非连续岩体锚杆导轨作用的物理模拟研究.pdf

第3 6 卷第4 期中国矿业大学学报V 0 1 ．3 6N o ．5 2 0 0 7 年9 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y S e p ．2 0 0 7 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 7 0 5 0 6 1 4 0 4 非连续岩体锚杆导轨作用的物理模拟研究 贾颖绚1 ，宋宏伟2 ，段艳燕2 1 ．北京交通大学土木建筑工程学院，北京1 0 0 0 4 4 ；2 ．中国矿业大学建筑工程学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 摘要为了研究锚杆的横向效应并揭示其支护机理，建立了非连续岩体中锚杆横向抗剪效应的 三维研究模型，进行相应的物理模型试验，研究了非连续岩体中锚杆的导轨作用效应．结果表明 在剪力作用下锚杆的横向效应对岩体的稳定性存在负面影响，在非连续面处产生了明显的导轨 作用效应；锚杆导轨作用效应主要产生条件是剪切位移达到一定数值；锚杆直径越大，产生导轨 作用效应所需的外栽剪切位移越小，且分离量越大． 关键词非连续岩体；锚杆；支护机理；导轨作用；物理模拟 中图分类号T U2文献标识码A P h y s i c a lS i m u l a t i o nS t u d yo nR a i l w a yE f f e c to f B o l ti nD i s c o n t i n u o u sR o c kM a s s J I AY i n g x u a n l ，S O N GH o n g w e i 2 ，D U A NY a n y a n 2 1 ．S c h o o lo fC i v i lE n g i n e e r i n ga n dA r c h i t e c t u r e ，B e i j i n gJ i a o t o n gU n i v e r s i t y ，B e i j i n g1 0 0 0 4 4 ，C h i n a ； 2 ．S c h o o lo fA r c h i t e c t u r ea n dC i v i lE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y ． X u z h o u ，J i a n g s u2 21 0 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt os t u d yt h et r a n s v e r s ee f f e c to fb o l t ，t h e3 Dp h y s i c a lm o d e lo ft r a n s v e r s e s h e a r i n gr e s i s t a n c ee f f e c to fb o l ti nd i s c o n t i n u o u sr o c km a s sw a so b t a i n e d 。a n dt h e “R a i l w a yr a i l e f f e c t ”o fb o l tu n d e rs h e a rl o a d sw a ss t u d i e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h eb o l th a san e g a t i v e e f f e c to nt h es t a b i l i t yo fd i s c o n t i n u o u sr o c km a s sa n dt h e “R a i l w a yr a i le f f e c t ”o fb o l to c c u r n e a rt h ed i s c o n t i n u o u sp l a n eo fr o c km a s su n d e rs h e a rl o a d i n g ．T h em a i n l yo c c u r r i n gc o n d i t i o n o ft h i se f f e c ti st h a tt h el a r g es h e a rd i s p l a c e m e n tv a l u ea p p l i e do nt h em o d e l s ．T h eb o l td i a m e - t e ri sl a r g e r ，t h er e q u i r e dl o a d i n gd i s p l a c e m e n tv a l u ef o rt h i se f f e c ti ss m a l l e r ，a n dt h es e p a r a - t i n gv a l u ec a u s e db yt h ee f f e c ti sl a r g e r ． K e yw o r d s d i s c o n t i n u o u sr o c km a s s ；b o l t ；s u p p o r t i n gm e c h a n i s m ；r a i l w a ye f f e c t ；p h y s i c a l s i m u l a t i o n 锚杆作为岩体的加固手段，在大型土木工程中 应用广泛，但锚杆作用机理至今仍是一个没有很好 解决的问题．从1 9 4 5 年，第1 根锚杆在岩土工程中 使用以来，锚杆的轴向加固作用最先得到学术界的 广泛认识，提出了许多至今仍得到工程设计应用的 作用机理解释，如锚杆的悬吊作用、组合梁 拱 作 用等．2 0 世纪7 0 年代起，锚杆的横向抗剪切作用 机理逐渐得到重视[ 1 。3 ] ．研究表明，边坡和地下隧道 的岩体，易沿非连续面滑动位移，使得穿过该非连 续面的锚杆，产生横向变形，阻挡岩体沿非连续面 的进一步错动位移，起到了抗剪加固的作用．为了 更好地应用锚杆加固岩体工程，不论锚杆的轴向作 收稿日期2 0 0 7 一0 1 一1 6 基金项目国家重点基础研究发展规划 9 7 3 项目 2 0 0 2 C B 4 1 2 7 0 3 作者简介贾颖绚 1 9 7 8 一 ，女，河北省徐水县人，讲师，博士研究生，从事地下工程与城市轨道工程等方面研究． E - m a l l y x j i a 1 2 6 ．c o m T e l 0 1 0 5 1 4 6 6 9 1 3 万方数据 第5 期贾颖绚等非连续岩体锚杆导轨作用的物理模拟研究 6 1 5 用机理还是横向作用机理，至今仍是讨论的热 点‘“] ． 2 0 0 2 年作者所在课题组，在研究锚杆横向作 用机理时，采用数值模拟手段，发现了穿过非连续 面的锚杆，在产生横向加固作用的同时，还会产生 一种称为导轨作用的特殊效应[ 7 ‘1 1 。．在非连续面的 错动过程中，锚杆无论倾斜还是垂直于非连续面布 置，均有导轨作用效应发生，这使得岩体有沿锚杆 滑动，使非连续面产生分裂的现象，这一力学效应 有削弱非连续岩体抗剪能力的不利作用，在锚杆的 应用中应该避免这种作用的产生．本文采用物理模 拟手段，建立新的力学研究模型，进一步验证和研 究锚杆的“导轨作用”的效应． 1物理力学模型 非连续岩体中的锚固体，由岩块，锚杆 索 和 非连续面3 部分组成．为了研究锚固体中的锚杆 “导轨作用”效应，选取锚杆与岩体非连续面周围有 限范围的部分作为研究的力学模型，见图1 ．这个 模型由3 个块体和1 根锚杆组成，可称之为4 体抗 剪试验模型．模型边界为，全长锚固锚杆垂直穿过 3 个块体，两侧块体的底面施加固定约束，在中间 块体的上端面施加向下均布载荷，模型上的2 个非 连续面处，锚杆的变形呈现反对称． 图1试验模型 F i g ．1P h y s i c a lt e s tm o d e l s 因此，该4 体抗剪试验模型具有2 个明显的特 点1 物理模型制作容易，并能在普通压力机上加 载试验；2 加载模拟能同时得到2 组锚杆与非连 续面附近岩体变形受力数据，增加模拟的可靠性． 2 模型制作 由于锚杆本身直径较小，为方便锚杆受力的测 试，模型采用混凝土代替岩石，取原形的几何尺寸 和应力值，即几何比和应力比均取为1 ．为了不使 模型边界影响到所研究的锚杆的抗剪力学效应，取 每个块体几何尺寸为1 0 0m m 2 0 0m m 2 5 0 m m ，模型整体尺寸为3 0 0m m 2 0 0m m 3 0 0 m m ．锚杆垂直穿过节理面，全长锚固锚杆长度为 3 0 0m m ．研究物理模型为2 个，均采用配比为 7 ，l 水泥 m 水 仇 砂 优 石子 一1 0 ．4 2 1 ．1 2 2 ．2 6 的C 4 0 混凝土模拟岩体，水泥为4 2 5 8 矿渣硅酸盐，中砂，石子的粒径为1 0 ～2 0m m ．2 个 模型的不同是，模型1 的锚杆用①1 2m m 光圆钢 筋，模型2 的锚杆用①2 0m m 螺纹钢筋，它们均为 A 3 钢．制作模型时，平行制作2 组直径为1 0 0 m m ，高径比为2 。1 的圆柱体小试块，以测试模型 的材料力学参数，测试得到的力学参数结果见表 1 ．． 表1模型的材料参数 T a b l e1M a t e r i a lp a r a m e t e r so fp h y s i c a lm o d e l s 注E 为弹性模量；_ ￡l 为泊松比} s 。为单轴抗压强度；垂为锚杆 直径；S b 。为屈服强度． 3 试验测试系统与加载方法 为取得模型试块中应变值和应力值，先制作了 应变砖，在制作模型时，将应变砖固定安装在混凝 土块内设计位置．并在锚杆上设计位置贴上应变 片，再进行锚杆安装．在试块外侧设置位移测点．模 型1 和模型2 的测点布置见图2 ． 4 2 4 l a 模型l‘b 楱受2 图2模型的测点布置 F i g ．2D i s p o s a lo fm e a s u r e ds e n s o r s 各种测点布置为，模型1 的3 5 ，3 9 ，5 0 和3 6 为 锚杆上的应变片测点，3 0 ，3 1 ，3 2 和3 3 为应变砖测 点，而6 0 ，4 1 ，4 2 ，4 3 和4 4 为表面位移测点，4 0 为 压力测试点．模型2 的3 4 ，3 5 ，3 6 ，3 7 ，3 8 ，3 9 ，5 0 和 5 1 为锚杆上应变片测点，3 0 ，3 1 ，3 2 和3 3 为应变砖 测点，6 0 ，4 1 ，4 2 ，4 3 和4 4 为位移测点，4 0 为压力测 试点． 模型养护到期后，安装在电液伺服压力机上加 载．其方法是，将制作好的两组物理模型依次平稳 的放置在加载台架上，安装连接好上述测点的 盎弼厂；|}{ll}lL 万方数据 6 1 6中国矿业大学学报第3 6 卷 D a t a t a k e r 数据自动采集测试系统．采用连续加载 方式，用位移速度控制，加载速度为0 ．3m m ／m i n ， 数据采集簇率为1 次／s ，瑟季阔步酶多少代表了热载 位移的大小．加载至试件破坏停止，每个模型采集 数据99 6 0 组，共计约3 0 万个数据。 4 物理模拟试验结果分析 1 在模型加载过程中，锚杆表面应力变化曲 ￡ 罨 蠢 喜 蠢 稼载采集鼗摇辩瓣步／t 0 2 多数 a 模型1 线见圈3 ．图中数据表明，随加载过程进行，模型1 测点3 5 和3 6 位于锚杆弯曲拉伸侧应力基本为正； 模燮2 的溅点3 5 ，5 0 ，s l 鞠3 7 位于弯鼗拉伸德，数 值为正，测点3 9 ，3 6 ，3 4 和3 8 位于压缩侧，数值为 负。由此可见，锚杆在非连续面附近发生了“G , O ”型 豹变形弯蘸。这使锚秆在嚣连续嚣附近局部呈囱两 侧外倾斜状，形成“导轨”，为模型两侧块体向外向 上相对滑动创造了条件． 藕一 2 加载过程中，模型两侧混凝位移变化馥 线见图4 ，图中数据为正说明两混凝土块向分开方 趣位移。数据表明，褒外载作用下，嚣绷岩块发生甓 暑 墨 、 蜒 袄 骰 需 键 溅 超 蟋 凝 ⋯≥么 l _ ∥ ，’一 如载采集数据时阐步，1 0 2 多数 a 模型1 定 麓 收 镁 藤 器 艇 援 热蔽幕集数撂黠辩步／l 萨多数 b 模爨2 2 显的分离现象．其原因是，t 述的锚秆产生“∽”形 变形倾斜，使非连续面附近岩块沿这个弯曲形成的 锚杆“萼轨”滑动，发生了嚣混凝块分离移动。 3 ．0 i2 ．5 遥2 ．0 螽弼 雹1 ．0 要0 ．5 0 窿- 0 ．5 翮裁采集数据时间参／1 0 2 步数 b 模型2 图4两侧混凝士位移变化曲线 F i g 。4 C u r v e so fc o n c r e t es i d e sd i s p l a c e m e n t 3 加载过程中，混凝土内应力变化曲线见图 5 ．数据表明，随位移载荷增加，剪切位移达到一定 馕对，菲连续露醚近法蠢压疲力淡失．模型l 在 8 2 0 步前，有2 点为拉应力，2 点为压应力，当超过 8 2 0 步后，压应力全部消失，即非连续面阅无压应 力存在，发生了分离现象。模型2 在5 8 0 步前，有2 点为压应力，一个为拉应力，一个测点接近零应力； 爱 毒 收 { 麓 撼 蠼 当超过5 8 0 步后应力垒部转为拉应力，这同样说 明，非连续面间无压应力存在，发生了分离现象．这 说明 a ．由于“导轨作用”的分离现象，非连续面上 的正压力发生下降至零，这将使非连续面间的抗剪 力变为零，帮镶枰静存在使抗剪能力变秀零，或者 说这时产生了锚网负面效应． 瑟 鳋 袄i o 囊．主 -薹1 加载采集数据时阅步，1 0 2 步数 加靛采集数据时闻步n 0 2 步数 国搂壁l 9 ≥辏蘩2 灏5 混凝土内应力变化魏线 F i g ．5 C u r v e so fi n n e rc o n c r e t es t r e s s ∞o∞∞∞∞瓣∞∞∞∞∞ 轴 0之044每一培母m 万方数据 第5 期贾颖绚等非谶续岩体锚秆导轨作用的物理模拟研究 b 。罐耔邋径较大的模型，产生“导孰臻耀”效 应的所需加载步较少，冀分离量较大．图5 数据分 析袭明，模型1 ，锚杆直径为1 2m i D ．，产生“导轨作 震”效应酶位移载萄终为8 2 0 步，帮剪切位移4 。l m m ，岩块分离约为0 ．9m m ；模型2 的锚杆赢径为 2 0m m ，产生“导轨作用”效应的位移载荷步约为 5 8 0 步，鞠剪甥位移2 。9I T l m ，岩坟分离约势2 ．8 m m ． 同时数据i 丕表明，锚杆直径大，转过同样弯曲 角时，锚耪上下表面拉溅应力瞧大，使镬抒表匿应 力较早地超过了应变片的极限值． 5 结 论 1 本文提出的新的抗剪试验物理模型，在普 通螽架上即可作锚杆横向作用试验，效果较好，取 得数据可靠。便籍该模型的数据，缀好缝证明了锚 杆的“导轨作用”效应客观存在性． 2 在锚躁非连续豢体剪切过程中，锚括会产 生形如“∽”形变形弯馥，在菲连续瑟两侧形成岩块 滑动的“导轨”，具有产生“导轨作用”效应的特性． 3 锚杆“导轨作用”效应，导致岩体沿葛 连续 面产生分离瑰象，这一特殊的镭霞体力学行为，使 得非连续面上的正应力减小并变为零，使局部的抗 剪熊力消失，对菲连续崧体的抗剪力学特性产生负 蔼影响，有可能造成工稷失稳． 4 产生锚杆“导轨作用”效应的主要条件是， 沿嚣连续面的剪切位移步达到一定数值。本物理模 拟巾模型l 和模型2 分别是8 2 0 步，4 ．1m m 稚 5 8 0 步，2 ．9m m ． 5 锚抒煎径较大时，产生“导鞔作用”效应的 所需加载步较少，其分离量较大．本物理模拟中模 型1 ，锚杆直径为1 2m m ，产生“导轨作用”效应的 位移载蘅约为8 2 0 步，鄹剪切位移4 ．1l “ 1 9 ．1 T l ，岩块 分离约为0 ．9I T l m ；模型2 的锚杆遴径为2 0m m ， 产嫩“导轨作用”效应的位移载荷步约为5 8 0 步，即 剪切位移2 。9m i l l ，岩块分离约为2 ．8l T i m 。 参考文献 [ 1 ] D I G H TPM ．I m p r o v e m e n tt Ot h es t a b i l i t yo fr o c k w a l l si no p e np i tm i n e [ D ] ．A u s t r a l i a M o n a s hU n 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l a t i o na n di n f r a r e dr a d i a t i o nd e t e c t i o ne x p e r i m e n tf o ra c t i n ga r e ao fb o l ts u p p o r t i n g [ J ] ． J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t y ＆T e c h n o l o g y ，2 0 0 6 ，3 5 4 5 4 5 - 5 4 8 。 [ 6 ] 赵庆嬲，侯朝炯，舄念杰．煤巷锚秆一锚索支护互补原 理及其设计方法[ J ] ．中国矿业大学学撤。2 0 0 5 ，3 4 4 4 9 0 - 4 9 3 。 Z } | A 0Q i n g - b i a o 。H O UC h a o - j i o n g 。M AN i a n - j i e 。 S u p p l e m e n t a r yp r i n c i p l ea n dd e s i g nm e t h o do f b o l t a n dc a b l ea n c h o rs u p p o r t i n gt e c h n i q u e [ J ] ．J o u r n a lo f C h i n aU n i v e r s i t y ＆T e c h n o l o g y ，2 0 0 5 ，3 4 4 4 9 0 4 9 3 ． [ 7 ] 宋宏伟．非连续糟体中锚杆横向作用的进一步研究 D 】。穆蓍矿建大擘学羧，2 0 0 3 ，3 2 2 1 6 1 - 1 6 4 。 S O N GH o n g - w e i ．F u r t h e rs t u d yo nt r a n s v e r s ee f f e c t o fb o l ti nd i s c o n t i n u o u sr o c km a s s [ J ] ．J o u r n a lo f C h i n aU n i v e r s i t y ＆T e c h n o l o g y ，2 0 0 3 ，3 2 2 1 6 1 1 6 4 ． [ 8 ]S O N GH o n g w e i ，Z H A OJ i a n ，J I AY i n g x u a n ．N u m e r i c a ls i m u l a t i o no nt r a n s v e r s ee f f e c to fb o l ti nd i s - c o n t i n u o u sr o c km a s s [ C ] ／／L I NY u n - m e i ．P r o c e e d - i n g so ft h e2 t hI n t e r n a t i o n a lS y m p o s i u mo nN e wD e ’ v e l o p m e n ti nR o c kM e c h a n i c sa n dE n g i n e e r i n g ．P r i n “ c e t o nU S A R i n t o nP r e s s ，2 0 0 2 2 7 7 - 2 8 0 ． [ 9 ] 贾颖绚，宋宏伟．土木工程中锚杆支护机理研究现状 与展盥[ J ] ．岩土工程界，2 0 0 3 ，6 8 5 3 5 6 ． J I AY i n g - x u a n 。S O N GH o n g - w e i 。I n t r o d u c t i o n ＆ p r o s p e c to fb o l ts u p p o r t i n gm e c h a n i s m [ J ] ．G e o t e c h n i c a lE n g i n e e r i n gW o r l d ，2 0 0 3 。6 8 5 3 5 6 ． [ 1 0 ] 寒宏傍。建下工糕锤霆菲连续岩俸稳定戆磺究[ 躜。 徐州；中国矿业火学建筑工稷学院，2 0 0 2 ． [ 1 1 3 贾颖绚．锚杆j } 连续岩体扰剪特性的研究[ D ] ．徐 搦巾嚣矿盟大攀建筑工程学院，2 0 0 4 。 责任编辍王继红 万方数据