锚杆对断续节理岩体的加固作用机理及应用研究

论文摘要

结构面是岩体工程区别于土木工程其他领域一个显著特征,它将岩石材料切割成不连续介质,使问题变得复杂。尤其是节理和裂隙等微小结构面,遍布于天然岩体中,在工程中最为常见。而这其中,又尤以断续节理最为普遍,岩体的失效破坏往往是由于赋存于其中的原生节理在荷载作用下产生新生裂纹,并且逐渐扩展、连通,使岩桥贯通造成的。因此,研究断续节理岩体的相关问题具有实际意义。锚杆作为广泛应用于岩体工程中的一种加固构件,其锚固效果是显著的,但其加固机理尚不十分明确,尤其锚杆对断续节理岩体的加固机理更是少有研究。本文以断续节理岩体和锚杆为研究对象,通过室内试验和理论分析手段,研究了锚杆对断续节理岩体的加固机理。首先,基于大尺寸的加锚断续节理岩体试件,开展了室内单轴压缩试验。选定节理长度、间距、连通率及倾角等四个断续节理几何参数作为变量,研究了锚杆对于不同裂隙分布形式的岩体的加固效果。对比分析了试件在加锚前后的裂纹扩展规律以及试件破坏模式的差异,研究了锚杆加固断续节理岩体的规律。基于层次分析方法,分别以裂隙岩体的峰值强度增量和弹性模量增量为目标函数,研究了断续节理几何参数对锚固效应的敏感性,得出了影响锚固效果的敏感因素顺序。分析了断续节理岩体在压缩荷载作用下,岩桥的受力状态,研究了其在不同应力水平下的贯通模式。根据不同的破坏模式,分别分析了在岩桥贯通前,断续节理岩体的剪切抗力。岩桥贯通后,原生节理与新生裂纹构成剪切滑动面,该滑动面可看做粗糙节理面,在考虑了节理的剪胀作用后,得出了此时岩体的残余剪切抗力表达式。当节理发生剪切错动变形时,穿过节理面的锚杆也会随之发生变形,进而锚杆杆体内产生内力,该内力反作用于节理,即对节理产生锚固作用。首先在考虑了锚杆在节理面附近发生的拉伸变形、剪切变形以及局部转动变形的基础上,研究了随节理变形而变化的锚杆锚固作用规律。当锚杆在节理面附近处于弹性状态时,根据试验结果,认为锚杆变形后的的形状为双曲余弦函数,推导得出了弯矩和轴力共同作用下,在锚杆某点达到弹性极限时,杆体内的剪切力和轴向力。当锚杆在节理面附近处于塑性状态时,锚杆在继续增大的轴向力作用下发生大变形。假设锚杆材料服从Tresca屈服准则,得出了锚杆失效时的杆体内的剪切力和轴向力。求剪力和轴力的合力,并将合力向节理的切向与法向分解,得出了考虑锚杆变形的加锚节理模型。将断续节理岩体的力学特性与锚杆对节理的加固机理相结合,并考虑到锚杆对岩桥的加固作用,得出了加锚断续节理岩体锚固模型。岩桥贯通前,岩石材料变形较小,此时假设锚杆与岩石变形协调,得到了加锚岩石的等效弹性模量,并假设此时穿过节理的锚杆处于弹性小变形阶段,建立了在此条件下加锚断续节理岩体的剪切抗力模型。岩桥贯通后,认为此时锚杆处于塑性大变形阶段,结合断续节理的几何特点,并考虑到锚杆对粗糙节理的加固作用,推导得出了此时锚杆对断续节理岩体的加固模型。将所建立的理论模型应用于Sarma法中,用于计算边坡的安全系数。在计算条块的抗滑力时,首先根据应力条件判断岩桥破坏形式,再根据岩桥贯通破坏形式计算岩桥出现拉剪复合破坏或剪切破坏时滑动面上的抗滑力,对于加锚工况还可以考虑锚杆的锚固效应。工程应用结果表明,考虑了断续节理岩体细观破坏及锚固效应的安全系数计算方法更贴近客观实际。

论文目录

• 目录
• CONTENTS
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 锚固技术的发展概述
• 1.2.1 锚杆的分类
• 1.2.2 锚固理论概述
• 1.3 锚杆加固机理研究文献综述
• 1.3.1 全长粘结锚杆的工作模式
• 1.3.2 单个加锚节理的力学行为
• 1.3.3 加锚节理岩体的力学行为
• 1.3.4 加锚节理岩体的数值模拟
• 1.3.5 锚固结构的稳定性分析
• 1.4 锚杆加固作用机理研究中需要解决的问题
• 1.5 本文的主要研究内容和路线
• 1.6 本文的主要创新点
• 第二章 断续节理岩体锚固效应的试验研究
• 2.1 试验总体设计
• 2.1.1 试验设备简介
• 2.1.2 模型材料的选取及参数的测定
• 2.1.3 预置节理及锚杆的布置
• 2.1.4 模具的设计与加工
• 2.1.5 试件的制备
• 2.1.6 试验步骤及观测
• 2.2 试验结果及分析
• 2.2.1 裂纹扩展基本规律
• 2.2.2 典型工况破坏模式分析
• 2.2.3 试验结果的主要规律
• 2.3 节理几何参数对锚固效应的敏感性分析
• 2.3.1 层次分析法的基本原理
• 2.3.2 数据处理
• 2.3.3 判断矩阵的一致性检验
• 2.3.4 参数敏感性结论
• 2.4 本章小结
• 第三章 断续节理岩体的破坏模式及力学特性
• 3.1 断续节理岩体的几何参数定义
• 3.2 岩桥的受力状态及破坏模式
• 3.3 断续节理岩体岩桥贯通前的剪切抗力分析
• 3.4 断续节理岩体岩桥贯通后的残余剪切抗力分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 锚杆对节理的加固作用机理研究
• 4.1 问题概述
• 4.2 基本假设
• 4.3 锚杆在节理面附近处于弹性和塑性状态下的受力分析
• 4.3.1 弹性状态下的受力分析
• 4.3.2 塑性状态下的受力分析
• 4.4 锚杆在节理面附近处于弹性状态下的变形分析
• 4.4.1 弹性状态下锚杆的内力
• 4.4.2 弹性状态下的锚杆变形
• 4.5 锚杆在节理面附近处于塑性状态下的变形分析
• 4.5.1 塑性状态下锚杆的内力
• 4.5.2 塑性状态下的锚杆变形分析
• 4.6 加锚节理的抗剪强度
• 4.7 本章小结
• 第五章 锚杆对断续节理岩体的加固作用机理研究
• 5.1 岩桥贯通前的加固作用机理分析
• 5.2 岩桥贯通后的加固作用机理分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 工程应用
• 6.1 边坡稳定性分析方法概述
• 6.2 工程背景
• #导流洞出口高边坡稳定性分析'>6.3 2^#导流洞出口高边坡稳定性分析
• 6.3.1 基于Sarma法的断续节理岩质边坡安全系数计算方法
• 6.3.2 锚固参数对边坡稳定性的影响
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 博士期间参与的科研项目
• 博士期间发表的论文
• 博士期间获得的奖励
• 学位论文评阅及答辩情况表