地下工程中注漿巖石錨桿錨固機理研究.pdf

1、巖土錨固技術是巖土工程領域的重要分支。巖土錨固技術能充分調動和提高巖土體自身的強度和自穩(wěn)能力，改善巖土體的應力狀態(tài)，大大縮小支護結構物體積和減輕結構物的自重，明顯地節(jié)省工程材料，提高施工過程的安全性。巖土錨固技術已經成為提高巖體工程穩(wěn)定性和解決復雜巖土工程穩(wěn)定問題最經濟、最有效的方法之一，在邊坡工程、地下工程、建筑基坑等領域得到了廣泛的應用，尤其地下工程是其應用最廣泛的領域。但是，目前對錨桿錨固機理的研究依然沒有完全清晰，在很大程度上仍

2、需進行更深入的理論探討。本文以錨桿應用最廣的地下工程為背景，對地下工程中尤其是隧道工程錨固中錨桿的錨固機理進行研究，從不同角度，不同層面對其進行詳細的分析研究，以期得到對錨桿錨固機理深層次的認識，為錨固設計的改進提供科學的理論依據。本文的主要研究內容有以下幾部分： 1．建立錨桿常規(guī)拉拔試驗力學模型，根據荷載一位移之間的函數關系以及錨桿的受力平衡，建立了錨桿應力分布函數，并對影響其應力分布趨勢和大小的各個因素進行了分析。同時，研究

3、了極限承載力與各個因素之間的關系。通過研究表明，錨桿的應力分布函數是一種指數分布函數，并且在錨桿的端部有較強的應力集中現象，在長度大約為1/3長度內，承擔錨桿承載力的80％左右。研究了影響錨桿應力分布的多個因素的影響，通過分析得出，不同的錨桿半徑其應力分布函數的形式是不變的，但是其提供的應力大小在發(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程中，應該選擇直徑較大錨桿為錨固材料。通過

4、數據擬合得到了錨固體直徑與其極限承載力之間的函數關系是一種明顯的線性函數關系。錨固體的彈性模量對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力的應力集中度，增大圍巖體所受的反作用力，改善錨固系統(tǒng)的錨固效果，增強圍巖的穩(wěn)定性。通過對已有試驗數據的分析，可以看出，界面平均承載力與彈性模量的對數成線性關系；錨桿長度與錨桿極限承載力之間也呈線性函數關系。還分析了注漿體的力學特性與錨固

5、體抗剪強度之間的函數關系，為進一步改進目前的錨固設計中的相關參數提供了一定的理論基礎。 2．根據其力學模型的特點，依據彈性理論中半無限空間邊界上一點受集中力作用下空間內某點的位移問題的Mindlin解，建立彈性狀態(tài)下錨桿的受力分布函數。分析了其應力分布的特征，通過分析得到，在孔口處，錨桿所受的剪應力為零，然后沿錨桿方向急劇增大，并達到最大值。在達到最大值后，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)和錨桿的實際受力狀態(tài)雖然還有一定的差別，但是與實際受力狀態(tài)中錨固約束段的受力情況是相同的，此結果也得到了很多實際測試結果的驗證，因此，可以說，建立的錨桿彈性狀態(tài)下的力學模型是合理的；在彈性狀態(tài)下，錨桿的受力范圍比較小，當界面剪應力達到最大值后，超過黏結材料或者巖體的容許剪切強度后，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，其應力分布函數是一

7、雙曲線函數，此模型雖然類似常規(guī)拉拔試驗模型所建立的傳遞模型，但是在此模型中的一個非常重要的參數k體現了注漿體、圍巖體、錨桿這三個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。同時，根據此傳遞載荷的模型分析了極限承載力與錨桿長度的關系，以及一種快速確定錨桿長度的方法，通過實際工程實例驗證，得出此方法是快速有效的。 4．根據錨固體與圍巖體界面遵循莫爾庫侖屈服準則建立了注漿巖石錨桿的應力分布函數，主要是剪應力分布函數

8、，然后在此基礎上根據圍巖體與注漿錨固復合體相互作用原理，建立了比較簡單的力學模型，均質彈性巖體中錨桿的實際摩阻力的分布函數，然后在此基礎上分析了影響其應力分布特征的各種因素。同時，根據其摩阻力的通解表達式，建立了求解錨桿中性點位移的通解函數。在對影響錨桿應力分布趨勢和大小因素的分析中，重點對前人很少研究的一個問題，即錨桿施按的時間進行了研究。本文從推導的錨桿的實際受力摩阻力的分布函數出發(fā)，通過改變圍巖體中不同變形時刻原巖應力的變化來研究

9、此問題，是一種比較新型的研究方法，通過研究表明，錨桿施按的時間是非常重要的，不同的時間所施加的錨桿在其后面與圍巖體的相互作用所產生的應力是不同的。經過研究得出，當圍巖即洞壁變形大約為最終變形的25～50％這一階段進行錨桿施加是比較合適。 5．基于載荷傳遞機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，同時根據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表達式，根據注漿巖石錨桿與圍巖體微段界面摩阻力與

10、其相對位移之間呈線性關系的假定建立了錨桿與圍巖體的實際受力相互作用的載荷傳遞函數。在此基礎上，建立了不同類型圍巖體模型下的錨桿的受力函數，研究了其應力傳遞的機理和錨固機理。通過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關系，并在此基礎上建立了錨桿軸向力分布函數關系以及摩阻力的分布函數關系；分析了理想彈塑性巖體中隧洞圍巖的徑向位移表達函數，通過此函數結合所建立的錨桿的軸向力函數關系以及摩阻力的函數關系，建立了理想彈塑性巖體中錨桿

11、軸向力和摩阻力的實際分布函數，并對影響其應力分布趨勢和大小的各種因素進行了詳細的分析，得出影響其應力分布的主要因素是圍巖體的彈性模量、錨桿的長度以及錨桿施加的時機。在研究完理想彈塑性巖體后，對脆彈塑性巖體中錨桿的錨固機理進行研究。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關系，通過此函數結合所建立的錨桿的軸向力函數關系以及摩阻力的函數關系，建立了理想脆彈塑性巖體中錨桿軸向力和摩阻力的實際分布函數，并對影響錨桿應力分布趨勢和大小

12、的巖體的剪脹角進行了分析，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，剪脹角小的巖體中錨桿的應力集中現象比剪脹角大的巖體中的錨桿的應力集中現象低，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，剪脹角對錨桿的中性點的位移影響不大，剪脹角增大，中性點的位移幾乎沒有發(fā)生改變；隨后研究了粘彈性巖體中錨桿的錨固機理，主要采用了開爾文和柏格斯模型。通過研究表明，當采用開爾文模型研究錨桿的錨固機理，當時間超過某一定值后圍