基于FLAC3D对不同荷载下锚杆锚固作用机制的数值模拟

以某铜矿为研究背景,通过室内剪切试验、点荷载试验获取岩体物理力学基本参数,用FLAC~(3D)有限元软件对锚杆锚固作用机制进行数值模拟,探究锚固体与锚杆周围应力分布规律,以及锚杆在不同条件下锚固体应力分布情况。数值模拟结果表明:得出了锚杆锚固力、剪应力沿内锚固长度的分布规律,为合理设计锚固长度提供一定的理论依据。通过对锚杆—注浆体—围岩体之间界面的数值模拟获得界面上的应力分布规律及其最大承载力。研究结果不仅有助于了解加锚岩体的力学性能,也可以为设计可靠有效的岩体锚固方案提供有利的试验数据和理论基础。     

锚杆预紧力在巷道围岩中的力学效应

针对巷道围岩稳定性控制中的整体锚固结构,分析了预应力锚杆的力学作用机理.预应力锚杆施加于围岩之上的预紧力所产生的横向挤压作用,是围岩形成整体锚固结构的必要条件.基于固体力学中的Boussinnesq研究了单根预应力锚杆作用下围岩中应力以及相应的横向挤压力的计算方法,建立了2根预应力锚杆共同作用下二者之间横向挤压力的理论计算公式.结果表明,2根锚杆之间的横向挤压力与锚杆预紧力成正比,与计算位置到锚杆安装位置的距离成反比;预紧力产生的横向挤压力在2根锚杆正中间位置最小;横向挤压力的大小除与围岩的泊松比有关外,还与锚杆安装密度、有效长度等有关.研究结果在塔山煤层巷道支护设计中得到应用.     

基于围岩变形的预应力锚杆受力特征分析 及锚固机理

在实际围岩变形条件下对预应力锚杆应力分布进行分析,建立了预应力锚杆-围岩相互作用模型,得到预应力锚杆轴力、剪应力分布解析式,进而获得锚杆应力分布曲线。结果表明:影响锚杆轴力、剪应力分布的因素有预紧力、围岩性质、锚杆及锚固剂参数;在未发生滑移的情况下,自由段所受轴力为定值,锚固段所受轴力沿锚杆长度方向减小至0;而锚杆自由段所受剪应力几乎为0,在锚固段始端剪应力急剧增大至最大值再沿锚杆长度方向衰减至0;在发生滑移的情况下,需对锚固段轴力进行修正,得到锚杆应力分布规律。     

基于围岩应力监测和振动监测的采场稳定性研究

采用自主设计的多功能监测杆对某金属矿采场开挖过程中的围岩稳定性进行实时监测，记录采场回采过程中监测杆长度范围内岩层垂直方向应力变化和围岩振动事件。结果表明，开挖面积增大会导致围岩所受应力和峰值速度呈现上升趋势，反映出围岩内部发生破裂次数增多，围岩稳定性下降，松动圈深度增加。对于采用集中端头锚固式锚杆进行支护的矿山，锚杆长度大于松动圈深度时，能更有效地控制松动圈演化和岩体冒落。该采场完成为期一个月的开采后，岩层沉降使监测杆长度范围内岩层垂直方向应力增加约3.9 MPa,振动事件强度满足我国爆破振动安全许可标准，综合评价围岩稳定性较好。     

轴向荷载对锚杆横向振动特性影响的数值分析

基于梁的横向振动理论,建立了锚杆横向振动的力学模型,得到了轴向荷载下锚杆横向振动的控制方程。考虑了轴向荷载对锚杆托盘与围岩接触的影响,通过ANSYS建立有限元模型,将接触面用实体单元替代,对不同轴向荷载下的锚杆做了有预应力的模态分析。模拟结果表明,锚杆横向振动固有频率都随轴向荷载的增大而增大,而且对不同岩性条件下的锚杆横向振动影响稍有差别,对各阶固有频率的影响规律也不尽相同,低阶规律较为明显,其中1阶、2阶、3阶随轴向载荷基本成线性增长。该结论可为煤矿、公路以及边坡锚杆轴向受力的实时无损检测提供指导。     

不同锚固长度下巷道锚杆力学效应分析及应用

为研究不同锚固长度对巷道围岩的控制效果,从理论方面推导了锚杆应力分布规律,建立了不同锚固长度下巷道围岩力学分析模型,考虑分析了锚杆直径、围岩强度参数、锚固长度、预紧力、布设间距等影响因素,给出了巷道锚杆支护设计的工程建议措施,并通过开展现场试验验证了本文理论研究成果的正确性。研究表明：锚杆受力主要集中在锚固段端头1/3范围内,且沿长度方向杆体剪应力与轴力不断递减;在软岩中更利于锚杆锚固作用的发挥;施加高预紧力,并留设一定的自由段长度,有利于锚杆预紧力在围岩中扩散,可形成有效的锚固围岩承载结构,充分发挥杆体支护潜力;当锚杆布设间距较大时,可通过提高预紧力、适当减少锚固长度来增加预紧力对围岩的控制效果。     

基于实际围岩变形的全长锚固锚杆杆体应力分布特征分析

在全长锚固锚杆支护过程中,锚杆与围岩之间会相互作用,进而引起锚杆应力分布变化。为探究全长锚固锚杆正常支护过程及临界失效时锚杆应力分布规律,以围岩变形为基础,建立了锚杆-围岩相互作用模型,推导出锚杆在正常支护过程中及临界失效时轴力及剪应力沿杆长分布解析表达式,进而获得了轴力及剪应力沿杆长分布曲线。并在考虑锚杆及锚固剂弹性模量、锚杆及锚固剂横截面面积等锚固参数的条件下分别分析了围岩条件、锚杆长度、托锚力对全长锚固锚杆杆体应力分布的影响。结果表明:在全长锚固锚杆正常支护过程中,杆体应力分布符合中性点理论;影响锚杆轴力、剪应力分布的因素有围岩条件、锚固参数、托锚力;在锚杆正常支护过程中,全长锚固锚杆杆体应力分布符合中性点理论,随着围岩变软,锚杆为了限制变形,中性点向孔口方向移动且所受轴力、剪应力增大;托锚力影响杆体应力分布,托锚力越大,轴力分布越不均匀,且孔口到中性点处剪应力越小,中性点到杆端剪应力越大。所以在工程实际中可实时监测锚杆托锚力,依靠本文理论依据可深入揭示锚杆支护过程中受力特征;在锚杆支护临界失效时,围岩越坚硬,剪应力及轴力越大,且分布更加集中;锚杆长度影响全长锚固锚杆的支护性能,但在锚杆长度超过一定范围后再增大锚杆长度并不能显著提升锚杆的锚固效果。     

隧道围岩中全长粘结式锚杆受力的非线性分析

为分析隧道围岩中全长粘结式锚杆锚固界面剪切作用的非线性特性及其受力特性,建立了锚固界面剪应力与剪切位移的双曲正切函数模型,推导了围岩变形作用下全长粘结式锚杆的荷载传递方程,采用有限差分方法和Newton迭代公式建立了锚杆受力特性计算方法,并采用典型隧道工程锚杆试验实测结果进行了验证。在此基础上,分析了围岩变形作用下全长粘结式锚杆的轴力和界面剪应力分布特征,探讨了锚杆长度、界面剪切强度和初始剪切刚度、围岩位移释放系数等因素对锚杆受力的影响。研究结果表明：①双曲正切函数模型采用单一函数曲线刻画了界面剪应力与剪切位移的非线性关系及锚固界面剪切刚度演变规律,可有效描述隧道围岩中全长粘结式锚杆的受力特性;②锚杆锚固力随着锚固长度的增加而逐渐增大,但其锚固长度存在临界值;超过临界值后,锚杆锚固力基本不变;③随着界面剪切强度和刚度的增加,锚杆锚固力逐渐增大,中性点位置移向临空面一侧,界面剪应力向临空面和锚杆末端聚集;④围岩位移释放系数越小,锚杆支护后所提供的锚固力越大。实际工程中,宜根据围岩稳定状态及所需锚固力大小,合理确定锚杆支护时机和长度。     

全长锚固锚杆支护软岩巷道围岩承载结构力学响应解析

为研究高应力软岩巷道围岩在全长锚杆锚固后围岩力学承载结构的稳定性,考虑软岩峰后强度软化时的扩容特性和全长锚固锚杆受力边界条件,建立了全长锚固锚杆力学模型,推导得到锚杆受力解析式。并通过将锚固力等效为体积力的形式建立了全长锚固围岩力学模型,将其由浅及深依次划分为锚固残余区、锚固塑性软化区、非锚固塑性软化区及弹性区,推导了各分区的应力表达式。结合工程算例分析了空间效应、扩容系数、锚杆长度和托盘反力等因素对围岩应力和锚杆受力的影响规律。结果表明：受空间效应影响,巷道变形破坏呈现渐进式发育,借此提出了“锚固调控区”的概念,即在全长锚固锚杆支护过程中,围岩的虚拟支护力和锚固力处于此消彼长的状态,从而抑制围岩应力向深部转移,有效减小了塑性区范围。锚杆安装时机越早,作用于杆体的围岩变形越大,且与围岩之间更易形成共同承载体;锚杆轴力与扩容系数呈正比关系,随着扩容系数增大,锚固力增长速率显著加快,保证了锚杆对围岩径向应力的恢复作用;锚杆长度越大,围岩/锚固剂界面粘结范围越广,使得沿杆体的轴力分布及其峰值明显增大,进而使围岩切向应力峰值区向洞壁方向偏移;全长锚固锚杆托盘反力对残余区和塑性区边界的影响较小,...     

爆破动载下全长锚固玻璃钢锚杆动力响应特征研究

针对爆破动载下全长砂浆锚固玻璃钢锚杆损伤破坏问题,基于结构动力学,依据爆炸球面波理论建立全长砂浆锚固玻璃钢锚杆动力响应模型。根据金山店铁矿全长砂浆锚固玻璃钢锚杆支护参数和爆破振动监测数据,计算并分析爆破动载下锚杆轴向应力、剪切应力随时间的变化特征和分布规律;研究爆心距、单次最大起爆药量和围岩弹性模量对锚杆动力响应的影响。结果表明:爆破动载下锚杆轴向应力和剪切应力最大值随单次起爆药量的增加快速增大且随时间呈正弦式变化和衰减,但随爆心距的增加而快速降低;应力作用范围主要集中在锚杆孔口附近的锚固段内且随应力峰值的增大而增长,但随着围岩弹性模量的减小逐渐增大且剪切应力最大值逐渐向锚固段深处移动,表明全长锚固玻璃钢锚杆在爆破动载下发生杆体尾部的断裂破坏或锚杆与砂浆接触面的剪切破坏与围岩性质相关。     

FLAC~(3D)中爆破震动下锚杆轴力损失的修正及应用

针对FLAC3D现有模型无法实现由于CABLE结构单元在动载下出现损伤而导致支护轴力损失的问题,基于最大剪应力准则和应变能密度准则,提出了爆破震动下CABLE单元破坏损伤判据,以及锚固结构损伤量沿震波传播路径的分布规则,由此建立了锚杆轴力动力损失修正模型。基于FISH语言平台开发修正模型的计算程序,使得FLAC3D具备由于CABLE结构单元动力损伤而导致轴力损失的功能,并应用该功能进行了爆破震动下单排锚杆轴力损失与全锚杆巷道支护质量减弱的对比分析,结果表明:1修正模型锚杆轴力在爆破下,经历平稳→下降→平稳3个阶段,锚杆轴力损失率随至震源距离的增大呈指数衰减,达到了锚杆轴力定量损失的预期效果。2通过修正模型得到了爆破对巷道支护的主要损伤范围和程度,其中6和8 kg药量爆破下锚杆轴力损失率峰值分别为35%和76%,并且至震源0~4和0~12 m内锚杆轴力损失率超过25%,支护损伤较大。同时,修正模型能较大幅度修正动力分析中的围岩变形量以及塑性区体积,其中6和8 kg药量爆破下变形修正系数峰值分别为70%和37.5%,而塑性区体积修正系数分别为22.2%和9.9%,说明爆破药量越小修正效果越显著。3修正模型计算结果与现场实测结果具有较好的一致性。     

横向激振力作用下锚杆动力响应分析

在锚杆无损检测技术中主要是根据测定锚杆的动力响应信号,从而计算出锚杆锚固质量的各种参数。建立锚杆横向振动力学模型,采用ANSYS数值模拟的方法,对锚杆支护系统进行瞬态动力学分析,确定了系统中锚杆工作载荷、刚度阻尼系数和采样位置的不同对锚杆横向振动响应信号的影响规律。     

注浆岩石锚杆锚固机理影响因素分析

为了进一步研究隧洞等地下工程中锚杆支护锚固机理,根据微段锚杆的受力平衡以及载荷传递机理建立了锚杆的载荷传递微分方程,同时根据隧道围岩安装锚杆前后的应变变形建立了锚杆的轴向载荷传递方程,结合圆形隧洞围岩的径向变形方程,推导了理想弹塑性围岩中注浆岩石锚杆的轴向应力的计算模型,以及锚固段与围岩体界面之间摩阻力的计算模型。通过分析锚杆应力的分布特征以及影响应力分布趋势和大小的因素,得到了影响其锚固效应的因素是锚杆的安装施工时机、围岩的力学特性以及锚杆的长度等。     

深部隧硐锚杆支护结构系统中锚杆受力研究

依据柏格斯（Burgers）模型，对深部围岩隧硐进行了应力与位移场的解析分析研究，建立了柏格斯模型下隧硐围岩的位移方程、应力方程；基于载荷传递机理，建立了锚杆受力的微分方程，通过求解锚杆受力的微分方程得到了锚杆与围岩相互作用下的轴向载荷分布函数。然后对锚杆的轴向受力与摩阻力进行了计算分析，通过结果分析得出：粘弹性围岩中的应力分布与时间无关；隧硐围岩中任一点的位移随时间而增长，同时，随着时间将趋向于一定值；锚杆的受力符合中性点理论。同时，通过分析深部围岩隧硐发生破坏的原因，建立支护结构与围岩共同作用的特性曲线，提出了一种符合NATM核心思想的，能够科学确定支护结构最佳架设或安装施工时间的新思路。     

不同锚杆参数对锚固系统稳定性影响研究

为了研究不同锚杆参数对锚固系统稳定性的影响，采用理论分析和数值模拟相结合的方法，理论分析了围岩协同锚固系统力学模型和锚杆锚固段的“大托盘”效应，数值模拟了不同锚杆长度、锚杆密度和锚杆预紧力下群锚杆最小主应力分布，分析了锚杆围岩形成的挤压带范围，得到了相关参数对锚固系统稳定性的影响。研究为巷道支护提供了理论指导。     

爆破荷载下喷锚支护动载响应的数值分析

喷锚支护广泛应用于采矿巷道支护、交通隧道支护、地下硐室加固等工程中。利用显式动力分析软件LS-DYNA,对微差爆破作用下喷锚支护的动态力学性能进行分析,比较了4种不同爆破方案下混凝土支护的受力与振动特性以及锚杆轴力的变化特点。结果表明:采用25ms的延期时间,微差爆破能够有效减弱爆炸应力的破坏效应;当爆炸应力作用在拱顶时,锚杆安装角越低,所受轴向应力越小;巷道拱顶锚杆交替承受拉压应力,水平锚杆主要承受拉应力。将数值模拟结果与冬瓜山铜矿现场情况相结合,提出了巷道支护的修改方案。     

西部地区遇水软化岩层锚杆、锚索受力监测及分析

 针对西部矿区泊江海子煤矿的特殊地质状况,分析了巷道围岩变形控制机理,通过对巷道支护结构受力进行了实时监测,获取了锚杆、锚索的轴力数据。对于处于深埋的遇水软化软岩巷道,监测结果表明锚杆、锚索工作锚固力相对较小,预紧力偏小;开挖后围岩松动破坏,施加支护后,应力重新调整,后期锚杆、锚索受力均比较稳定,巷道安全稳定,说明当前锚、梁、网喷+锚索联合支护结构有效、可靠,能合理控制巷道变形。     

爆破荷载作用下岩质边坡稳定性研究进展

爆破荷载是导致边坡失稳的重要外部因素。与土质边坡相比,由于节理面的存在,爆破荷载下岩质边坡稳定性研究更加复杂。综述节理对爆破应力波传播特性的影响规律以及爆破荷载作用下岩质边坡数值计算要点,并从岩质边坡自身特点、爆破应力波振动特性以及爆破荷载与其他外界因素耦合3方面详述岩质边坡动力稳定性研究现状,总结得出节理力学性质及分布,爆破应力波振动速度、频率及其衰减规律等因素是岩质边坡极其重要的稳定因素。最后,对爆破荷载作用下岩质边坡稳定性研究进行展望,为进一步深入研究奠定基础。