端锚粘结式锚杆受力特性试验研究.pdf

分类号T U 4 7 6 U D C 6 2 4 学校代码 10 14 7 密级公开 硕士学位论文 端锚糙结．式铺抚受力．特- ，I 生试验研究 E x D e r i m e n t a lS t u d yo n 】Ⅵe c h a n i c a lC h a r a c t e r i s t i c so f ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯●● 曼咖熟懒熙照．g 瓢脚】} 重】赡．量烈照⋯ 作者姓名李庆文 指导教师张向东 教授、博导 申请学位工学硕士 学科专业岩土工程 研究方向环境岩土工程 辽宁工程技术大学 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者及指导教师完全了解辽宝王墨堇丕太堂有关保留、 使用学位论文的规定，同意辽宝王墨拉本太堂保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此协议 学位论文作者签名多牡 佃7 弓年l ≯月婀 导师签名 铀／ 致谢 转眼间两年半的研究生生活即将结束，在此论文即将完成之际衷心感谢我的导师张向 东教授对论文的悉心指导。从第一次接触土工试验到研究生毕业两年有余。在两年半的学 习生活中，时刻得到了导师的关心、培养和教育。在本文选题、室内试验、理论分析以及 论文的审稿过程中张老师给予了我悉心的指导和耐心帮助。值此硕士学位论文完成之际， 谨向尊敬的导师张向东教授致以衷心的感谢和诚挚的敬意 在论文的试验部分，得到了土木与交通学院土工实验室主任兰常玉老师的大力支持和 帮助。师兄吴作启博士、孙闯博士、刘家顺博士、王帅博士等，师弟刘源浩硕士、柴源硕 士、孙金宝硕士等，同学李广华硕士、庞健硕士、张旭硕士、王朴硕士、李洋硕士等在室 内试验和论文写作方面给予我巨大的帮助。是他们的关心和帮助才使得本文能够顺利的进 行，也丰富了我的研究生生活，在此一并表示衷心的感谢 特别感谢我的妈妈、大姐、姐夫以及我可爱的外甥女乐乐，是她们默默的支持， 给了我前进的动力，使得我能够不惧艰辛，勇往直前 衷心感谢在百忙之中抽出时间审阅本论文的教授和专家，同时非常感谢您们对本论文 提出的宝贵意见和建议，您们的指导为我今后的学习、工作、科学研究开拓了思路、指明 了方向；祝您们工作顺心，身体健康，谢谢 本论文得到了国家自然科学基金 编号5 1 1 7 4 2 6 8 “动荷载作用下锚喷支护结构损 伤破坏机理与控制研究“ 的资助，在此对基金课题组成员表示衷心的感谢 摘要 锚杆广泛应用于煤矿支护工程中，由于锚杆受到采动荷载和爆破荷载等对已有支护锚 杆产生影响，迫切需要研究锚杆在动荷载作用下的微观力学特性。基于此论文开展研究端 锚粘结式锚杆在轴向受到小应变高频动荷载作用下，等效成大应变低频荷载情况的力学特 性模型试验研究。以室内模型试验为主，辅以理论分析、F L A C 3 D 非线性动力仿真分析和 B P 神经网络预测分析的手段开展研究。研究结果表明，获得反复加卸载模式下作用频率为 4 3 0 ．8 8 2 H z ，周期为0 ．0 0 2 3 s 的非线性应力波形函数和速度波形函数，为数值仿真分析编写 程序奠定基础。通过对敏感性影响因素分析，得到锚杆剪切强度与锚杆规格和锚杆长度的 二元线性回归模型函数，锚杆长度对剪切强度的影响因子比锚杆规格的影响因子要大。端 锚粘结式锚杆的轴向应力分布具有可传递性，锚杆的轴向峰值应力发生在锚杆的锚杆有效 锚固段的中部。通过非线性动力仿真分析，得到在锚杆自由段与锚固段交界面处，产生半 径4 0 m m 圆形处于剪切塑性屈服区和已经是剪切屈服破坏的混合区域，产生内半径4 0 m m ， 外半径5 0 I 姗，厚度约1 0 衄的圆环形剪应力屈服塑性破坏区。B P 神经网络在端锚粘结式 锚杆锚固极限锚固力的预测运用具有一定的可靠性。 关键词端锚粘结式锚杆；均匀试验设计；极限锚固力；F L A C 3 D 非线性动力分析； B P 神经网络 A b s t r a c t B o l t sa r e 州d e l yu s e df o rs u p p o n i n gi nc o a lr n i n e s ．i th a ss u c ha ni r n p a c to nm ee x i s t i n g s u p p o r tb ym em i I l i n gd y n 锄i cl a o da n db l a S t i n gd y n 锄i cl o a d ，a n dh a Sa I lu 玛e n tn e e dt os t u d y m em i c r o m e c h a I l i c a lp r o p e n i e so fb o l t su I l d e rt l l ed y n a I I l i cl a o d s ．B a S e do nt l l i s ，t l l ep a p e rS t l J d y m em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sm o d e l t e s to fe n d - a I l c h o r e dg r o u t i n gb o l t si nt l l ea X i a ld i r e c t i o nu 1 1 d e r m e ．S I n a l ls 仃a i nw 汕l l i 曲仔e q u e n c yd y n 锄i cl o a d s ，e q u i V a l e n tt ol a 唱eS 仃a i n 谢t l ll o w 舶q u e n c y d y n 锄i cl o a d ．I ta d o p t St 1 1 e s em e a n s ，、Ⅳh a ti tu s i I l gm ei n d o o rm o d e l t e s ta st l l em a i l lm e a na n d u s i n gt 1 1 e 廿l e o r e t i c a la 1 1 a l y s i s ，a n dF L A C 3 Dn o I l l i n e rd y n a I I l i cs i m u l a t i o n 锄a l y s i s ，a I l dB P 枷f i c i a ln e u r a ln e t w o r kp r e d i C t i V ea n a l y s i sa st l l e s u p p l e m e n t a 巧m e a I l S ，t oc a r 巧o u tm e r e s e a r C h ．T h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wm a ti tg e t sr e p e a t e dl o a d i n ga 1 1 du l d o a d i n gm o d ee 任．e c t 行e q u e n c y4 3 0 ．8 8 2 H z ，c y c l eO ．0 0 2 3 sn o l l l i n e a rs t r e s s 、Ⅳa 【V e f o mf h n c t i o na n dV e l o c i t rw a V e f o m 缸1 c t i o n ，t ol a yt l l ef ．o u I l d a t i o nf o rm en 啪丽c a ls i m u l a t i o no fw r i t i n gap r o 铲锄．1 1 l r o u g hm e s e n s i t i v i 够f a c t o r Sa I l a l y s i s ，i tg e t st h eb i n a r yl i n e a rr e g r e s s i o nm o d e l 劬c t i o no fb o l ts h e a r s t r e n g t l lb e t 、Ⅳe e nb o l td i 锄e t e ra n db o l tl e n g m ，t l l ei I l n u e n c i n gf 如t o r so fs h e a rs 廿e n g t l l 、Ⅳi mb o l t l e n g t l li sl a 唱e rt l l a nt l l a to fs h e a rs 仃e n g m 沥t l lb o l td i 锄e t e r ．T h ea 【i a lS 仃e s sd i s 仃i b u t i o no f e n d - a I l c h o r e dg r o u t i n gb o l t so w na 仃a l I l s p o r t a t i o nt r a m s i t i V i 吼a I l c h o r i n gb o l t sa 【i a lp e a l s 仃e s s o c c u r si I lm eI I l i d d l es e c t i o no fe 虢c t i V e 锄c h o r a g el e n g t l lo fb 0 1 t s ．B yn o l l l i n e a rd y n 锄i c s i m u l a t i o na 1 1 a l y s i s ，i tr e s u l t si nar a d i u so f4 0 m mr o u n dp l a S t i cy i e l ds h e a rz o n ea I l dh a sa I l c i r c u l a ra r e ai st l l es h e a ry i e l df a i l u r et op r o d u c ea ni m l e rr a d i u So f4 0 m m ，o u t e rr a d i u st h j c k n e s s o fa b o u t1O m mt o5 0 m m 锄u l a rs h e a rs t r ．e s sy i e l dp l a S t i cf a i l u r ez o n ea tt 1 1 ei m e r f a c eb e t w e e n a 1 1 c h o r i I l g 舶es e c t i o na I l da 1 1 c h o r i n gs e g I l l e n t s ．I th a sc e n a i nr e l i a b i l i t yt l l a tm eB Pa n i f i c i a l n e u I 可n e t 、V o r ki su s e df o rp r e d i c t i I l gt h em a x i m 啪b o l t i n gf o r c eo ft h ee n d a 1 1 c h o r e dg r o u t i I l g b 0 1 t s ． K e yW o r d s E n d - a n c h o r e dg r o u t i n gb o l t s ； U 1 1 i f o 咖e x p e r i m e n t a ld e s i g n ；M a x i m 啪b o l t i n g f o r C e ； F L A C 3 Dn o r d i n e a rd y n a I n i ca n a l y s i s ；B Pa n i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k I I 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 研究背景与意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．1 理论研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．2 ．3 数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．3 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 ．4 研究方法及技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2端锚粘结式锚杆作用机理研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 粘结式锚杆锚固段荷载传递的力学基础⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．1 ．1 基于弹性力学理论的位移通解⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 ．2 半无限体内一点受集中荷载作用的位移及应力解⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 0 2 ．1 ．3 半无限柱状孔洞内弹性体受集中荷载作用位移及应力解⋯⋯⋯．1 1 2 ．2 端锚粘结式锚杆锚固特性及作用机理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．2 ．1 端锚粘结式锚固体系受力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．2 ．2 端锚锚杆体与灌浆体之间的相互作用机理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 7 2 ．2 ．3 承载煤岩体与灌浆体之间的相互作用机理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一19 2 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 0 3均匀设计理论在端锚粘结式锚杆模型试验中的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 l 3 ．1 影响因素敏感性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 l 3 ．1 ．1 因素敏感性分析的定义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．1 ．2 多因素敏感性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．1 ．3 多敏感性因素的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．2 均匀试验方法设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 3 ．2 ．1 均匀试验设计理论的设计理念⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 2 3 ．2 ．2 均匀设计表的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．2 ．3 均匀试验设计的基本流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．2 ．4 回归模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．2 ．5 回归方程的显著性检验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 5 3 ．3 利用均匀设计理论安排端锚粘结式锚杆模型试验方案⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 3 ．3 ．1 确定影响因素及因素水平数值⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．3 ．2 利用均匀设计表安排试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 9 4端锚粘结式锚杆受力特性的模型试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 4 ．1 试验模型设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 4 ．1 ．1 试验原理和目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 4 ．1 ．2 试验材料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31 4 ．1 ．3 模型设计及制作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 4 ．1 ．4 试验装置与测试系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 7 4 ．2 试验结果与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 0 4 ．3 端锚粘结式锚杆力学特性影响因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 4 ．3 ．1 剪切强度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 8 4 ．3 ．2 回归模型分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 4 ．3 ．3 钢筋长度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 0 4 ．3 ．4 钢筋直径分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 4 ．4 本章小结⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 5端锚粘结式锚杆力学特性仿真试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 5 ．1F L A C 3 D 简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 5 ．2 计算原理与本构关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 5 ．2 ．1 计算原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 3 5 ．2 ．2 本构关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 5 ．3 端锚粘结式锚杆拉拔试验模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 9 5 ．3 ．1 模型的简化处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 5 ．3 ．2 边界条件与约束⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 5 ．3 ．3 计算中采用的结构单元⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 5 ．3 ．4 确定加荷载方式及材料物理力学参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 5 ．4 数值计算结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 5 ．4 ．1 速度波作用下锚杆的计算结果与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 5 ．4 ．2 速度波作用下灌浆材料的计算结果与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 4 5 ．5 模拟结果与室内试验结果对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 8 5 ．5 ．1 锚杆轴向应力对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 5 ．5 ．2 锚杆剪切应力对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 5 ．5 ．3 锚杆轴向位移对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 5 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 0 6 基于B P 神经网络的端锚锚杆极限锚固力预测研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 1 6 ．1B P 神经网络模型简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 6 ．2B P 神经网络学习算法及流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 6 ．3 端锚粘结式锚杆锚固性能预测模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 4 6 ．3 ．1 模型预测的基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 4 6 ．3 ．2 预测模型的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 5 6 ．4 端锚粘结式锚杆锚固性能预测分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 6 ．4 ．1 训练及检验样本的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 6 ．4 ．2 数据归一化预处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 7 6 ．4 ．3 预测结果及误差分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 8 6 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 8 7论文的主要结论、创新点及展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 9 7 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 9 7 ．2 创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 0 7 ．3 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 0 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 作者简历⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 5 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 6 学位论文数据集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 7 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1绪论 1 ．1 研究背景与意义 伴随着我国现代工业化水平的快速提高，能源和基础设施建设越加显得突出重要，我 国实行“西部大开发”的战略，配套还有“西电东送、南水北调”等战略的实施，而8 0 ％的能源来自煤炭开采，锚杆锚固技术正在隧道、地铁、边坡加固等大型基础设施建设工 程中广泛应用发展。锚杆是岩土工程中重要的支护结构形式之一，提高围岩的强度和刚度， 进而控制围岩其整体变形，对节理岩体的锚固作用十分明显。因承载围岩的力学特性能够 被锚杆支护所改善，这一特性的改善带来与传统支护方式无法比拟的技术经济效益，在国 内外己受到了普遍的重视并得到了快速的发展和广泛的应用【lJ 。伴随逐步深入和广泛的开 展研究，应用领域逐渐从坚硬稳定的基岩锚固发展到土层、风化岩层以及松软破碎岩石等； 从以单一锚杆支护为基础逐渐发展到喷一锚一索一钢架等新型的耦合结构形式和结构加 固补强等领域，如三峡工程中不仅使用大吨位预应力锚索及高强锚杆。其中，锚固方式亦 有端头锚、对穿锚、无粘结以及有粘结锚索等，其巨大的锚固工程量为世界罕见【2 】。 使用锚杆支护的优越性主要体现经济和技术两个层面上一个层面上是初期经济成本 低、直接成本低；另一个层面上是技术优越性由被动支护转变为主动支护；劳动强度低， 施工方便；辅助运输简单，可大幅提高工作面的有效生产率；在相同的安全生产条件下， 有效减小巷道设计断面尺寸；为悬挂管道、电缆等提供有力的自然的支撑。 岩土锚固理论和技术研究取得的重大进展【3 矧，以及新型锚杆新型材料和施工机具的研 发等【7 】，锚杆的品种和工程应用方法也日益增多。如由1 ．5 m 4 ．5 m 的非预应力或低预应力 岩石锚杆，发展到由高强钢绞线组成的长度大于1 2 m 较高强或超高强的预应力锚索等， 并在边坡稳定、地下洞室、巷道支护、深基坑支护、坝基加固以及抗浮结构中起着不可替 代的重要作用。但伴随着大量的工程实践，愈来愈多的实际问题也逐渐暴露出来了，从而 影响和制约工程上的进一步应用研究。现阶段研究所存在的问题主要表现有 1 全锚粘结式锚杆作用机理的观点百花争鸣，比较详细系统，而端锚粘结式锚杆受 力特性研究的相对的比较欠缺，而且对于锚杆支护强度1 7 j 的概念至今仍无统一的正规的诠 释； 2 目前为止由于在理论上没有统一的定论，也没有行之有效的、合理的的计算手段， 导致现阶段的锚杆支护绝大部分依靠相似工程经验和工程类比的方法，同时与一定的数值 仿真软件进行近似的数值计算，并和现场监测得到的结果相比较，在进行下一阶段的任务， 以保证任务的安全性和可靠性； 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 尽管现场试验监测和室内试验可积累大量宝贵的第一手资料，若是获得大规模的、 成批量的可靠数据来研究分析锚杆支护结构性能变化的规律性就存在一定的局限性第 一，现场工业性试验总是具体到某一个工程的方案而言，不可能进行多个试验方案的应用 横向对比，那样会造成人力、物力、财力耗费巨大，大大增加工程造价，且所得数据也需 要很长一段时间，无形中延长了工程的生产周期等等问题； 4 全锚粘结式永久性锚杆杆体在锚固过程中所处的高应力状态、锚固体围岩自身蠕 变特性等，经常处在比较复杂的应力环境中，简单状态并不能真实代表其所在的复杂应力 场情况【8 ‘9 1 。缺乏关于粘结式锚杆疲劳寿命的预测理论，准确评价现场施工质量和简便快 速的无损检测理论与方法等。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 理论研究 伴随着中国的快速发展，致使对能源的要求越来越高，尤其是煤炭资源和矿产资源的 开采能力能否满足中国今日高速发展的需求，这是一个急需解决的问题。我国浅层煤炭资 源与矿产资源已经接近枯竭，逐渐向深部发展，同时锚杆支护受到爆炸产生的冲击应力波、 巷道进行回采时产生的振动和运输过程产生的动荷载等问题，这对已完成锚杆支护都有一 定程度的损伤，导致锚杆的设计使用寿命减小。这就需要寻求在各种动荷载作用下的锚杆 支护力学机理的研究。 在端锚锚杆在围岩中受力形态的研究可分为两个研究阶段，一是认为锚杆的剪应力是 沿着杆体轴线方向均匀分布，这个理论观点早就己经被广大专家学者进行的现场监测和数 值模拟分析的试验研究结果所推翻。二是提出力“中性点”的理论，它的提出标志着对端 锚锚杆的力学机理研究进入到一个新的理论研究层次，在此基础上各个国家的专家和学者 进行定量的研究，提出很多的计算模型和经验公式。 初期学者认为锚杆支护对围岩变形和应力是一种被动的防御式的支护理念，现在研究 表明锚杆支护是一种主动的、进攻性的支护理念，锚杆支护允许围岩有一定程度的变形， 采用“以退为进”的支护理念，但是这个“退“ 是有一定量度的，不是没有节制的而是要 有一个“度”的概念，能满足我自身的生产需要，不发生破坏造成经济损失为原则。焦作 工学院对锚固锚杆在围岩中的实际受力情况进行实测、光弹性模拟试验研究与理论分析的 基础上，将弹性与弹塑性理论相结合，把锚杆影响量化为在围岩中存在的一个体积力来进 行研究，按照各向异性的弹性理论，将锚杆与锚杆长度范围内的围岩作为一个整体来考虑， 认为锚杆的存在是改变围岩锚固区的弹性系数，把锚固影响区看成是各向异性的，区外仍 辽宁工程技术大学硕士学位论文 为各向同性来考虑。利用这些理论对轴对称的情况下的锚杆力学特性进行量化分析，得到 相应的计算公式。 G u I Ⅱl a rW i i l 【1 0 】采用弹性理论中M i n d l i n 经典解对预应力锚杆的加固作用机理进行一定 量的研究。 H o l m b e r g 和S t i l l e 【1 1 】研究过锚杆与巷道围岩内部存在一定角度情况下的，端锚锚杆对煤 岩巷道的加固效果的定量评价指标。 D i g h t 【1 2 】研究具有节理性围岩锚杆加固的力学特性，提出锚杆锚固后的最大剪应力的 经典解析式，同时还考虑灌浆体材料介质处在屈服条件下的节理处位移定量计算表达式， 指出锚杆受力为轴力与剪应力共同作用后导致锚杆体破坏的。 s p a n gK 和E g g e rP 【1 3 】提出求解锚杆峰值锚固力和定量计算节理位移的经验公式。 朱维申等【1 4 】依托大型矿山和水利水电工程为研究平台，构建在节理岩体进行加锚杆的 基础上的锚固体分析计算函数和节理岩体断裂损伤的函数模型，并得到加锚节理岩体锚固 效应的等效计算公式。 张强勇【1 5 】按照锚杆对具有节理破坏裂隙加固的力学机制，推导出材料特性为各向异性 的损伤锚固模型，确立3 D 损伤岩石锚杆结构单元的来模拟分析对于锚杆加固的效果，并且 将所提出的力学模型在岩石滑坡地质灾害治理中进行应用。 伍佑伦等【1 6 】在线弹性断裂损伤模型的基础上，研究锚杆节理岩体裂纹尖端应力强度因 子在拉剪综合作用条件下影响程度，解释在各种应力状态下锚杆围岩节理面之间的作用法 则。研究结果表明裂隙性岩体进行加锚明显降低对煤岩体产生破坏的应力强度因子。这也 是锚杆能够进行加固就有破损性节理岩体的重要原因之一。 李强和宿钟鸣【1 7 】基于M i n d l i n 问题的位移解导出了拉拔荷载作用下砂浆锚杆的剪应力 分布和轴力分布的弹性解。依托岢临高速公路某黄土隧道，通过现场试验得出边墙系统锚 杆的极限拉拔力，分析了拉拔荷载作用下边墙系统锚杆的受力特性。探讨了不同土体性质 下砂浆锚杆剪应力及轴力的分布形式。 姚显春等【1 8 】基于隧道承载岩体变形作为研究基准量，得到因承载岩体发生变形而致 使杆体表面存在剪切应力分布。利用现场监测获得杆体表面的微观剪切应力力学特性，将 全长粘结式锚杆所通过承载岩体划分为三个区域变形区、过渡区和稳定区。获得各自区 域杆体表面微观剪应力特性，进行承载岩体松动圈的划分，构建锚杆表面微观剪应力力学 模型，确定锚杆体的理论中性点位置情况。利用中性点处轴力作为集中荷载，基于M i n d l i n 解求解出锚杆理论点以下杆体表面的微观剪应力力学分布特征，获得全长粘结式杆体轴力 分布特征。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 贾金青等【1 9 】通过对压力分散型预应力锚杆锚固段的受力分析，获得该型杆体的微观 剪应力和轴力分布的表达式。通过对比压力分散型与压力集中性结果分析表明，前者微观 剪应力与轴力明显大幅下降，避免产生应力集中现象。承载岩土体弹模和内摩擦角量值越 大，其峰值剪应力越大，轴力衰减越快，且剪应力和轴力分布越集中。 何思明和李新坡【2 0 】基于弹性理论轴对称问题的理论和方法，以平均轴向应变假定为平 台，获得杆体在完全黏结环境中杆体表面微观剪应力分布特性表达式，来分析杆体表面脱 黏段的剪应力特性及脱黏段长度，论述杆体的载荷传递规律，为端锚锚杆参数设计提供理 论基础。 1 ．2 ．2 试验研究 L u t zL 和G e 唱e l e yM 【2 l 】在1 9 6 7 年的时候就已经研究锚杆的模型试验，他们对钢混中的 钢筋破坏失去导致混凝土结构失去承载能力中的钢筋滑移变形进行研究。 荣冠等【2 2 】基于对螺纹钢筋和光面钢筋进行锚杆的基本破坏拉拔试验结果进行对比，研 究结果表明螺纹钢筋的极限锚固力要远大于光圆钢筋锚杆体的极限锚固力。 F r a u [ 1 l 【1 洒J A 、K a r a b i nG J 、C i n c i l l aW A J 和砒c oG H 【2 3 。2 6 】等均采用不同的围岩岩体强度 值，研究想要达到共同的极限锚固力各自所需要的锚杆长度进行对比模型试验，对比研究 结果表明，锚杆体表面粗糙程度、锚杆强度、岩体强度等是影响极限锚固力的高敏感性因 素。锚固系统中应力的传递由锚杆体到灌浆体介质传递，再由灌浆材料传递到承载围岩体 上。 F 釉e r l 27 】对在拉拔荷载作用下锚杆的粘结力做了基础性工作，以此为基础构建锚杆体 轴力分布的指数函数模型，表明沿杆体的粘结力是呈现指数的形式衰减的，这为后来锚杆 体沿锚杆轴向方向的受力特性研究奠定了基础。 A ．K i l i c 【2 8 。2 9 】基于锚杆长度、锚杆规格、灌浆材料的水灰比和强度等敏感性因素对全长 粘结式锚杆体的锚固力学状态进行试验研究，得到调大注浆材料的水灰比、搅拌时间、加 入适量减水剂、选用大规格的锚杆和锚杆长度均可增大锚固体的锚固力，然峰值仍小于杆 体的极限抗拉强度和带肋钢筋要比光圆钢筋的锚固力要大。 尤春安等【3 0 J 基于试验得到在拉拔荷载处境下全长粘结式锚杆的受力特性，结果表明在 静止荷载条件下锚杆的轴向应力沿杆体逐渐减小，剪应力在加荷端附近取得最值，缓慢向 锚固体远端传递直至为零。 赵林等【3 l J 通过优化单一锚固与复合锚固结构的抗爆炸性能的研究，结果表明复合型锚 固结构是单一锚固结构抵抗爆炸的能力的5 ．1 0 倍以上。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 李术才等【3 2 】基于单轴拉伸试验来对贯穿裂隙围岩体的加固效果进行研究，研究结果表 明，锚杆对节理煤岩体的变形模量与单轴抗拉强度有显著的提高，伴随着锚固角的增大而 先上升后下降的规律，因此锚杆对高裂隙岩体抗拉强度和维稳性有一定的提高。 赵明华等【3 3 】基于红层软岩中锚杆抗拔试验和红层软岩的耐崩解试验研究，得到红层锚 杆在循环荷载下的荷载．位移曲线和荷载．弹／塑性位移曲线的演化规律，然后通过耐崩解试 验得到红层软岩的耐崩解指数，研究表明，随着耐崩解指数的降低，红层锚杆抗拔力学性质 变差。 张永兴等【3 4 1 为研究在软质沉积岩条件下压力型锚杆的力学性能，进行缩尺模型试验。 通过设计不同的锚固段长度，试验获得岩石条件下压力型锚杆的荷载．位移全曲线。与相同 条件的普通拉力型锚索对比，压力型锚杆体现出优秀的抗拔极限承载力、良好的位移延性 特征和残余强度。 1 ．2 ．3 数值模拟研究 徐东强等【3 5 】基于大型A N S Y S 有限元软件对两种不同力学性质的围岩巷道进行数值模 拟分析，模拟分析结果表明处于高强度围岩环境中，锚杆安装载荷的量值大小对控制两种 性质巷道的顶板沉降量不是那么显著，然而在裂隙觉发育的围岩环境中，锚杆的安装荷载 对巷道顶板下沉量进行有效的控制。 冯光明等【3 6 】基于有限差分软件F L A C 3 D 对在初始锚固力情况下端锚和全锚锚杆锚固效 果进行应用模拟性对比研究，研究结果表明，处于端头锚固的情况下的锚杆影响区呈现椭 圆形分布，量值上表现为自里向外逐渐变小，处于全锚环境下的锚固体影响区有两个应力 分区，量值大小为近端逐渐向远端缓慢变小，初始锚固力对控制全锚效果不明显，只对端 锚的控制有利。 张思峰等【3 7 】利用F L A C 3 D 数值软件处于预应力单独锚固和群锚作用下的锚固力学机 制、粘结锚固段的剪切应力分布敏感性因素、巷道围岩承载体的破坏方式等因素进行数值 模拟分析，研究结果表明，群锚的锚固效果要比单独锚固的效果更显著，有利提高边坡的 稳定性，剪切应力的分布情况与锚索刚度、承载煤岩体的弹性模量以及预先施加的应力量 值大小有关，其中预加初始预应力为最敏感性因素。 苏霞与李仲奎【3 8 】采用二维I 江P A 数值软件影响锚杆抗拔力的6 个敏感性因素进行模拟 分析研究，结果表明其中5 个敏感性因素对锚固力大小影响较大，敏感性强弱分别为锚杆 长度最强，依次是灌浆体粘结剂强度性质、锚杆与灌浆体间的接触单元、灌浆材料与承载 煤岩体间接触单元和承载体岩石抗压强度，第6 个低敏感性因素为承载体的岩石弹性模量。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 郑卫锋和贾金青【3 9 】基于快速拉格朗日差分法的平台对处于深基坑环境中的单个预应 力锚杆的加固机理进行数值模拟。模拟分析结果表明，伴随着注浆压力的持续增加，锚杆 的极限锚固力也会相应的提高，极限锚固力的增长与锚固段长度增加呈现出非线性的比例 关系。 杨为民等【4 0 】运用大型有限元软件A N S Y S 来模拟处于拉拔荷载环境下的全锚粘结式锚 杆的作用机理进行数值分析研究，得到锚杆应力沿锚杆轴向呈现出指数衰减的法则，沿锚 杆长度方向存在临界锚固长度的概念。 舒谷生等【4 1 】基于F L A C 3 D 数值软件构建模型对锚杆体的受力特性、土体的动力响应情 况和影响拉拔性能的敏感性因素进行模拟分析，研究结果表明在拉拔荷载作用下最值位移 与最值拉力和锚杆体的长度具有显著性函数关系，锚杆影响区在深度方向为锚杆长度的2 倍，水平方向为锚杆长度的1 ．5 倍。 王光勇等【4 2 1 运用L S ．D 、ⅢA 3 D 数值模拟软件对在集中装药爆炸冲击产生的应力波环境 中，锚杆的瞬间动态响应和轴向应力分布规律。 朱宏伟【4 3 】基于A N S Y S 有限元软件来构建三维模型，模拟分析锚杆横向力学作用机制， 比较分析在有锚杆不连续岩体与锚杆错动变形和受力规律，分析有锚杆不连续煤岩体的变 形释放过程，得到不连续岩体与锚杆的相互作用规律以及不连续岩体与锚杆之间的变形规 律。处于剪切荷载作用下对不连续承载岩体的维稳性不利，这时锚杆起到“导轨作用”的 现象。 程东幸【4 4 】利用3 D E C 数值分析软件对有锚杆节理岩体的力学机制研究，得到有锚杆节 理岩体的等效力学参数分别为，岩石变形模量、有效内摩擦角、内聚力不变、软弱结构面 的内摩擦角也不变，内聚力从5 0 l P a 提高到1 2 2 l P a 。 K A N Gz l l i q i a I l g 【4 5 】运用A N S Y S 软件构件处于高水平应力环境中的锚杆．围岩相互作用 的三维立体