Calculation of complete curve of shear resistance for bolted rock joints based on large deformation analysis（基于大变形分析的锚固节理岩石全程剪切阻力计算）

提出了一个基于测量锚固节理岩石位移的用以预测锚杆拉剪大变形行为的分析模型,给出了受拉剪荷载作用下的锚固节理岩石综合抗力的表达式,得到了考虑锚杆作用的锚固节理岩石剪切阻力与节理位移(或节理中锚杆变形角)间函数关系的理论全程曲线,试验验证了理论方法的有效性.     

拉剪作用下节理岩体锚固力学分析模型

 现有锚固理论不能反映节理岩体锚固的内在力学机制。基于节理岩体全长黏结型锚杆锚固的地质变形特征,根据加锚节理岩体超静定梁模型,将超静定梁转化为受到挤压分布力、轴力和剪切力共同作用的静定梁模型,探讨拉剪作用下节理岩体锚固的受力与变形的演化规律。基于结构力学理论,考虑锚杆横向剪切变形段荷载与变形的内在物理关系、位移相互协调关系以及由能量原理导出的平衡关系,建立拉剪作用下节理岩体锚固的力学分析模型,进一步提出拉剪荷载作用下的节理面一侧锚杆横向剪切变形段长度的计算方法。研究表明,加锚节理岩体受锚杆轴向拉力和销钉效应共同作用,节理面处锚杆轴力和剪力呈抛物线耦合关系;锚固角越大,锚杆销钉效应越显著。节理面一侧锚杆横向剪切变形段的长度随锚固角的增加而增大,但锚杆抗力随锚固角的增加而降低。与试验数据的对比分析表明,理论模型的计算结果与试验结果吻合较好,验证了该模型的合理性。研究结果可为节理岩体锚固研究及工程应用提供参考。     

不同锚固角加锚无摩擦节理面剪切试验研究

为进一步阐明锚固角对锚固节理抗剪作用的影响,开展了无摩擦锚固节理双面剪切试验。对比不同锚固角情况下锚固节理的抗剪强度,分析锚固角对锚固节理抗剪性能的影响。试验采用应变片测量节理岩体中锚杆在节理面位置处的轴力,研究锚固节理在剪切荷载作用下锚杆的轴力变化规律以及变形特性。试验结果表明,锚固角增大,锚固节理极限荷载、屈服荷载以及抗剪刚度先逐渐增大后逐渐减小,在锚固角为60°时达到最大值;不同锚固角锚杆最终破坏模式不同,锚固角较小时,锚杆发生拉剪破坏;锚固角较大时,锚杆发生拉弯破坏;试验也发现,剪切位移较小时,锚杆的抗剪作用就已经充分发挥。     

考虑横向抗剪效应的节理岩体全长黏结型锚杆锚固机制研究及进展

全长黏结型锚杆在岩质边坡和洞室支护等领域有着广泛的工程研究背景,由于岩体的结构效应,全长黏结型锚杆除发挥轴向抗拉作用外,同时因不稳定岩体具有沿结构面发生滑动或滑动趋势而发挥横向抗剪效应。拉剪作用下,节理岩体锚杆与纯受拉荷载作用的锚杆在地质特征、力学机制、失效模式以及评价方法上存在本质的差别。近些年来,国内外相关学者针对节理岩体锚杆的力学与变形特征、岩石/浆体与锚杆的相互作用和锚杆破坏机制及模式等方面开展大量的试验研究与理论分析,以揭示与其地质力学特征相适应的锚固机制、建立相应的锚固理论体系和工程设计方法。本文从结构控制稳定的角度出发,系统地分析节理岩体锚固机制研究的工程背景和科学意义,探讨拉剪作用下节理锚杆的力学与变形演化规律,揭示基于岩石/浆体与锚杆相互作用的节理岩体内在锚固机制,对比分析节理岩体锚固弹性地基梁模型和结构力学模型的优缺点。在总结分析节理岩体锚固研究成果的基础之上,指出当前研究重点及存在的问题,提出节理岩体锚固理论与评价方法的研究方向,有望对完善节理岩体锚固理论体系及建立工程设计方法提供参考。     

节理剪切过程中锚杆的变形分析

当锚杆与砂浆的粘结未破坏时，以指数曲线来描述锚杆的侧剪应力分布；而对于锚杆与砂浆的粘结遭到破坏的区段，采用抛物线来拟合。给出了粘结破坏和未破坏两种情况下锚杆的轴应力-轴位移关系，提出利用锚杆拉拔实验数据来反演确定计算中所用到的参数。并在缺少实验数据的情况下，给出了一些参数的估计方法。根据岩石是否遭到挤压破坏，分别给出了锚杆的横向剪应力与横向位移的关系式，分析了剪切过程中锚杆加固节理的剪应力-剪位移关系，讨论了对锚固节理剪切变形刚度有重要影响的一些参数。分析表明．高的岩石单轴抗乐强度、较大的锚固面积比有助于提高锚固节理的剪切刚度。分析还表明，倾斜锚杆加固的节理比垂直锚杆的剪切刚度更大，倾斜锚杆以较小的剪切位移调动了更大的剪切阻力；倾斜锚杆加固的节理抗剪强度比垂直锚杆大，提高锚固面积比能显著提高节理抗剪强度。     

锚杆拉剪大变形应变分析

采用基于Ｓ－Ｒ定理的大变形理论,运用拖带坐标描述法,研究了锚杆在节理岩石中的拉剪局部大变形行为,推求了锚杆大变形应变的计算公式,得出了锚杆拉剪应变分量的理论规律,指出可以通过位移量测确定锚杆变形与内力,由多种岩石加锚剪切实验结果证实了理论方法的正确可靠。     

白砂岩、大理岩及花岗岩加锚剪切力学特性研究

为研究不同自然岩石材料锚杆锚固前后剪切力学特性的改变,选取白砂岩、大理岩及花岗岩3种代表性的岩石,对其切割、钻孔、锚固、养护后进行直接剪切试验,每种岩石材料分为无锚与加锚2种情况,试验中设置3组法向应力级别,探究不同自然岩石材料在不同法向力及剪切力作用下的受力和变形特征,对比分析岩性及节理面法向应力等因素对加锚节理岩体剪切力学特性的影响规律。试验结果表明:自然岩石与水泥砂浆等类岩石材料的加锚力学特性具有一定差别,锚杆锚固能够增加岩石节理面的当量黏聚力及内摩擦角,岩石材料的抗压强度对加锚节理面力学特性具有重大影响,岩性越软,岩石的加锚力学特性与类岩石材料越相近,岩性越硬,锚杆对岩石节理面抗剪强度的提高幅度越大,锚杆加固效果越显著。     

恒定法向刚度边界条件下锚固节理岩体剪切特性试验研究

锚固节理岩体的剪切特性对于岩体工程稳定性控制设计至关重要.开展一系列不同恒定法向刚度(CNS)边界条件下锚固和无锚固类岩石材料粗糙节理剪切试验,研究CNS边界条件对锚固节理剪切力学特性以及节理面剪切破坏、锚杆剪切变形破断和锚杆破断剪切位移特征的影响.结果表明:峰前阶段法向刚度对剪切应力第一峰值Tp的影响不明显;峰后阶段...     

BFRP筋锚固节理岩体剪切行为试验研究

玄武岩纤维复合材料(BFRP)锚杆逐渐应用于锚固工程,为研究BFRP锚杆锚固节理岩体剪切特性,采用室内直剪试验对比分析BFRP筋和传统钢筋锚固节理岩体抗剪性能,包括剪切强度–位移曲线、抗剪强度、锚杆失效特征和锚杆内力变化等特性,同时考虑粗糙度、锚固倾角、法向强度等因素影响。结果表明,BFRP锚杆较钢筋锚杆相比弹性段剪切刚度低,峰值剪切位移较大,但残余剪切强度较高;BFRP筋锚固剪切峰值前吸收的能量更多,吸收总能量与钢筋大致相同,剪切过程中同样表现出韧性。BFRP筋锚固节理岩体抗剪强度受锚固倾斜角度的影响较大,垂直锚固时锚固抗剪强度较低,锚固倾角减少为60°以下时则能发挥出相对钢筋更高锚固抗剪强度。BFRP锚固节理岩体剪切失效特征主要分为：树脂基质断裂;树脂基质和纤维均被剪断裂;树脂基质和周围岩体断裂。BFRP筋失效时无明显塑性屈服现象,树脂基质往往在较小的剪切位移下断裂,而纤维能抵抗较大的节理面错动,提高法向应力对剪切强度的贡献量。通过应变监测数据定量分析锚固角度为60°时BFRP筋与钢筋的轴力和剪力对剪切强度贡献关系,相同剪切位移下BFRP锚杆轴向力增长更快,轴向力对剪切强度的贡献更...     

考虑法向应力与岩石强度的加锚节理岩体剪切力学模型研究

为分析法向应力和岩石强度对锚杆锚固效应的影响规律，选取红砂岩、石灰岩、玄武岩3种代表性岩石开展加锚节理岩体直接剪切试验，基于试验结果，根据静定梁理论和最小余能原理，建立考虑岩石结构效应和等效剪切面积的加锚节理岩体力学分析模型，并结合理论计算公式，分析不同锚固角下岩石强度对锚杆轴向力和剪切力的影响规律。研究表明：锚杆的锚固效应在宏观上表现为增加节理面的当量内摩擦角和黏聚力，且岩石强度越大，锚杆对节理面剪切强度的贡献值就越大。与试验数据和已有分析模型对比分析表明，理论模型的计算值与试验结果更为吻合。通过计算分析可知，随着锚固角的增加，锚杆轴向力对节理面剪切强度的贡献度逐渐减小，剪切力对节理面剪切强度的贡献度逐渐增加，并且锚杆最佳锚固角在50°～70°范围。     

Experimental study on the shear performance of quasi-NPR steel bolted rock joints

Quasi-NPR (negative Poisson’s ratio) steel is a new type of super bolt material with high strength, high ductility, and a micro-negative Poisson’s effect. This material overcomes the contrasting characteristics of the high strength and high ductility of steel and it has significant energy-absorbing characteristics, which is of high value in deep rock and soil support engineering. However, research on the shear resistance of quasi-NPR steel has not been carried out. To study the shear performance of quasi-NPR steel bolted rock joints, indoor shear tests of bolted rock joints under different normal stress conditions were carried out. Q235 steel and #45 steel, two representative ordinary bolt steels, were set up as a control group for comparative tests to compare and analyze the shear strength, deformation and instability mode, shear energy absorption characteristics, and bolting contribution of different types of bolts. The results show that the jointed rock masses without bolt reinforcement undergo brittle failure under shear load, while the bolted jointed rock masses show obvious ductile failure characteristics. The shear deformation capacity of quasi-NPR steel is more than 3.5 times that of Q235 steel and #45 steel. No fracture occurs in the quasi-NPR steel during large shear deformation and it can provide stable shear resistance. However, the other two types of control bolts become fractured under the same conditions. Quasi-NPR steel has significant energy-absorbing characteristics under shear load and has obvious advantages in terms of absorbing the energy released by shear deformation of jointed rock masses as compared with ordinary steel. In particular, the shear force plays a major role in resisting the shear deformation of Q235 steel and #45 steel, therefore, fracture failure occurs under small bolt deformation. However, the axial force of quasi-NPR steel can be fully exerted when resisting joint shear deformation; the steel itself does not break when large shear deformation occurs, and the supporting effect of the jointed rock mass is effectively guaranteed.     

加锚节理面抗剪性能研究

本文通过室内模拟试验和理论分析,着重探讨了锚杆对节理面抗剪性能的影响,以及杆体阻止节理面发生相对错动的“销钉”作用机制,提出改进了的估算加锚节理面抗剪强度公式。试验结果表明:加锚节理面的抗剪强度随剪切位移的增加而增大。试验和理论分析都表明,即使不大的剪切位移就已使杆体的抗剪作用得到充分发挥。试验研究还充分显示出锚杆倾角对加锚节理面抗剪强度的重大影响。 本文在给出了用于描述加锚节理面抗剪性能的分析模型和理论分析方法的基础上,导出了计算锚杆最佳安装角的公式。用此算式求得的最佳安装角与实验结果十分吻合。本文还分析了当前在有限元分析中经常使用的一些锚杆单元模型的不足之处,并指出了改进的方向。     

回采巷道锚杆支护影响因素的FLAC 分析

 介绍了目前国际上比较流行的有限差分程序FLAC3. 3。以山东新汶矿区锚杆支护回采巷道为条件, 运用该软件分析了地应力、层理、节理分布及其强度和刚度、围岩强度等多种因素对巷道围岩变形和破坏的影响, 并与井下实测数据进行了对比。结果表明, 岩层不连续面分布及力学性质对顶板岩层变形和锚杆受力影响最为明显, FLAC3.3 软件在分析几何非线性和大变形问题方面性能优越。     

裂隙岩体弹塑性损伤本构模型及其加锚计算(英文)

根据裂隙岩体的弹塑性损伤变形机制，建立了断续多裂隙岩体在初始损伤、损伤演化和塑性损伤变形状态下的三维弹塑性损伤本构关系。在此基础上，建立了空间损伤岩锚柱单元模型，模拟锚杆对断续裂隙岩体的支护效果。最后，将建立的模型应用于三峡船闸高边坡，进行了边坡加锚裂隙岩体三维非线性有限元计算，获得了较为满意的结果。     

锚固围岩流变特性与隧道衬砌压力演化规律研究

安装锚杆是解决软岩隧道大变形的有效手段之一。为进一步探讨锚杆对隧道的支护效用,本文基于Burgers模型,建立了可描述锚固岩体流变特征的宏观力学模型。以围岩-锚杆耦合模型为基础,推导了在锚杆支护作用下隧道位移和衬砌压力的解析解。并利用数值模拟,验证了理论解答的可靠性。通过对锚杆参数的分析表明:锚杆的安装能有效地减小由于围岩流变导致的作用在衬砌上的形变压力与隧道位移。锚杆的支护效果与锚杆的参数密切相关。在锚杆参数值处于较小水平时,随着锚杆参数的增大,衬砌受力状态的改善效果十分显著;但当参数达到一定值后,这种改善效果的加强越来越不明显。因此,在隧道支护中,锚杆的设计参数存在最优值。     

剪切荷载作用下锚杆抗剪作用理论分析

为了分析剪切过程锚杆轴力和横向剪切力相对结构面换算的抗剪贡献影响程度,在经典梁理论的基础上,推导了锚杆抗剪力计算公式,并采用加锚结构面直剪试验验证了计算公式的可靠性。在此基础上,通过正交试验设计方法研究影响因素对锚杆轴力、横向剪切力相对结构面抗剪贡献的敏感程度。结果表明:锚杆抗剪理论计算与室内试验结果吻合较好;锚杆倾角是影响锚杆轴力相对结构面换算抗剪力的主要因素;锚杆需要一定变形才能调动起直径对轴力抗剪效应的影响;锚杆倾角是影响横向剪切力相对结构面换算抗剪力的最主要因素,围岩强度次之,剪切后期结构面剪胀系数的影响程度又大于围岩强度;直径对锚杆横向剪切力相对结构面换算抗剪力的影响程度最小。     

木网壳钢板群栓节点轴向滑移刚度试验与理论研究

作为大跨木网壳常见节点之一的钢板群栓节点,在轴向力作用下极易发生滑移变形,对整体网壳的力学性能产生不可忽略的影响。为研究不同参数对钢板群栓节点轴向滑移刚度的影响,对13组,考虑螺栓直径、数量、行距、列距以及材质等级等变化参数的钢填板-螺栓节点开展了单调加载试验研究,得到不同参数节点的轴向滑移刚度及变化规律,基于单栓的半无限体地基梁理论以及群栓弹簧模型建立了节点初始滑移刚度的理论公式。分析结果表明,节点轴向滑移刚度随螺栓直径的增大以及螺栓数量的增加,总体呈现非线性的增加趋势;螺栓列距、螺栓材性对轴向刚度影响的规律性不明显。采用弹性地基梁理论分析的节点刚度与试验结果吻合度较好,可作为木网壳群栓节点轴向滑移刚度的预测分析方法。