树脂锚杆锚固性能的力学分析.pdf

硕士学位论文 树脂锚杆锚固性能的力学分析 Mechanical Analysis on Anchorage Perance of Resin Anchored Bolt 作 者陈瑶 导 师杨静 副教授 中国矿业大学 〇二一四年五月 万方数据 中图分类号 TD353.6 学校代码 10290 UDC 622 密 级 公开 国家自然科学基金面上项目（50978251）资助 中国矿业大学 硕士学位论文 树脂锚杆锚固性能的力学分析 Mechanical Analysis on Anchorage Perance of Resin Anchored Bolt 作 者 陈瑶 导 师 杨静 副教授 申请学位 工 学 硕 士 培养单位 力学与建筑工程学院 学科专业 工 程 力 学 研究方向 采动岩体力学与工程 答辩委员会主席 茅献彪 评 阅 人 二○一四年五月 万方数据 63 学位论文原创性声明 学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文树脂锚杆锚固性能的力学分析 ，是本 人在导师指导下，在中国矿业大学攻读学位期间进行的研究工作所取得的成果。 据我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 年 月 日 万方数据 学位论文使用授权声明 学位论文使用授权声明 本人完全了解中国矿业大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所撰 写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一， 学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位 论文的部分使用权，即①学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电 子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；②为教学和 科研目的，学校档案馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书 馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国 国家图书馆保存研究生学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 。 作者签名 导师签名 年 月 日 年 月 日 万方数据 论文审阅认定书 论文审阅认定书 研究生 陈瑶 在规定的学习年限内，按照研究生培养方案的要 求，完成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本学位 论文,经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文 撰写格式符合学校的相关规定， 同意将本论文作为学位申请论文送专 家评审。 导师签字 年 月 日 万方数据 致谢 致谢 时光荏苒三年的硕士研究生学习生涯即将结束， 硕士学位论文是我三年学习 成果的总结，凝聚了很多人的心血。因此在这里，我要对帮助我完成论文的所有 人表示感谢。 首先要感谢我的导师杨静副教授， 没有她的精心指导和悉心关怀我无法完成 本文。导师严谨的治学态度，渊博的知识，高尚的情操，兢兢业业的工作态度以 及无私的奉献精神给了我深刻地启迪和奋进的动力。 从她身上我不仅学到了系统 的专业知识，更学到了做人做事的道理，这些都将使我受益一生。在此，衷心祝 福我的导师身体健康阖家幸福。 特别感谢茅献彪教授在我学习期间给予的无微不至的关怀。在论文选题、试 验、写作过程中给予了许多关键性的指导与帮助，在此对茅老师的无私帮助表示 深深的谢意。 感谢力学系陈占清教授、刘卫群教授、李玉寿高级工程师、王连国教授、浦 海教授、马占国教授、冯梅梅副教授、卢爱红副教授等老师对我学习上、生活上 的关心和帮助。 感谢宋良博士、姜广辉硕士、徐勇硕士、陆丹枫硕士、邢松涛硕士、武永硕 士、逄增伟硕士在试验过程及论文写作过程中给予的帮助。 感谢家人的支持与鼓励，使我能够顺利完成学业。 感谢论文所引用文献的作者。 最后，向百忙之中对本论文审阅的各位专家致以诚挚的谢意 万方数据 I 摘 要 摘 要 锚杆支护作为煤矿巷道、 隧洞结构及边坡等岩土工程的主要支护方法得到广 泛应用，但对于锚杆支护作用机理的认识还存在许多不足。本文以目前广泛使用 的树脂锚固锚杆为研究对象，综合运用试验测试、数值模拟等手段，对锚杆的作 用机理及影响因素进行了系统的研究。主要获得以下成果和结论 1根据锚固技术理论中的 Mindlin 解的简化分析法及基于局部变形的理想 弹塑性荷载传递模型，给出了锚杆与锚固剂、锚固剂与岩土体界面上剪应力分布 特征和锚杆轴力的分布形式。 2设计制作了树脂锚杆锚固段的试验模型， 试验测得了树脂锚固锚杆轴力、 锚杆与树脂锚固剂界面上剪应力的分布规律， 考察了树脂锚固锚杆的可能失效形 式，揭示了树脂锚杆锚固力的传递作用机理。借助于美国电液伺服试验系统 MTS810 及配套的 MTS 环境箱，研究得到了温度对树脂锚杆锚固性能的影响规 律。 3建立了包含锚固围岩、树脂锚固剂与锚杆在内的锚杆锚固性能分析的数 值模型，通过在锚杆与树脂锚固剂之间、树脂锚固剂与周围岩体之间设置接触面 单元，研究了锚固界面间的相互作用机理，得到了锚杆的轴向拉力、锚固长度、 锚杆直径、树脂锚固剂厚度及锚固围岩性质等因素对锚固性能的影响规律。研究 结果可为锚杆支护工程实际提供参考。 该论文有图 68 幅，表 3 个，参考文献 71 篇。 关键词关键词树脂锚固锚杆；锚固力学性能；锚固作用界面；试验研究；数值模拟 万方数据 II Abstract Bolt supporting, the main support of geotechnical engineering such as coal mine tunnel, tunnel structure and slope, has been widely used, but it still has many shortcomings in the understanding of the bolting mechanism. The widely used resin anchored bolt is research object in the study. The mechanism and influencing factors of anchor were investigated systematic by experimental tests, numerical simulation, etc. The main results and conclusions were in the following 1According to Mindlin solution of the simplified analysis and the ideal elastic-plastic load transfer model based on local deation in the theory of anchoring technology, we know the distribution of anchor axial force and the shear stress distribution on the interface between the anchor and anchoring agent, or between anchoring agent and rock mass. 2The test model of resin anchored bolt anchoring segment was designed. The distribution of anchor axial force and the shear stress distribution on the interface between the anchor and anchoring agent had been measured in the experiment, the possibility of failure of resin anchored bolt was examined, revealing the transmission mechanism of resin bolt anchoring force. The influence of temperature on the anchorage perance was obtained by the use of electro-hydraulic servo system MTS810 test environment and supporting the MTS box U.S.. 3The numerical model for perance analysis including rock anchoring, resin anchoring agent and bolt was established. The anchorage interface interaction was investigated by setting the contact area between bolt and resin anchoring agent, or between resin anchoring agent and the surrounding rock mass. The factors including drawing load, anchor length, anchor diameter, thickness of the resin anchoring agent and geotechnical liquid influence on anchorage perance were discussed in the paper, from which draw some useful conclusions and provide more useful reference for practical application of bolting. Keywords resin anchored bolt； anchoring mechanical property； anchorage interface； experimental research；numerical simulation 万方数据 III 目 录 目 录 摘摘 要要............................................................................................................................I 图清单图清单........................................................................................................................VII 表清单表清单.........................................................................................................................XI 变量注释表变量注释表 ...............................................................................................................XII 1 绪论绪论.............................................................................................................................1 1.1 研究背景与意义.....................................................................................................1 1.2 国内外研究现状.....................................................................................................1 1.3 目前研究存在的问题.............................................................................................9 1.4 本文主要研究内容及方法...................................................................................10 2 锚杆锚固作用的理论基础锚杆锚固作用的理论基础 .....................................................................................11 2.1 工程中常见的锚杆种类........................................................................................11 2.2 锚杆的破坏形式....................................................................................................13 2.3 基于弹性力学 Mindlin 解的锚杆锚固理论基础................................................14 2.4 工程算例...............................................................................................................16 2.5 锚固界面位移的弹塑性理论基础.......................................................................20 2.6 本章小结...............................................................................................................22 3 树脂锚杆锚固性能的试验研究树脂锚杆锚固性能的试验研究 .............................................................................23 3.1 树脂锚杆锚固段力的分布规律试验研究...........................................................23 3.2 锚杆直径对锚固性能影响的试验研究...............................................................30 3.3 温度对树脂锚杆锚固性能影响的试验研究.......................................................31 3.4 本章小结...............................................................................................................35 4 树脂锚杆锚固性能的数值分析树脂锚杆锚固性能的数值分析 .............................................................................37 4.1 FLAC3D软件的介绍 ..........................................................................................37 4.2 树脂锚杆锚固性能的数值计算模型...................................................................39 4.3 锚杆锚固段力的传递规律...................................................................................41 4.4 锚固长度对锚杆锚固性能的影响.......................................................................46 4.5 锚杆直径对锚固性能的影响...............................................................................48 4.6 锚固剂厚度对锚固性能的影响...........................................................................50 4.7 岩体力学性质对锚杆锚固性能的影响...............................................................53 万方数据 IV 4.8 本章小结...............................................................................................................55 5 结论与展望结论与展望 .............................................................................................................56 5.1 主要研究成果.......................................................................................................56 5.2 不足和展望...........................................................................................................57 参考文献参考文献 .....................................................................................................................58 作者简历作者简历 .....................................................................................................................62 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 .................................................................................................63 学位论文数据集学位论文数据集 .........................................................................................................64 万方数据 V Contents Abstract........................................................................................................................II List of Figures...........................................................................................................VII List of Tables..............................................................................................................XI List of Variables........................................................................................................XII 1 Introduction...............................................................................................................1 1.1 Research Background and the Significance.............................................................1 1.2 Research Development at Home and Abroad..........................................................1 1.3 Present Problems about the Research......................................................................9 1.4 Research Objectives and s.........................................................................10 2 Theoretical Basis of Anchoring Action of Anchor................................................11 2.1 Common Categories of Anchor .............................................................................11 2.2 Destruction of Anchor..................................................................................13 2.3 Theoretical Basis of Anchoring Action According to The Mindlin Solution of Elastic Mechanics ........................................................................................................14 2.4 Engineering Calculation.........................................................................................16 2.5 The Displacement of Anchorage Interface Based on Plastic-elastic Theory.........20 2.6 Summary................................................................................................................22 3 Experimental Studies on Anchorage Perance of Resin Anchored Bolt .....23 3.1 Experimental Studies on the distribution of shear stress along anchored length of Resin Anchored Bolt....................................................................................................23 3.2 Experimental Studies on The Influences of Bolt Diameter on Anchorage Perance.................................................................................................................30 3.3 Experimental Studies on The Influences of Temperature on Anchorage Perance.................................................................................................................31 3.4 Summary................................................................................................................35 4 Numerical analysis on Anchorage Perance of Resin Anchored Bolt..........37 4.1 The Introduction of FLAC3D Software .................................................................37 4.2 Numerical Calculation Models of Anchorage Perance of Resin Anchored Bolt ......................................................................................................................................39 万方数据 VI 4.3 The Transferring Law of Force Along Anchoring Section ....................................41 4.4 The Influences of Anchorage Length on Anchorage Perance........................46 4.5 The Influences of Bolt Diameter on Anchorage Perance...............................48 4.6 The Influences of Capsule Resin Thickness on Anchorage Perance..............50 4.7 The Influences of Rock Mass Mechanical Parameters on Anchorage Perance ......................................................................................................................................53 4.8 Summary................................................................................................................55 5 Conclusions and Future Research.........................................................................56 5.1 Research Achievements.........................................................................................56 5.2 Existing Inadequacies and Outlook .......................................................................57 References...................................................................................................................58 Author’s Resume........................................................................................................62 Declaration of Thesis Originality..............................................................................63 Thesis Date Collectin .................................................................................................64 万方数据 VII 图清单 图清单 图 1.1 拉拔试验锚杆受力示意图 7 Figure 1.1 Schematic anchor stress pull-out test 7 图 2.1 锚杆结构示意图 11 Figure 2.1 Schematic diagram of anchor structure 11 图 2.2 预应力与非预应力锚杆结构构造图 11 Figure 2.2 Structure chart of prestressed and non-prestressed anchor structure 11 图 2.3 预应力锚杆与非预应力锚杆受力特性图 12 Figure 2.3 Prestressed and non-prestressed anchor mechanics characteristic chart 12 图 2.4 拉力型与压力型锚杆结构示意图 12 Figure 2.4 Structure chart of tension-type anchor and pressure-type anchor 12 图 2.5 半空间体内部作用集中力的力学模型 15 Figure 2.5 The mechanical model of semi-infinite body subjected to a concentrated force 15 图 2.6 锚杆与树脂锚固剂界面剪应力分布曲线 17 Figure 2.6 Distribution curve of shear stress between Anchor and resin capsule 17 图 2.7 锚杆轴力分布曲线 17 Figure 2.7 Distribution curve of axial force 17 图 2.8 剪应力与载荷的关系 18 Figure 2.8 The relationship between shear stress distribution and loads 18 图 2.9 轴力与载荷的关系 18 Figure 2.9 The relationship between axial force distribution and loads 18 图 2.10 剪应力与岩体性质的关系 18 Figure 2.10 The relationship between shear stress distribution and the nature of the rock 18 图 2.11 锚杆轴力与岩体性质的关系 19 Figure 2.11 The relationship between axial force distribution and the nature of the rock 19 图 2.12 剪