锚杆预紧力对节理岩体抗剪性能影响的试验研究

利用配置的混凝土块体模拟围岩,采用节理直剪的方式,研究了40,80 kN两种预紧力下锚杆对节理岩体抗剪性能的影响。研究结果表明：随着预紧力的提高,锚固节理岩体的初期剪切刚度提高,对于抑制围岩的初期变形,提升锚杆支护效能有重要作用;随着预紧力提高,锚固节理岩体的变形呈阶段性特征,表现为急增阻、缓增阻和降阻3个阶段;井下试验结果表明,提高预紧力,锚杆的工作阻力得到提升,高预紧力全长锚固锚杆支护系统对于节理裂隙围岩的加固效果良好。     

冲击动载下锚固节理岩体剪切破坏模拟研究

为探究冲击动载下不同节理角度对锚固节理岩体剪切破坏的影响规律,基于ABAQUS软件开展了动载冲击下不同节理角度锚固岩体的动态剪切数值模拟研究,系统分析了动载冲击下锚固节理岩体的剪切破坏演化过程及锚杆发生剪切破坏时的切应变、切应力与剪切位移,并依据理论分析提出了最优锚固角方案。研究结果表明：动载冲击过程中,锚杆与岩体在不同冲击时期分别提供了不同程度的锚固系统抗剪力;当锚固岩体节理角度为60°时,锚杆发生剪切破坏所产生的切应变、切应力与剪切位移最大,90°次之,45°最小;通过最佳锚固角估算公式验证了最优锚固角在60°至70°范围内。研究成果对动载巷道节理岩体的加固工程具有一定的指导和借鉴意义。     

基于弹塑性理论的节理处锚杆剪切变形机理分析

为了研究节理面处锚杆的剪切变形机制,建立了节理岩体中锚杆的受力模型,对锚杆在节理面处的剪切变形进行了理论分析,利用单位载荷法推导了节理面处锚杆竖向位移与载荷、节理宽度、材料性质间的关系.理论分析表明,节理岩体中锚杆的剪切变形过程为:小挠度变形阶段、弹塑性剪切变形阶段、塑性铰阶段;剪切变形至塑性铰阶段时,节理面处杆体将出现两个塑性铰;节理面处锚杆具有一段结构对称、载荷反对称部分;节理宽度对节理处杆体的弹性区、弹塑性区的分界面位置存在线性影响.     

基于不同锚固角度的倾斜节理岩体剪切破坏特征研究

针对倾斜节理岩体巷道锚固支护问题,为获得较好的锚固支护效果,以长城六矿1301工作面运输巷为工程背景,基于相似模拟试验和数值模拟分析,揭示了不同锚固角度倾斜节理岩体剪切破坏特征。研究结果表明：随着法向荷载的增加,锚固倾斜节理岩体峰值强度逐渐增加;法向荷载为4 MPa时,随着锚固角度的增大,倾斜节理岩体的峰值抗剪强度和残余强度均呈先上升后下降的趋势,并在锚固角度为45°时均达到最大值;随着锚固角度的减小,锚杆两侧的压力链逐渐增加,并在锚杆内部产生拉力链,即随着锚固角度的减小,锚杆逐渐起到轴向拉伸抑滑的作用,倾斜节理岩体的锚固效果逐渐提升,当锚固角度为45°时抑滑效果较优。根据位移演化规律分析获得,在锚固角度较大时,大部分锚杆未起到抗剪作用,限制锚杆周围区域颗粒位移的能力较差,锚固效果不显著;在锚固角度较小时,限制锚杆周围区域颗粒位移的能力较强,锚固效果较好。根据倾斜节理岩体锚固支护剪切破坏特征,分析获得岩体抗剪强度演化规律、裂隙扩展规律、岩体内部位移演化规律以及岩体内部接触力及应力张量演化规律,综合确定当锚固角度为45°时倾斜节理岩体表现出较优的锚固支护效果。     

节理岩体内砂浆锚杆锚固力演化特征试验研究

为了研究节理岩体内砂浆锚杆锚固力的演化特征,在锚固体内预制了不同尺寸和位置的节理,通过室内拉拔试验,考察了节理开度和节理-表面距离对锚固系统锚固力的影响。研究结果表明:节理-表面距离对锚固系统破坏形态基本没有影响,而随着节理开度的增大,锚固系统破坏形式由锚杆屈服拉断破坏逐渐演化为锚杆、砂浆和锚固体接触面剪切破坏,其中有66.67%表现为锚杆-砂浆接触面破坏,仅有33.33%表现为砂浆-锚固体接触面破坏;节理开度对锚杆锚固段应力分布和系统承载能力影响显著,随节理开度的增大,锚固系统承载力逐渐减小,而节理-表面距离越大,锚固系统承载能力越强;完整锚固体锚杆锚固段轴向应力随深度的增大逐渐减小,在节理附近,含节理锚固体锚杆轴向应力基本保持不变,深度大于节理-表面距离时,锚杆轴向应力大于同位置完整锚固体锚杆轴向应力。     

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。     

高强中空锚杆/索结构及全锚注技术研究

针对高应力、软岩、动压、裂隙节理破碎岩体及其复合型困难条件巷道围岩非连续、非协调大变形控制难题,提出了复杂困难条件巷道高强全锚注一体化控制理念,通过采用高强中空注浆锚杆、中空注浆锚索及高强护表构件全锚注支护,实现了锚杆索锚注一体化、全长锚固及围岩自承能力提质增强,最终形成巷道围岩"协同强力护表、叠加内拱、深外拱"多层次、梯次强化支承结构;试验表明:高强全锚注支护系统刚度提高5.8倍,抗剪强度提高0.5～0.8倍,在全国多个矿区沿空掘巷、高应力软岩煤巷等各种类型巷道应用效果良好,围岩变形破坏得到有效控制,提高了破碎煤岩体锚杆锚固力及锚固安全性与可靠性。     

基于3D打印和数字散斑技术的节理岩体锚固效应分析

为研究锚杆对节理岩体的锚固力学效应,基于3D打印技术制作了以矿用锚杆为原型的缩尺锚杆和含预制节理面的制样模具,进而制备了2组不同角度的节理锚固试样,并采用数字散斑(DIC)方法监测了试样在单轴压缩试验过程中表面位移及应变场的变化,对比分析了不同节理角度锚固岩体的变形与强度特性和锚固力学效应.试验结果表明:节理角度对岩体...     

基于颗粒离散元法的锚固节理剪切行为宏细观研究

为了研究锚固节理岩体的破坏特点及锚固机理,基于颗粒离散元法利用修正的锚杆双线性本构模型对有锚和无锚节理面在不同边界条件下进行了宏观研究,并对锚固节理试件内部颗粒之间接触力和颗粒旋转弧度等的演化过程进行了细观研究。研究结果表明:1压剪作用下锚固节理块体中处于拉伸状态的锚杆对节理面施加了一个附加的法向应力,从而提高了节理面的黏聚力;随着法向应力的增加,锚杆对节理面峰值剪切强度的贡献越来越小,在宏观上揭示了加锚节理岩体的锚固机理。2压剪荷载和边界位移约束共同作用下,锚固节理试件内部颗粒间接触力和颗粒自身位置不断演化并重新分布,在锚杆周围以及节理面凸起处产生较高的接触压力并在锚杆与节理面交叉处发生较大的颗粒旋转弧度,进而导致压致拉裂纹的产生以及颗粒旋转导致的剪切裂纹的萌生,从细观层面揭示了锚固节理岩体的破坏特点。     

矿山裂隙岩体锚注机理及数值模拟研究

通过分析矿山节理裂隙岩体锚固机理,得出节理岩体的剪切强度和最佳锚固角等参数的本构关系。同时结合大型数值模拟软件FLAC3D,分别对节理化岩体双轨巷道未支护和锚注加固时的岩体巷道围岩进行了数值模拟分析。模拟结果表明:锚注加固支护极大增强了节理巷道围岩自身的承载能力,改善了巷道围岩的受力情况,限制了巷道岩体围岩的变形量。     

适用于围岩大变形的螺纹钢锚杆设计及工程实践

矿用锚杆自20世纪90年代已开始大规模应用,但目前其螺纹几何参数仍与土木行业钢筋相同。钢筋螺纹是针对地面无地应力、且支护体变形控制在弹性阶段的钢混结构而设计,随着深部资源开采进展,地下巷道出现围岩大变形,原基于地面建筑的钢筋螺纹几何参数需针对高地应力、软岩大变形等地质条件进行优化。基于锚固力学载荷传递机理,明确螺纹钢螺纹是锚杆支护承载者,锚杆锚固性能与螺纹几何参数密切相关;通过分析锚固段的破坏方式,将锚固段破坏分为平行剪切破坏和剪涨滑移破坏;进一步通过分析2种破坏过程,阐明了螺纹几何参数(包括杆体直径、螺纹上升角、肋宽、肋坡角、肋高、肋间距)对锚固性能的影响和作用。针对深部资源开采,综合考虑巷道围岩的变形控制及离层控制,研发了一种适用于围岩大变形的新型螺纹钢锚杆,该设计通过螺纹几何优化提高了锚固段的峰后残余强度,通过增加锚固段吸能能力有效提高大变形围岩体的岩层控制能力。对新螺纹钢锚杆进行了实验室锚固力测试和现场拉拔试验,结果显示,围岩大变形锚杆平均拉拔力峰值比矿用左旋锚杆分别提高了13%和16%;从能量吸收的角度,新锚杆在实验室和现场的平均吸能较左旋锚杆提高了15%和55%,表明围岩大...     

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,...     

双锚杆锚固节理岩体抗剪导轨作用及力学特性研究

采用数值模拟分析与室内试验相结合的方法,研究双锚杆加固方式和岩性对锚杆导轨作用和岩体剪切强度的影响。结果表明:增加最先受力锚杆的直径,能够减小双锚杆整体的应力、变形和破坏程度,且影响程度大于先受力锚杆直径比其他锚杆较小的加固方案,前者对提高岩体的剪切强度效果优于其他双锚杆的加固方案;岩块弹性模量越大,节理面的水平分离量越大,锚杆导轨作用越明显,但岩体剪切强度得到一定程度的提高。最后,通过室内相似试验,对数值模拟方法和结果进行进一步的验证。     

加锚节理岩体锚杆横向抗剪导轨作用规律研究

采用数值模拟计算与物理模型相似试验，并与正交设计相结合，分析了锚杆“导轨作用”效应受各影响因素的影响程度以及影响趋势规律。结果表明：对锚杆轴力影响最大的是岩性，随着节理错动，锚杆直径和节理性质的影响增大；直径和锚固角是分离量的主要影响因素，剪切位移最大时，岩性成为最大影响因素，交角与分离量呈负增长，其他因素均为正相关；对岩体剪切强度影响最大的因素是岩性，节理性质次之，除锚固角外，其他因素均与剪切力呈正增长。在影响规律基础上，分析了各因素对锚杆导轨效应影响的内在机理，并通过室内试验做了进一步验证。研究成果对煤炭开采等工程载荷下裂隙岩体稳定性的锚杆加固控制以及保证工程安全具有积极意义。     

锚杆拉拔过程中锚固体系传力规律研究

开展锚杆拉拔过程中锚固体系传力规律的实验研究。通过设计锚杆拉拔实验模型,并以应变片和数字散斑相关方法作为实验测试手段,分析锚杆拉拔过程中锚杆传力、锚固体系变形场演化、锚固剂与围岩界面变形演化、锚固剂与围岩位移及锚固剂与围岩相对位移演化特征。研究结果表明:1)锚杆竖向应变随与锚固端部距离增加而减小,相邻两测点轴力差值演化特征与锚杆锚固剂界面的摩擦类型相关;2)锚固体系变形场演化特征为:在锚杆拉拔过程中,锚固体系变形主要集中于锚固剂与围岩界面处,随着拉拔力增加变形集中区域从锚固端部沿锚固方向向深部扩展;3)锚固剂与围岩界面变形演化特征为:初始拉拔阶段,界面变形沿锚固方向呈单调递减趋势,随拉拔力增加,界面变形沿锚固方向呈先增后减趋势,且变形最大值固定于近锚固端部的某一锚固深度;4)锚固剂与围岩位移演化具有一致性特征,总体经历了弹性变形阶段、塑性变形及扩展阶段、变形回弹阶段,锚固剂与围岩的相对位移演化速率与锚固剂和围岩的变形阶段相关。     

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。     

基于FLAC3D的节理岩体巷道锚注加固数值模拟

通过对节理面锚注加固抗剪切强度的力学推导,得出锚注加固在节理岩体巷道中的作用机理以及锚杆和注浆的联合应用增强和加固了围岩的支撑能力。通过FLAC^3D大型数值模拟软件,对节理化软岩巷道未支护、锚注加固时的岩体巷道围岩进行数值模拟分析研究,锚注加固对于改善节理化软岩巷道围岩的受力状况、限制巷道围岩变形量具有重大的作用,对节理裂隙岩体进行锚注加固是一种有效的节理岩体支护方法。     

裂隙岩体加锚剪切试验及边坡岩体模拟研究

采用变角板法进行室内剪切实验,探讨了锚杆加固节理裂隙试件的力学机理,同时结合数值模拟对锚杆控制节理裂隙边坡岩体的变形进行了分析。研究表明:锚杆加固不仅能提高节理裂隙岩体的整体性,而且在工程实际应用中能很好控制节理裂隙边坡的变形量。     

双节理贯通岩石锚固机理试验研究

锚杆支护在矿山采动巷道裂隙围岩中应用范围不断扩大,揭示节理岩石锚固控制机理有利于提出科学合理的参数设计。采用声发射和数字散斑相关方法对45°倾角双节理岩石单轴压缩试验过程中的声发射数和变形场进行监测,建立了应力-应变曲线与声发射信号的对应关系,研究了曲线的变化特征以及声发射信号的分布规律,并分析了锚固作用对双节理岩石强度及变形特性影响。基于不同加载阶段双节理岩石表面散斑位移场分布特征和演化过程,总结了锚杆对节理岩石变形破坏模式和形态的影响规律。通过分析双节理岩石在不同阶段的变形演化特征与声发射数据活跃点位置及数据的对应关系,对试件破坏过程进行了划分。结合锚杆的变形形态,建立了压剪状态下锚固节理岩石力学模型,对其在不同加载阶段下进行受力分析,分析了双节理岩石破坏模式以及锚杆抗压剪、抑滑移锚固作用机理。结果表明:(1)锚固双节理岩石可以承受较大的轴向变形而不发生失稳破坏,其起裂强度、弹性模量、峰值应变比无锚试件分别提高了30.7%,45.0%,109.9%,而泊松比仅为无锚试件的50%;(2)锚固双节理岩石的破坏模式主要为断裂失稳,断裂失稳过程分为节理填充物滑动、节理面错动致裂、底部岩石起...     

深井巷道围岩锚固体流变控制力学解析

围岩流变是深井巷道变形破坏的主要特征,通过相似材料无锚体及锚固体蠕变实验,得出了锚固体蠕变特征及控制模式,建立了深井巷道围岩锚固体流变控制力学模型,分析了各因素对围岩锚固体流变稳定性的影响,确定了基本锚杆支护参数,最后进行了工程算例与实测对比。结果表明：锚固体流变的基本特征有别于无锚岩体,不仅表现出锚固体位移比无锚岩体位移小,而且锚固体呈现等速蠕变阶段时间长及蠕变应力水平高的特点,且锚固体存在明显的蠕变二阶段（主要）或三阶段（次要）特征;巷道围岩锚固体流变稳定性主要与围岩所处应力水平、锚固厚度、断面尺寸及加锚弹性模量有关;合理的锚杆支护参数能够实现巷道围岩锚固体流变稳定,实测数据与理论计算较为吻合,巷道支护效果显著。