多個(gè)因素的影響，通過(guò)分析得出，不同的錨桿半徑其應(yīng)力分布函數(shù)的形式是不變的，但是其提供的應(yīng)力大小在發(fā)生變化。增大錨桿的直徑可以有效地改善錨桿的錨固效果，使錨桿的作用范圍增大，因此，在安裝錨桿的施工過(guò)程中，應(yīng)該選擇直徑較大錨桿為錨固材料。通過(guò)

4、數(shù)據(jù)擬合得到了錨固體直徑與其極限承載力之間的函數(shù)關(guān)系是一種明顯的線性函數(shù)關(guān)系。錨固體的彈性模量對(duì)錨桿的錨固效果的影響是明顯的，彈性模量大的錨桿其錨固效果要優(yōu)于彈性模量小的錨桿。彈性模量大能有效地降低剪應(yīng)力的應(yīng)力集中度，增大圍巖體所受的反作用力，改善錨固系統(tǒng)的錨固效果，增強(qiáng)圍巖的穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，可以看出，界面平均承載力與彈性模量的對(duì)數(shù)成線性關(guān)系；錨桿長(zhǎng)度與錨桿極限承載力之間也呈線性函數(shù)關(guān)系。還分析了注漿體的力學(xué)特性與錨固

5、體抗剪強(qiáng)度之間的函數(shù)關(guān)系，為進(jìn)一步改進(jìn)目前的錨固設(shè)計(jì)中的相關(guān)參數(shù)提供了一定的理論基礎(chǔ)。 2．根據(jù)其力學(xué)模型的特點(diǎn)，依據(jù)彈性理論中半無(wú)限空間邊界上一點(diǎn)受集中力作用下空間內(nèi)某點(diǎn)的位移問(wèn)題的Mindlin解，建立彈性狀態(tài)下錨桿的受力分布函數(shù)。分析了其應(yīng)力分布的特征，通過(guò)分析得到，在孔口處，錨桿所受的剪應(yīng)力為零，然后沿錨桿方向急劇增大，并達(dá)到最大值。在達(dá)到最大值后，衰減至零值；錨桿的軸向載荷最大值在孔口處，沿著錨桿的方向遞減，在一定距離

6、段遞減為零；錨桿在彈性狀態(tài)下的受力分布狀態(tài)和錨桿的實(shí)際受力狀態(tài)雖然還有一定的差別，但是與實(shí)際受力狀態(tài)中錨固約束段的受力情況是相同的，此結(jié)果也得到了很多實(shí)際測(cè)試結(jié)果的驗(yàn)證，因此，可以說(shuō)，建立的錨桿彈性狀態(tài)下的力學(xué)模型是合理的；在彈性狀態(tài)下，錨桿的受力范圍比較小，當(dāng)界面剪應(yīng)力達(dá)到最大值后，超過(guò)黏結(jié)材料或者巖體的容許剪切強(qiáng)度后，則界面將發(fā)生塑性變形。 3．基于錨桿與圍巖體界面局部共同變形理論建立的錨桿了載荷傳遞方程，其應(yīng)力分布函數(shù)是一

7、雙曲線函數(shù)，此模型雖然類(lèi)似常規(guī)拉拔試驗(yàn)?zāi)Ｐ退⒌膫鬟f模型，但是在此模型中的一個(gè)非常重要的參數(shù)k體現(xiàn)了注漿體、圍巖體、錨桿這三個(gè)錨固主體以及三者之間的界面的特性，比前面所建立的兩種模型更先進(jìn)。同時(shí)，根據(jù)此傳遞載荷的模型分析了極限承載力與錨桿長(zhǎng)度的關(guān)系，以及一種快速確定錨桿長(zhǎng)度的方法，通過(guò)實(shí)際工程實(shí)例驗(yàn)證，得出此方法是快速有效的。 4．根據(jù)錨固體與圍巖體界面遵循莫爾庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則建立了注漿巖石錨桿的應(yīng)力分布函數(shù)，主要是剪應(yīng)力分布函數(shù)

8、，然后在此基礎(chǔ)上根據(jù)圍巖體與注漿錨固復(fù)合體相互作用原理，建立了比較簡(jiǎn)單的力學(xué)模型，均質(zhì)彈性巖體中錨桿的實(shí)際摩阻力的分布函數(shù)，然后在此基礎(chǔ)上分析了影響其應(yīng)力分布特征的各種因素。同時(shí)，根據(jù)其摩阻力的通解表達(dá)式，建立了求解錨桿中性點(diǎn)位移的通解函數(shù)。在對(duì)影響錨桿應(yīng)力分布趨勢(shì)和大小因素的分析中，重點(diǎn)對(duì)前人很少研究的一個(gè)問(wèn)題，即錨桿施按的時(shí)間進(jìn)行了研究。本文從推導(dǎo)的錨桿的實(shí)際受力摩阻力的分布函數(shù)出發(fā)，通過(guò)改變圍巖體中不同變形時(shí)刻原巖應(yīng)力的變化來(lái)研究

9、此問(wèn)題，是一種比較新型的研究方法，通過(guò)研究表明，錨桿施按的時(shí)間是非常重要的，不同的時(shí)間所施加的錨桿在其后面與圍巖體的相互作用所產(chǎn)生的應(yīng)力是不同的。經(jīng)過(guò)研究得出，當(dāng)圍巖即洞壁變形大約為最終變形的25～50％這一階段進(jìn)行錨桿施加是比較合適。 5．基于載荷傳遞機(jī)理建立了巖石注漿錨桿與圍巖體相互作用下的載荷傳遞微分方程，同時(shí)根據(jù)隧洞圍巖體變形的不同狀態(tài)建立了圍巖體不同狀態(tài)下的徑向位移的函數(shù)表達(dá)式，根據(jù)注漿巖石錨桿與圍巖體微段界面摩阻力與

10、其相對(duì)位移之間呈線性關(guān)系的假定建立了錨桿與圍巖體的實(shí)際受力相互作用的載荷傳遞函數(shù)。在此基礎(chǔ)上，建立了不同類(lèi)型圍巖體模型下的錨桿的受力函數(shù)，研究了其應(yīng)力傳遞的機(jī)理和錨固機(jī)理。通過(guò)研究得到了錨桿與圍巖體相互作用下錨桿的軸向位移的函數(shù)關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上建立了錨桿軸向力分布函數(shù)關(guān)系以及摩阻力的分布函數(shù)關(guān)系；分析了理想彈塑性巖體中隧洞圍巖的徑向位移表達(dá)函數(shù)，通過(guò)此函數(shù)結(jié)合所建立的錨桿的軸向力函數(shù)關(guān)系以及摩阻力的函數(shù)關(guān)系，建立了理想彈塑性巖體中錨桿

11、軸向力和摩阻力的實(shí)際分布函數(shù)，并對(duì)影響其應(yīng)力分布趨勢(shì)和大小的各種因素進(jìn)行了詳細(xì)的分析，得出影響其應(yīng)力分布的主要因素是圍巖體的彈性模量、錨桿的長(zhǎng)度以及錨桿施加的時(shí)機(jī)。在研究完理想彈塑性巖體后，對(duì)脆彈塑性巖體中錨桿的錨固機(jī)理進(jìn)行研究。在此部分，建立了脆彈塑性巖體中隧洞圍巖徑向位移的函數(shù)關(guān)系，通過(guò)此函數(shù)結(jié)合所建立的錨桿的軸向力函數(shù)關(guān)系以及摩阻力的函數(shù)關(guān)系，建立了理想脆彈塑性巖體中錨桿軸向力和摩阻力的實(shí)際分布函數(shù)，并對(duì)影響錨桿應(yīng)力分布趨勢(shì)和大小

12、的巖體的剪脹角進(jìn)行了分析，得出隨著剪脹角的增加，錨桿的軸向力和摩阻力也隨之增大；同時(shí)，剪脹角小的巖體中錨桿的應(yīng)力集中現(xiàn)象比剪脹角大的巖體中的錨桿的應(yīng)力集中現(xiàn)象低，因此，剪脹角小的脆性巖體中的錨桿的錨固效果要更優(yōu)。另一方面，剪脹角對(duì)錨桿的中性點(diǎn)的位移影響不大，剪脹角增大，中性點(diǎn)的位移幾乎沒(méi)有發(fā)生改變；隨后研究了粘彈性巖體中錨桿的錨固機(jī)理，主要采用了開(kāi)爾文和柏格斯模型。通過(guò)研究表明，當(dāng)采用開(kāi)爾文模型研究錨桿的錨固機(jī)理，當(dāng)時(shí)間超過(guò)某一定值后圍