非連續(xù)巖體錨桿抗剪“導(dǎo)軌作用”力學(xué)機(jī)制的研究結(jié)題摘要

采用物理試驗(yàn)、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(jìn)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(fù)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(qiáng)，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(fù)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(qiáng)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(shí)，錨桿直徑的影響程度大于交角，當(dāng)剪切量較大時(shí)，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(shí)，巖塊最大分離量最小，錨桿“導(dǎo)軌作用”最不明顯。兩根細(xì)錨桿布置時(shí)，巖塊最大分離量最大，“導(dǎo)軌作用”最明顯。當(dāng)巖石強(qiáng)度較高時(shí)，單根錨桿的“導(dǎo)軌作用”大于群錨桿情況；當(dāng)剪切外載大時(shí)，巖塊最大分離量大，“導(dǎo)軌作用”明顯。 （5）物理試驗(yàn)、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(jì)、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(shí)的負(fù)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(dāng)重要的作用，但錨固機(jī)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(diǎn)多在錨桿提高巖體強(qiáng)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(shí)，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(fù)面效應(yīng)，這加深了對錨桿橫向加固作用的認(rèn)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(jì)可靠性，克服使用經(jīng)典觀點(diǎn)和分析軟件帶來的問題，如錨桿強(qiáng)度不足、錨固力偏低等。所以，進(jìn)一步開展錨桿抗剪作用力學(xué)機(jī)制研究，非常急需，意義重大。本項(xiàng)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(jìn)行深入研究，弄清其產(chǎn)生的機(jī)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(jì)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(jià)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(gè)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(qiáng)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(dòng)力特性與測試方法的研究； 巖體的變形、破壞機(jī)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(jià)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(yàn)，包括室內(nèi)模型模擬試驗(yàn)和原位巖體工程模擬試驗(yàn)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(dòng)研究中的熱點(diǎn)問題之一,但目前主要集中于滑動(dòng)摩擦特性的揭示。本項(xiàng)目申請?jiān)噲D建立測試節(jié)理巖體動(dòng)摩擦全過程中聲發(fā)射和產(chǎn)熱等物理力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，即基于大口徑的Hopkinson壓桿（SHPB）試驗(yàn)裝置研制多點(diǎn)聲發(fā)射和多點(diǎn)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(dòng)摩擦這一動(dòng)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(dòng)特性對摩擦強(qiáng)度的影響。該研究對于地震機(jī)制的認(rèn)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(shí)用意義。

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

可細(xì)分為抗剪斷強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗切強(qiáng)度

抗剪斷強(qiáng)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(shí)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(shí)的最大剪應(yīng)力稱抗剪強(qiáng)度，實(shí)際為某結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度 ；抗切強(qiáng)度為剪切面上法向應(yīng)力為零時(shí)的抗剪斷強(qiáng)度。2100433B