非連續(xù)巖體錨桿抗剪“導(dǎo)軌作用”力學(xué)機制的研究

采用物理試驗、三維數(shù)值模擬和數(shù)學(xué)力學(xué)分析，對非連續(xù)巖體錨桿的“導(dǎo)軌作用”效應(yīng)和影響因素進行了研究。取得如下主要研究成果： （1）加錨非連續(xù)巖體模型均發(fā)生了明顯的節(jié)理面分離現(xiàn)象，產(chǎn)生了錨桿“導(dǎo)軌作用”。在載荷作用下，錨桿剪切應(yīng)變，巖塊變形甚至破壞，錨桿局部彎曲成了 “S字形”，形成了 “導(dǎo)軌”。為非連續(xù)巖體中錨桿產(chǎn)生“導(dǎo)軌作用”創(chuàng)造了條件。錨桿的“導(dǎo)軌作用”的規(guī)律是，巖塊的剪切位移外載越大，巖塊間的最大分離值越大，巖塊間的分離區(qū)域或面積也越大,其增長近似于開口向上的拋物線增長規(guī)律。 （2）加錨非連續(xù)巖體發(fā)生的“導(dǎo)軌作用”存在明顯負面效應(yīng)。一方面，隨著剪切位移外載增大，最大分離位移也增大，其關(guān)系近似為開口向上的拋物線曲線。另一方面，隨著巖塊最大分離位移的增加，模型的總剪切力也增大，其關(guān)系近似為開口向下的拋物線變化，錨桿“導(dǎo)軌作用”效應(yīng)增強，抗剪能力削弱。即“導(dǎo)軌作用”出現(xiàn)后，非連續(xù)巖體的抗剪能力增速迅速減小，錨桿“導(dǎo)軌作用”負面影響增大。 （3）錨桿直徑、剪切載荷、非連續(xù)面粘結(jié)、摩擦系數(shù)、巖性、錨桿交角等，都不同程度地影響錨桿的“導(dǎo)軌作用”效應(yīng)和巖體承載力。增加錨桿直徑，節(jié)理面分離增大。非連續(xù)面粘結(jié)后，分離量減小明顯；巖性越硬，錨桿軸向和橫向應(yīng)力就越大，巖塊最大分離量越大。非連續(xù)巖體抗剪強度受到巖性的影響最大，是最主要因素，其他因素的影響程度較小。其中，節(jié)理摩擦系數(shù)次之，剪切量較小時，錨桿直徑的影響程度大于交角，當剪切量較大時，交角的影響程度大于錨桿直徑。 （4）錨桿群與單錨桿有基本相同的錨桿“導(dǎo)軌作用”效應(yīng)，但是不同直徑錨桿的布置對錨桿“導(dǎo)軌作用”效應(yīng)和巖體承載力有明顯影響。粗錨桿在加載側(cè)時，巖塊最大分離量最小，錨桿“導(dǎo)軌作用”最不明顯。兩根細錨桿布置時，巖塊最大分離量最大，“導(dǎo)軌作用”最明顯。當巖石強度較高時，單根錨桿的“導(dǎo)軌作用”大于群錨桿情況；當剪切外載大時，巖塊最大分離量大，“導(dǎo)軌作用”明顯。 （5）物理試驗、數(shù)值模擬和理論分析得到了關(guān)于錨桿“導(dǎo)軌作用”的一致的主要規(guī)律。 （6）可從錨桿參數(shù)和布置的設(shè)計、改變巖性和節(jié)理面特性，以及采取措施減小圍巖外載等方面，來減小其所產(chǎn)生的錨桿對非連續(xù)巖體加固時的負面影響。 2100433B

在保障重大工程穩(wěn)定性和安全、防災(zāi)減災(zāi)中，錨桿和錨索起著相當重要的作用，但錨固機理仍急需弄清。對錨桿在滑坡、深基坑和隧道等應(yīng)用中的橫向作用，國內(nèi)外研究重點多在錨桿提高巖體強度上，并取得了顯著成果，但對錨桿與非連續(xù)巖體相互作用的研究不多。申請人研究發(fā)現(xiàn)，加錨非連續(xù)巖體受到剪切時，錨桿與巖體相互作用，存在使巖塊分離的力學(xué)現(xiàn)象，即導(dǎo)軌作用負面效應(yīng)，這加深了對錨桿橫向加固作用的認識。深入研究這一力學(xué)現(xiàn)象，弄清其對錨桿加固效果的影響，將有利于提高錨桿設(shè)計可靠性，克服使用經(jīng)典觀點和分析軟件帶來的問題，如錨桿強度不足、錨固力偏低等。所以，進一步開展錨桿抗剪作用力學(xué)機制研究，非常急需，意義重大。本項目擬通過多種手段，對錨桿導(dǎo)軌作用力學(xué)效應(yīng)這一基礎(chǔ)科學(xué)問題進行深入研究，弄清其產(chǎn)生的機理、條件和影響因素，以及對錨固作用、錨固結(jié)構(gòu)失穩(wěn)規(guī)律的影響等問題，為錨固結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計和安全評估提供基礎(chǔ)理論支持。

巖體力學(xué)研究的核心內(nèi)容，是定量預(yù)測和評價巖體的穩(wěn)定性，巖體的改造和加固措施。它除了要研究巖體結(jié)構(gòu)、巖體的基本特性、巖體所處的地質(zhì)環(huán)境等因素以外,還要充分考慮工程因素,如工程規(guī)模、爆破、開挖程序和加固措施等的影響。巖體力學(xué)研究可大致歸納為9個方面：

巖體的結(jié)構(gòu)型式巖體的地質(zhì)特征,包括巖體的物質(zhì)組成、巖體結(jié)構(gòu)、巖體中的天然應(yīng)力、巖體中水的狀態(tài)以及巖體溫度的研究； 巖體的物理與水理性質(zhì)，包括空隙性、滲透性、膨脹性、崩解性以及溶蝕性的研究； 巖體的力學(xué)性質(zhì)，包括巖體的變形和強度特性與測試方法，特別是不連續(xù)面力學(xué)效應(yīng)和巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)效應(yīng)的研究； 巖體的動力特性與測試方法的研究； 巖體的變形、破壞機制、本構(gòu)關(guān)系與破壞判據(jù)的研究； 巖體的穩(wěn)定性，包括地基、邊坡與地下工程圍巖變形、失穩(wěn)的預(yù)測、評價的理論和技術(shù)途徑的研究； 巖體性質(zhì)改造和加固的研究； 模型模擬試驗，包括室內(nèi)模型模擬試驗和原位巖體工程模擬試驗技術(shù)、理論與應(yīng)用的研究； 原型觀測、施工監(jiān)測、反分析，以及工程事故的分析與應(yīng)用研究。

巖體摩擦本構(gòu)關(guān)系的研究是地震孕震及板塊滑動研究中的熱點問題之一,但目前主要集中于滑動摩擦特性的揭示。本項目申請試圖建立測試節(jié)理巖體動摩擦全過程中聲發(fā)射和產(chǎn)熱等物理力學(xué)特性的實驗技術(shù)，即基于大口徑的Hopkinson壓桿（SHPB）試驗裝置研制多點聲發(fā)射和多點紅外測溫系統(tǒng)，從而探索節(jié)理巖體從波致（wave-induced）摩擦到慣性摩擦到滑動摩擦這一動摩擦全過程中聲頻和熱等信息的演化規(guī)律，由此建立由聲頻和熱信息定量描述巖體粘滑轉(zhuǎn)換的臨界狀態(tài)的方法。在此基礎(chǔ)上，研究界面振動特性對摩擦強度的影響。該研究對于地震機制的認識、對于水利工程、礦山工程和隧道工程中的微地震和巖爆研究、對于工程物探等領(lǐng)域有著十分重要的實用意義。

由于結(jié)構(gòu)面、非均質(zhì)、非連續(xù)等影響其強度一般低于巖塊強度 介于結(jié)構(gòu)面與巖體強度之間

可細分為抗剪斷強度、抗剪強度、抗切強度

抗剪斷強度是指在任一法向應(yīng)力作用下 橫切結(jié)構(gòu)面剪切破壞時巖體能抵抗的最大剪應(yīng)力；在任一法向應(yīng)力作用下，巖體沿已有破裂面剪切破壞時的最大剪應(yīng)力稱抗剪強度，實際為某結(jié)構(gòu)面抗剪強度 ；抗切強度為剪切面上法向應(yīng)力為零時的抗剪斷強度。2100433B