加锚节理面抗剪性能研究.pdf

竿10 卷 19 88 l 月 年 工 土 岩 第 1期 程 G ON G CH E NG YA NT U V o l 10 . 报 学 XU EBAO Ja n 。 。 No 19 88 , 加 锚 节理 面抗 剪性 能 研 究 葛修 润 刘建 武 ( 中国 科 学 院武 汉 岩 土 力 学 研 究所 ) 要 本 文 通 过 室 内模 拟试 验 和 理论 分 析 “ , 着 重 探 讨 了 锚 杆 对节理 面 抗 剪 性能 的影 响 , 以及杆 体 , 阻 止 节 理 面 发生 相对 错 动 的 销钉 作 用 机制 提出 改 进 了 约估 算 加 猫节 理面 抗 剪 强 度 公 式 结果 表 明 : ” 加 嗬 节 理面 的 抗剪 强 度 随 剪 切 位 移 的 增 加 而增 大 大 的剪 切 位移就 已 使杆 体的抗 剪 作 用 得 到充 分发 挥 理 面 抗 剪 强 度 的 重 大影 响 。 。 , 试验 和 理 论 分 析都 表 明 。 试验 即 使不 试 验 研 究还充 分显 示 出 满 杆 倾 角对加 锚 节 。 r 本文在 给 出 了 用 于 描 述加 猫 节 理面 抗 剪 性能 的 分 析 模 型 和 理 论 分 析 方 法 的 基 础 上 计 算 猫杆 最 佳 安 装 角 的 公式 。 导 出 了 , 。 用 此 算 式 求得 的 最 佳安 装 角 与 实 验结果十 分吻 合 本文 还分 析 了 当 前在 有 限元 分析 中经 常使 用 的一 些 锚 杆单 元 模 型的不 足之 处 一 , 并指 出了 改 进的 方 向 。 - j 曲 目 、 前 曰 锚 杆对 岩体 的 支 护 作 用 可 大 致 概 括 为 三 方面 : 1 . 提 高 围 岩 自 身 的 支 撑能 力 岩 体 具 有 更 高 的 承载 能 力 例 如 层状 岩体 经 过 施锚 后 形 成 的 一 种 守 组合 体 , 2 对 围 岩 提供 集 中 支 护 力 , 从 而改 善 岩体 的应 力 状 态 ; 3 具 有 足 够 长 度 的 锚杆 将 不 稳 定 的岩 块 与稳 固 的岩 体 相 连 . 。 值 得指 出 的 是 必 然 要与锚 杆 的 变 形 协调 岩体 , , , 可 以 改 善 稳 定 性 减少 崩 塌 。 、 、 它 具有 施工 简 单 成 本 低 锚 固作 用 耐 久可 由于 锚杆 通 过 水 泥 砂浆 沿 全 长 度 与 围 岩 结 合 在一 起 , 从而 有 效地增 强 了围 岩 自 身的 支撑作 用 , 这 种 粘 结 式锚 杆更 具 有 优 越性 善 了这 些 弱 面 的 抗 剪性 能 , 。 。 围 岩 的 变形 对于 节理和 层面 发 育的 它 不 但 增 强 了 这些 弱 面 的抗 张能 力 从而 在 总 体上改 善 了节 理 岩体 的强 度 , , 更 为 重 要 的是 改 。 当今对 岩 体 工 程 问 题作 有 限元 分 析时 通常 采 用 二 结点 或 三 结点 的 杆单 元作 为锚 杆 模 型 这 种轴 力杆式 的锚 杆 单 元 主要 有 两个 缺点 , 穿 过 节 理面 的锚 杆时 就更 为 突出 , 这 个 缺 点 在 用 这 种 模型去 模拟 。 为 了 探 讨 粘 结式 锚杆 对 节理 面抗 剪性能 的 影 响和 作 用 机制 型 。 一是 只 计及 杆 体 的 轴 力而 未计 及 杆体 本 身 的抗 剪 作 用 , 二 是 杆 体 各 区 段 间 (即 各 杆 单 元 交接处 ) 转 角不 能 协 调 , , 。 沿 全 长 度锚 固 的 水 泥 砂 浆 锚 杆是 应 用 最 广 的 靠 等优 点 比 原层 状 ; . 滑 动或 掉 块 的 危 险 性 ” , , 建 立 更 加 合理 的锚 杆 单元模 开 展 加 锚 节理 面 抗 剪 性 能 的试验 研究 和 理论 探讨 是 十 分 必要 的 。 第 1 期 葛修 润 等 、 二 : 加锚 节 理 面抗 剪 性能 研 究 粘结 式锚杆 对 节 理面 抗剪 强 度 的影 响 粘 结式 锚 杆 增强 节理 面抗 剪性 能的 效 应 很 多 单位 并展 了 有 关 这 种 增强 效应 , 岩石 力 学 界所 重 视 已 为 国际 , 和 机制 的 试 验研 究 和理 论 探 讨 I ‘’。 穿 过节 理 面 的锚 杆 在 节理 面附 近 的 区 段 内的应 力 分 布见 图 1 粘 结式 锚 杆 (无预 应 力 时 ) 对 节 理 面 抗 剪性能 的 影 响 。 大 致 可 归 纳 如 下三 个方 面 1 . 一 一一 一一二 廿 一 X : 由于 节 理面两 壁 的相 对位 移 导 致锚 杆 l轴 向 拉 力 (T 。) 的 增长 而 轴 向力相 对 于 节理 面 的 法 向 分 量 通 过 摩擦 效应 将 为 节理 面提 供附 加 的 抗 剪 能 力 , , 2 T 。的 平 行节 理面 的 分 量 . , 一 将 作 为 节 理面 抗剪 能 力 t 芝扭 一_ 的 一个 组 成 部分 ; 3 粘 结 式锚 杆 可 以 借 助 于杆 体 本 身 的 抗 剪 能 力 限 制 . “ ” 这 种 效 应可 称 之 为 销 钉 作 用 , 节 理面 的相 对 错动 施 加预 应力 的 粘 结 式 锚 杆还有 另 一 作 用 导 致节 理面 摩擦 阻力 的 增大 、 三 式中 图 1 粘 结式 锚 杆 应 力 分布 示 意 图 (据 文献 〔1 妙(a ) 岩 石 锚 杆 (b ) 杆 体拉 应 力 ( c ) 胶结 面剪 应 力 ( d )杆 体剪应 力 ( e ) 胶结 面 法 向 应力 即预 应力 。 加锚 节 理 面抗 剪 强 度 的估 算公 式 我 们 借鉴 了 国外某 些 算 式 并加 以 改 进 丫 吞s = , 。 , 提 出 估 算加锚 节理面 抗剪 强 度 的公 式 (1 ) r l + r 吞d + T 七‘ + r 七: 劝 节理面 本身 的抗 剪强 度 ; — 由杆 体 销 钉 作 用 引起 的换算抗 剪 强度 补 — 由杆体 轴 向力相对 节 理面 的法 向分量 引起 的 换算抗 剪强 度 肠 — 由 杆体 轴 向力相 对节 理面 的切 向分量 引起 的换算 抗剪 强 度 — 它 们可 分 别 用 下 列公 式求 得 “ d , , , : 。: 。 c , + a ,t 义 r , = 式中 ” , 功 r b刀 = r 石 . ” 吸3 1n 口 一 C O S 口 . T bt = a b . 5 卫n a r b: = 口b . c O S 口. a b tg { ; . 必了 刀 { 、 一 ‘ 刀 一 一 锚杆 轴 向 应 力 (以 拉应 力 为 正 ) , 补一 口, . t 立苗 ) 一锚 杆 横 载 面上 的 平 均 剪 应力 , 节理 面平 均法 向应 力 , —节理 面 粘结 力 — 节理 面摩擦 角 功 — 锚 杆安 装角 或称 倾角 系 节理 面剪 切 位 移方 向与 同 一侧 锚杆 的央角 — J c , , a ; , , 宕 。 — 四 工 卜 程 学 198 8年 报 锚 杆 横 截 面 与含 单 根 锚 杆 的 节 理 面 的 面 积 比 、 。 加锚 节 理 面 抗 剪 性 能 的 试 验 研 究 方 法 加 锚 节 理 面抗 剪性 能 的 试 验 研 究是 采 用 直剪 试验 试 验 设 备为剪 切 流 变 仪 , , 其 原理 图见 图2 比 遴 d / 『 ‘ ! _ / 一 … } 图2 1 剪切 仪 7 试 件用 水 泥 、 为 sm m 的 圆钢 筋 积为 1 9 7 X 195m m 9 油泵 用 以 模 拟锚 杆 “, 两类 12 锚杆安 装角 a 分别 为 9 0 刀 值 约为 1 / 2 0 0 0 五 、 。 这 样制 备 的 试 样 。 。 、 , 0 6 。 、 。 5 4 ” , 中央 埋 设 有 直 径 “ 。 和3 0 节理 面 剪 切 面 与 实 际 工程 中在 每 平 方米 面 积 上 由于 混 凝 土 是 一 种 人 工 石 料 。 “ 而插 入 的 钢 筋 又 , ” 节 理 面 分光 滑 和 粗 糙 。 加锚 节理 面 剪 切 一 位 移 特性分 析 按 锚 杆 倾 角 a 将 试件分 为 四 组 。 气压 表 节理 面 因 此 所 得 的 试验结 果 对原 型 将 有直接 的 参 考 作 用 , 6 “ 后 者是 在 光 面上 用 人 工 凿毛 方法处 理 的 , 油压 表 1 锚杆 0 阀门 1 作 用 有 一 根 直径 为 25 m m 的 锚 杆 的 情 形 等价 与 锚 杆材 料接 近 5 稳压 器 在 试 样上 下 两 半 之 间预 留有 节 理 面 , 。 4 试件 减压 阀 砂 及 细 石 子浇 注 , 3 2 扁 千斤 顶 8 气源 剪 切 流 变 仪工 作原理 图 式 同组 各 试 件 的 第 一 级 荷 载 的 a , 每组 试 样一 般 为 四 个 值是 不 相 同 的 组 试件 的 剪 切 位 移 曲 线 分别 见 图 3 一 6 一 , 二 每 一 试 件 都采 用 逐 级 加 荷 卸 荷 方 值 的 变动 范 围 在 。 5 一 3 O M P 在 之 间 四 . 图 7 为a 。 。 二 5 4 “ a . 时 的 逐级加 荷 的 剪切 位 移 曲 线 角相 同 但 节 理 面 粗糙 度 不 同 时 的 加锚 节 理 面 剪 切 位 移特性 之对 比 参见 图 8 一 1 0 分 析 加 锚 节 理面 的剪 切 位 移 特 性 曲线 1 态 , . 不 论 a 如 何 变动 “ ” , 并具 有 硬 化 的征状 如 何 变化 。 但 这 并 不 是 通 常所 指 的 塑 性 流 动 的 概 念 , “ 一 。 a 。 可 以 得 出 如下 一 些 有规律 性 的 特 征 a : ” 节 理 面施 锚 后 的 剪 切 位移 曲 线 具 有 塑 性 流 动 的 形 “ 于 锚 杆对 节 理 面抗 剪性 能 的 增 强 作 用 所 致 性能 , 。 。 总 的说 来 ” , , 而 是 节理 面加 锚 后 由 节 理 面 加 锚后 呈 现 出韧 性 增 强 的 剪 切 。 。 2 试 验 表明 , 加锚 节 理面 的 剪 切 位移 超 过 1 m m 以 后 剪 切 强 度仍 然 在 增 长 理 面 的剪 切 位移 性 能 与 此 有很 大差别 见 图1 1 一 , 。 。 而 未 加锚 的 节 葛修 润 等 第 1期 一一- 一 一 一 - 一一 - ~ — 一 一一 一一一 一一 一一 - - 24 ~ 一 一一 一 . - ~ ~ ~ 一 一 93 ~ ~ - ~ ~ - - - 一- MP a 2 . 州[P a 93 0 毖 27 李 沙 1 口二 0 二 2 1 - ~ ~ 口= ‘ 云 Ž 卜 11 加锚 节 理 面抗剪 性 能研究 6 . . 口 二 3 : 。 O 一 口= 5 MP a 97 . 2 . 口 a = 。 90 协 S MP 食 . 〕 97 h 公 a . 1 莽 心 6 M Pa 8 J 二 0 . . 5 州田a 一 俞 一 一炭布一一一 q m , 弥 一一下杯一 , 厂, 1 0 一 Z m 。几 义 1 a 二 图4 一 时 的 剪切 位 移曲 线族 a = 2 、 0 l 。 0 “ ‘ 一, 6 护 时 的 剪 切 一 位 移 曲线 族 . 2 口二 王1 。 , 9 3 b叮 a . d 卜 沉 † 护 t J = 10 1 .5 拟 IP a 。 几 0 . 沙二 0 u , a 二 5 、企 a 10 0 5O 图s . 9 。 5 4 x . a 二 一Z u , m tn 图6 一 时 的剪 切 位 移 曲 线 族 、 六 0 1 一 1 50 10 . 3 l 沐 6 习田. 30 a = 4 . 。 0 . 12. 0 钱卜 卿 一 丫 功 Z m 饥 一 时 的 剪 切 位 移 曲线 族 塔 2 a 二 . 川 M P。 . 卜 Ž 乙 户 3 二 璐 Ž 层 卜妇7 习 P扭 . 口 二 1 a = O 9 又叼更自 J a = 2 、 0 1 。 0 5 入乎 争 , 0 n . S M Pa ’ 翠 50 图7 口= 5 4 , 一 a 1 ( )气飞 2 0 一之 m m u , x l苦, x “3 1 0 ‘Z m m 一 时 的 逐级加荷 剪切 位移 曲 线 图8 一 两种 加 锚 节 理面 剪 切 位移 曲 线 之 对 比( a 二 吐5 . , a = 2 . 9 3 M P, ) 一 气 下 学 程 1 9 8 8 叮F 报 . S M Pa 图9 对 比 (a 二 嫂5 3 在 屈服 . “ 90 5 内 . 。 “ 。 . ” 03 对 比( a ” 4 5 . 0 S M Pa ) . a = “ , 随 着 a 的减 小 , 当 口 在 3 0 ~ 90 。 。 切 向 刚 度 减小 , 。 。 范围 内变 动 时 , 。 加 锚 节 理 面 发 生 屈 服 时 的 剪 切 位移量 u Y 大 致 是 在 0 05 ~ o 1 5 m m 范 围 之 , . ” “ , 为 了 便于 推 广 到 原 型 。 a 二 1 S M Pa ) , 前 区 的切 向 刚度 与锚 杆 倾 角有关 时 的切 向 刚 度 最 大 试 验表 明 001 ~ 0 一 两种 加 错 节 理 面 剪 切 位 移 曲 线 之 ” . = 。 ” 前 区 加 锚 节理 面 的 切 向 刚度 高 于 未 加锚 固 的 节 理面 的切 向 刚 度 4 加 锚节 理面 屈 服 a 图 10 一 两 种加 锚 节 理面 剪 切 位 移 曲线 之 9 旧。 一 采用 归 一 化 值 。 “ . 屈 服 时 的 剪切 位 移 与 锚 杆 直径 之 比 。 Y / d 约 为 ” 。 卜 」 dg‘ Q 斗 - ‘ 1州 几 艺 攀 肺 沪 . … 厂 曰 目 八 门 . _ _ · 月 0 1 4 才八 山 共 : 2 a 二 : . . ‘ 31 月 二) 声一 一 泳 . 9 3 入仲 a 一 有 锚杆 卯9 入1 1) a a 二 。 9 00 - 一 无 锚扣 - 一一一一一- ~ 二一一一 50 l es , - 一 一」川 . . ~ ( 一 , 11 , 图n 六 a a 0 3 一 有 锚 杆与 无 锚 杆 节 理 面 的 剪 切 位 移 曲线 加 锚 节 理 面 抗 剪 强 度 特 性与 锚 杆倾 角 的关 系 角不 同 时加 锚 节理 面 的 抗 剪强 度 线 如图 12 所示 同 一 图上 = 、 “ 。 在我 们 的试 验 条 件 下 的 结 果 基 本相 同 , , 当a 它 们 都比 a 0 6 = = 5 4 ” 。 实 验表 明 , a 时 的抗 剪力 。 无 锚 杆 加 固 的 节 理 面 的强度 线 并 列 在 , 时 剪 切 强 度最 高 为小 图 13 给 出 了锚 杆 倾 角 与抗 剪力 比 值 F a / F 凡 为 倾 角等 于 l l l们 f ) 〔 : (j 。。 。 。 。 a 二 5 4 “ 时次 之 。 无 锚 杆节 理 面 的 抗剪 强度 最 低 的 关 系 图 中F 。 。。。 代表 。 二 0 9 。 。 二 0 9 “ 和 。 时的抗 剪 力 , 。 法 向应 力 愈高则 锚杆 倾角的 影 响愈 小 。 但 不 论 法 向应 力 为 何值 , 在 我们 的试 慈 : 1 期 葛修 润 等 加 锚节 理面抗 剪 性能研 究 . 5 、甲F 孟t 己! . f ) M Pa M PJ f) 入fl) d 图1 2 , 验条 件下 当 a “ 为6 0 左右 时 抗 剪性能 增 强 效应 最 大 通常 可 以 认 为 的加 固 图” 加锚 节理 面的 抗剪 强 度 比 较适 宜 的 锚 杆安 装 角 可 以 在 4 5 , 加锚 节 理面抗 剪 强度 与 锚杆倾 角 的 关 盆 。 。 “ 一7 5 范 围 内选 择 工 而且 比 在 垂 直 滑 动面 方 向上 施加 锚杆 更 能 发 挥 加 锚 面 的 抗剪 能 力 (图 的 洞 壁 岩 体 的加 固 也 可采 用 类 似 的 原 则 (图 14 ( b ) ) 是 主 要的 、 例如 可 以 根 据 滑 面 的 倾 角 采 用 水 平 向 或 近 于 水 平 向的锚 杆 加 固 是 适 宜 的 , 1 4 ( C )) 。 , 。 14( a 对 于滑 坡 体 , 。 这 不 仅便 于施 )) 。 对地下 洞 室 对 于 层状 岩 石 如 果 阻 止 层 面之 间 的 离层 或者是 沿层 面 间 的 滑 移方 向不 好 确 定 时 则 在 垂直 层面方 向上 施 锚 也 是适 宜 的 (图 , 。 图 12 中对 应于 不 同 a 角 的 库 仑 强 度 线 虽 然 并 不完 全 平行 ‘ 节理 面 抗剪 性 能 的增 强 作 用 近 似 地看 作 增加 了 粘 结 力 a 。 约为 0 1 5 ~ o Z o M P . . 而对 于 a 。 60 = 此 值 则 更大 ” 。 但为 了 简 化 起 见 也 可 将锚 杆 对 , 对于 a = 0 3 。, 5 及9 4 0 。 的情 况此 值 。 。 气 匆 ” 帕 三九粗 炭_ J 三 (e ) 图14 七 、 加锚 节 理 面 的强 度 一 位移 特 性 图 15 给 出了 剪 切位 移分 别 为 。 05 . 于 剪 坏 时 的 剪切 强 度 线 D 屈 服 强度线 。 , C 施 锚方 向示意 图 , B , A , 0 1 和0 2 m m . , 。 . 以 及 剪 切 位移 在 0 4 ~ l m m 的各 试 件近 . 相 应 于0 5 0 m m 剪 切 位 移 的 剪 切 强 度线 D 基 本 上 就 是 这 四 条 强度 线 明 显 地 反 映 了剪 切 强 度 随 剪 切 位 移 而 增长 的趋 势 上 述 情 况 是 指 从 一组试 件 的 试 验 中 得 出 的 强 度线 而 言 试验 , . 。 但是 对 于 同 一 个 试 件 的 逐级 加 荷 则 随 着剪 切位 移 的不 断 增 长 其 强 度增 长 率 有 下 降 的趋 势 长经 过 较长 距 离 的磨 剪 , 剪 切 面将 变得 更 为 光滑 , 。 磨 擦 角 减小 。 这是 因 为 随 着 剪切 位 移之 增 。 图 16 给 出 了 第 2 0 号试 件 具 ) 汀“ 土 岩 工 程 19 8 8 年 报 学 有 人工 凿 毛 的节理 面 )经 逐级 加 荷 和 剪切 后逐 步 接近 于 光 面 的 抗 剪 强 度 线 “ ” 试 件 进 行 单 块 法 试 验 时得 到 的抗 剪 强 度一 般 说 来 是偏 低 的 方法 对 一 组 试件 进 行 单 次剪 切 所 得的 摩擦 系数为 小 , 。 特 别是 摩 擦 系数 较由常 规试 验 。 (人 工 凿毛 剪 切面 ) 了 了 t 丁 0 4 一 M D I 沁 一一一 3 B l 。 . 0 。 0 . 0 。 16 40 10 · + 0 + O 。 74 0 + 0 0 + . 84 . . , 由此 可 见 用 单 个 角 ” 口 。 57 . 片 份厅 光 滑 剪切 面 ) 刀 C B 7 0 0 3 1 卜0 口 鸯 J 2 . 0 协 2 。 0 ( 人 工 凿 毛剪 切 面 ) 淤 加 载剪 切 试 验 。 3 0 . 口, a 图 15 = 90 0 。 7 ( 图 16 时 的 剪 切 强 度 与 剪 切 位 移关 系 八 、 3 硬 ) M Pa a = 90 . 。 D M 户拢 时的 逐 级加 荷 的 剪 切 特性 关于 锚杆 变 形 问 题 加 锚 节 理面 抗剪 强 度 特 性之 增 强 是 以 锚 杆 在 剪切 过程 中 发 生 变 形 为前 提 的 我 们 对 已 进行 过试 验 的试 件进行 剖 析 这 种模 拟 锚 杆 的 变 形 情 况 见 图 1 7 裹1 试 , , 取 出钢 筋 量 测 结果 见 表 1 , 。 对它 自身 的 剪 切 变 形 情 况进 行量 测 。 。 摸 拟 试 件 猫 杆 变 形 特 征 表 号 件 1描 杆 倾 角 ! 节 理面 ) o ( a h 1 ! 逐 级加 荷 后 的 { … ”。 … … { { … 光面 … 光面 { 光面 … 光面 1 粗 “面 … 6。 ‘5 3“ ”“ ds } 在取 出 钢筋 后发 现 h (m m ) … { ! 1 { 15 左右 15 左右 4 3 · 4 · 5 · 。 ; · 1 4 · 15 ! … 粗 糙面 , 位移 寸 黔 … { 累 . 。 , 只 是 在 靠近 节理面 的部 分 有 破 坏现 象 近 的区 段 。 埋 设 钢 筋 的 圆 孔 在 节 理面附近 已 成 椭 圆状 度 占 约 为 15 ~ 2 m m , 即 为钢 筋直 径 的 3 ~ 4 倍 。 界面 上 作 用 有很 大 的 挤 压应 力 , “ 围 内 发 生 剪切 变 形 的看 法显 然 是 不 合理 的 左右 15 左右 15 左右 ” 但 锚 杆 与 试 件 之 间 的联 接 仍然是 相 。 钢 筋 发 生 明 显 的 剪切 变 形 的区 段 的 长 垂 直高 度 h 约 为 直 径的 2 ~ 。 试 验表 明 , 3 倍 。 但 在 节 理 面 附近钢 筋 和 孔 壁 及胶 结 层 部分 胶 结料 和 孔 壁 被 挤 碎 。 左右 10 钢筋 的剪切 变 形 主 要发 生 在 位于 节 理面 附 钢 筋 与 孔 壁 的 相 互 作 用 和 变 形 问 题 是 相 当复 杂 的 , : 2 } 。 当 完好 的 15 左 右 I 。 虽然 经过 比 较 大 的 剪 切 位移 。 … … … … , 那 种 认 为 钢筋 仅在 节 理 面 厚 度范 杆体 将在 一个 相 当大 的 区 段 内 (约为 第1 期 钢 筋 直径 的 3 ~ 葛修 润 等 4 倍 的 区 段 内) 能 力 远 远大 于 抗 拉 能 力 , : 加锚 节理面抗 剪性 能 研究 发 生 明显 的 剪 切 变 形 。 由 于 孔 壁 材 料 以 及 胶结 材 料 的 抗 挤 压 所 以 挤 压破 碎 带 的 范 围 不 会 很大 的在 胶 结 材 料 中 的 环 向 破 裂 带 范 围 。 , 它 将 小 于 由于 杆 体 的 拉 伸 而 形 成 锚 杆与 孔 壁 的 相 互 作 用 模式 可 参 见 图 18 。 丫 户尹 / 了 礴 才一 图17 乙 。 : . 产 ’ 锚 杆 变 形示意 图 、 飞 飞毛 的棋 紧 轴 向荷载 图 18 九 . _ 二 、 锚 杆 与孔 壁 相 互 作 用示 意 图 (据文 献 〔5 为 加 锚 节理 面 锚杆抗 剪作 用 机 制 的 分析模 型 给 出这 一 分 析 模 型 ( 图 “ ” 1 的 目 的 是为 了探 讨 锚 杆 的 销 钉 作 用 机 制 9) 析 摸 型 主要 是 考虑 锚 杆 垂 直 节理 面 这 一 基本 情 况 设 杆 体 的 剪切 模量 为 ‘ , 段 的长 度为 乃 (由 于 是 垂 直 节 理 面 所以 占 = h ) 为 了 简化 、 , , 析 线状 , 、 (b ) 但这 可以 用 上 述 三 种 基本 情 况 加 以 衡 量 基于 杆 的 剪切 变 形 关 系式 , 、 其 平均 剪 应 力 为 下 ( 。 )所 示 ) 。 , 剪切 变形 在 占区 段 内 。 一般 说 来 。 图 9 模 拟加 锚 节 理面 抗 剪性 能 的 模型 理 论 。 截 面积 为 S 占 区 段 内 杆 体各 截 面上 的 平 均 剪 应 力 分 布与 杆 体 和 孔 壁 的 接 触 条 件有 关 a 采 用 三 种不 同 的分 布 形 态 (如 图 19 ( ) 这 一分 “ 下 面 的相对 剪切 位 移 量 为 杆体 直 径 为 d 。 杆体最 大 剪 应 力应 发 生 在 与 节 理面 相一 致 的 截 面上 , , 。 杆 体 对应 于 节 理 面上 , 。 。 为 了 简化 分 , 其分 布情 况 呈 曲 通过 推 导 , 可得 出 如下 岩 _ 一 “ . A ~ _ 口 二 刃一 一 — ‘ A 工 学 程 198 8年 报 、 (3 ) U . 行 式中 土 。 与杆 体截面 形 状 有关 的 剪切 系数 对于 圆截面 实心 杆体 — 口 杆体 内剪应 力 分 布形 状 系数 对 于图 所 示 的 —( 形分 布 刀 4 , Z 足= 一 不 O 19 a ) : 1 = _ ( b )形 分 布 : 口= : ‘“ ’ 形分布 - - 3 1 任 ”= 于 对 于其 他 的 凸形 分布 形 式 1 簇 刀镇 : 廿 根 据 公 式 ( 3 )我 们 可 以 对 锚 杆 的 抗 剪 作 用 机制 作 如 下 分 析 : 沿节 理 面 方 向 的 截 面 上 的最 大 剪 应 力 达 ," 、一 r 一 ” T 0 † 邑 目 到 屈 服 值 时 的 位移 值 记 为 : r 入 队 岁 曰 应 力 值为 : . , 斯 屈 服 准则 式中 , . ( 4 ) A 可采 用 米 塞 , 得到 一 3 刀 刀。 = 模 拟 加 锚 节 理 面 抗 剪性 能 的模 型 口, r 对 于 圆截 面 实 心 钢 质杆 体 (e ) 二习子 一 图 19 = 截 面 上 的 最大 : 可 按 下 式计算 r , (b) 。。 侧 a y . ( 5 ) 占 G 杆 体材 料 单轴 拉 伸 时 的屈 服 强 度 — 现在 将实 验 情 况进 行 验 算 d= 4 d 从 实 验 资 料取 , a , = 2 50 M Pa 0 /d 澎 0 0 u 1 06 . 可求 得 。 u 。= = o . 02 m m 33m m , 取图 1 9 ( a / d 二0 0066 ; u。 若采 用 图 19 的 ( b ) 形 或 ( 。 . , ) 形 分布 时 的刀= 1 0 G . 。 若取 a, = 8 7 0 0 0 M Pa , 则 = 4 0 0 M P a , 则求 得 u 。 = o ) 形 分 布 则 。 将 小 于上 述 计 算值 对于 o5 3 m m ; . 。 。 由此 可 见 对 于 拉 伸 屈 服 值 为 2 5 0 ~ 40 O M P 的 锚 杆 当 剪切 位 移达 到 锚 杆直 径 的 1 / 1 50 ~ a , / 10 0 时 1 杆 体 内的最 大 剪应 力 即 已达 到 屈 服值 , 强 度 愈高 , 则 物值 大 , 。 这 与实 验 中 得 到 的 观测 值 基本 吻 合 。 锚杆 。 通 过 上 述 的 理论 探 讨 并结 合实 验结果 的 分析 可 以 认为 1 . 从 各 组 试 验 的 剪 切 位 移 曲线 看 “ ” 锚 节理 面呈 现 屈 服 性 状 之 前 , , “ 屈 服 点大 致 在0 0 5 一0 . ” . 1 5 m m 的范 围 内 锚 杆 的 剪 应 力 就 已 经 处 于 屈 服 的临界状 态 了 加 锚 节理 面 剪 切 位 移 曲线 近 于线 性增 长的 区 段 。 ” 锚 杆就 已 经 在 充 分 发 挥 销 钉 作 用 ” 为 只有经 过 较大 的 剪 切 错 动 后才 能 发 挥 锚 杆 销 钉 作 用 的 说 法 不 一定 是 合适 的 2 加 锚 节 理面过 屈 服 点后有 形 似 强 化 的 阶 段 “ ” 材 料 处于 受 剪 而呈 现加 工 硬化 的 缘故 , 。 , 在 那种 认 。 可 能 是杆 件轴 向拉 力 进 一步 增长 和杆体 。 a 3 对于 拉 伸 屈 服强 度 为2 5 0 M P 左 右 的锚 杆 . 因此 在 加 换句 话 说 “ , “ . 。 , 当处 于 塑 性极 限 状 态 时 , 仅锚 杆 的 销 钉 作 a 用 ( 不 计 锚杆 轴 力 引 起 的 抗 剪 阻 力 ) 可 为 冲 = 1 / 2 0 0 0 的加 锚 节理面 提供 约 为 。 1 0 ~ 。 15 M P . “ 的 粘 结力 ”。 如 锚 杆 的强度 高 , 则 其 增 强 效 应 就 更 为显著 。 由 此可 见 , “ . ” 仅 销 钉 作用 这 一 增 第1 期 强 效应 葛 修润 等 : 对 于 改 善 岩 体 工程 中 的弱 面 性能 已 起 到 明 显 的加 固作 用 , 根 据前 述 的 一 些研究 结果 可 以 看 出 剪 的 向题是 必须要 考 虑 的 础 。 特别 是 用 锚 杆加 固 节理 岩体 时 杆 模 型 来模 拟锚 杆 作 用 外 也可 采 用 另 一 途 径 。 、 杆材 性 质 十 就 一些 文献看 ” 在 有 限 元分 析 中除 了用 特定 的适 宜 的锚 。 合 理 的最 佳安 装 角的 估 算公 式 该 小 于9 0 式 。。 、 、 对 于 加锚 节理 面 的 , ‘ 胶 结情 况 等 因 素后 对 节理 面 的 。 a 比 较 流行 的 是 取 0 9 = 。 , , 因此 其结 果也 各 不 相 同 (图 2 0 ) , 的 估 算 锚 杆最 佳安 装 角 的 公 式 不 仅 在 理论 上 有 意 义 击 西J 取 极值 = ~ 面 , 。 也缺 乏 一 种 但 这 并不 是最 佳 的 安 装 角 但也 有人 认 为 倾 角愈 小则 抗剪 能力 愈 强 国 外发 表 的 一些 实验结 果 本文 的 公 式 ( 1 ) 对 倾 角 值 值 予 以适 当 的 提 高 。 , a c 锚 杆 的最 佳 安 装 角 问题 杆材性 质 以 及节理 面性 质 各 不 相 同 , 例如 关 于 锚 杆 的 最佳 安装 角 (倾 角 ) 目前 并 没 有统 一 的 认识 一 “} , 锚杆 本 身受 即 不 模 拟 每根 具体 的 锚杆 而 只 是 将 施加 锚 杆 后 , 得到 改 善 的 节理面和 岩 体 的新 的 力 学 性 能反 映 到 计 算 中去 可 以 在考 虑 到 锚 杆 的 密 度 , 上 述 的 一 些研 究 结 果为 研 究 新 的锚杆 模 型 提 供 了 实验 和 理 论 基 有 关有 限 元 中 的 锚 杆 单 元 模 型我 们 将 另 文 叙 述 , 。 目前 在 有 限 元分 析 中 所 采 用 的 二 结 点或 三结 点轴 力 , 式杆 件元 用 以模 拟锚 杆 的作 法并 不 是 很适 宜 的 。 17 加 锚 节理面 抗 剪 性能研 究 。 , 它应 由 于 锚杆型 看 来研 究一 种合 理 对 于 工程 向题也 有 实 用 价值 , , 。 我们 基 于 : 奥粤 - 口蓄卜: 口a 十 口口 dr b 二 丁 一 , 一 百丁 (6 ) 一 一 o , : 的 估 算 公 式 如下 : 经 整理 后 可 得到 最 佳安 装 角a a , 。 = f (; 。 o , 功) = t g a 。, : ‘+ 一, q 卜 tg a 卜一 r b 价 (7 ) tg 价 此公 式 表 明 锚杆 的最 佳 安 装角不 仅 与 节理 面 自 身 的 摩擦 角有 关 力剪应 力 值有 着密 切 的 关 系 的力学 性能 过 施 锚 的重 要作 用 之 一 。 对 节理面 施 锚 的 目的 是 为 了 改善 节理面 是为 了 限 制 节 理面 发 生 过 大 的 剪切 错 动 , 杆 体在 节理 面 发 生较小 的 剪切 位 移时 即已 进 入 屈 服 状态 , 。 的一 般 计算公 式 ( 7 ) 并采 用 米 塞 斯 屈 服准 则 前面 已 经 论述 。 , 同时 在 因 此可 以 利 用 最佳 安 装角 可 以 得 出 考虑 杆体 处 于 屈 服 状 态时 的最 佳安 装 : 一: 根 据 实 验结果 f ( 功) = 装 角 中以 a = tg 1 + 侧 3 tg o a , : , 未 施锚 的 节理面 的 t g 砂等 于 o 73 = 我 们 曾经进 行 了 四 组实 验 的 , 。 只 有考 虑 到 这 一 特点 设计 锚杆安 装角 时 还考 虑 到 杆体 处 于屈 服 状 态 的 计 算 才 是合 理 的 角公 式 而 且与 锚杆 内 的 轴向 应 。 锚 杆 的应 力 随着加 锚节 理 面 的 工作 状 态而 变动 。 , , g t 记3 一 其 a 角分 别 为 3 0 6 。 时 的 抗 剪强 度最 高 。 , 功 (8 ) 功 。 , 将此 值代 人 式 ( 8 ) 。 , 5 4 。, 60 。 和 90 。 o 这 与根 据 公 式 ( 8 ) 求得 的 a o , 得到 a , . = “ 。 。 实 验结 果表 明在 这 四组 安 , : l 6 = 。 的 结 果 是很 吻 合 。 由公 式 ( 8 )可 以 看 出 节理 面 的 摩擦 角愈 小 则 a 角愈 小 , , 杆安装 角在 任 何 情 况下 都 不 应小 于 30 。 。 。 o 当 功“ o 时 a 当 节 理 面 的 堆 擦系 数 大 时 。 , 则 a , , : = 角 也大 , 30 。 所以 锚 例如 当功 18 二 60 。 时 。 a , 90 。。 二 工 胜 岩 1 9 忘8 年 报 。 而 大 于 ” 的安 装 角 一般 说 来 是 不 可 取 的 ~ — ~ 一 1 id J S _ _ 位 宁 图20 - 〔 a a s Bz 1乞 }8 1 ) 咬1 9 7 6 ) l, 。 m (工, 丁生) , 气 s te p n a n s s o n 一 ~ _ 下l o b in o 一 e t 。 。 , , 、 a l 、 二u o i 尹 . ( G la 冬穷 F jb r e s te p h a 列 (s p lit · . 一 学 。 。 。 一 H 一 一 u r F 程 . (D o w e l H o b in o e t (N o D 咬) w e 一 (b ) 关 于 锚 杆 倾 角 与 强 度 关 系 的 一 些 试 验 结 果 (据 文 献 仁1 劝 。 在 考虑 锚 杆 在 受 剪 时 达到 屈 服 状 态 的 前 提 下 可 以 给 出估 算 a a 。, , = — 当 必> 当然 “ + 60 。 (9 ) 的取 值 为 9 0 , : 0 时a 在 工 程 实 践 中确 定 锚 杆 安 装 角时 , 功毛 6 0 , 。 。 。 可 以 在 上 述 最 佳安 装 角 估 算 值 的 左 右 变 动 , 为 在 施 工 中还 需 考虑 到 具体工 程条 件 及施工 难 易 程 度 等 因 素 虑 前述 的最 佳 安 装 角 的 基 础 上 程 师 对 本 研 究工 作 给予 了很 大 的 帮助 ; PP 1 。 [ 2 〕 一3 2 特在 此 一 并 深 表谢 意 , H p p 33 。 一46 〔3 〕 工 u d v ig 仁4 〕 B a r 亡o n 19 83 , , . 少 订 . , ss & O lo f o n S he a r , 一 , V . W R o e k B o lt呈n g 〔注 〕 “ in . , ”, T , T eo ts & B a k hto r K P P 3 67一 3 7 6 [ 5 〕 S n y d er “ B . , n g R o e k B o lt 三 , 因 比 较 合 适 的方法 是 在 考 文 考 T l i eo r y一 A 、 、 、 徐一 凡 、 i、 唐 己 。 献 K e vn o te . , R o e k B o lt s o n . , B o lt A e t 呈。且 gn B o lt D e : 宜 , n 呈 “ L ee tu r e R o e k B o lt i n g ” , “ Ba o ed Ro ek Jo ; n t e d R o ek o n 19 53 , , B o lt in g ” , “ R o ek 198 3 , p p , S tr e n g t h S he a r , B o lt in g . “ 1 13 ” 一12 3 1 98 3 , . R o e k B o l t in g ”, . A n a ly , i, 1 98 3 , p p f B ea m 18 7 一 19 4 o . u : in g F u lly G r o u ted R oof B o lts . R o e k B o lt sn g ” 系 国 际会议文 集 S y 扭 p o , 王u m R o e k B o lt in g o n B u sld in g , 全称 是 , 19 83 , : 。 成 勘 院 内 杜开武 工 程 师 和 楼 叔 英 工 . L a rss o n , . . 因此 , 本所 中心试 验室吴 玉 山 林 卓英 谢 开容 潘 汉洪 参 C 。 、 关 玲 刑 等 同志 大力协 助完 成 了 试 验任务 , 。 , 因 地 制宜 地 根 据 工 程 实 际 情 况 来 确 定 最 合 适 的 锚 杆安 装 角 , 木 研 究 工 作 得到 水利 电力 部 成都 勘测设 计 院的 支持 和 财政 资 助 er r a r d 〔1 」 G : 功 节 理 面 的 摩擦 角 (以 度表 示 ) 价 式中 30 的 简便 公 式 , , p r o e e o d in g o S t o e k ho l m , o f th o In t e r n a t io n a l A A B a lk e m a 1 9 8 4 . . , . , 第1 期 葛修 润 等 S tu d y o n t he : 加锚 节 理 面抗 剪 性能 研 究 h e a r R e , i, ta n c e B e h a v io u r : G e X iu r “n , ( In s t it u te f B o lte d R o e k Jo in t : L f肠 J ia n 功“ R o e k a n d 5 0 11 M e e h a n ies o f o 了终 A e a d e m ia S in ie a , w u 五a n ) , A b s tr a c t i e G r o u te d Tl B e : id e : re ia l a d n tl ie b il he a r f a n e : u e h o ra g e, re s呈 : ta n e e 星血 Pr o v e : t 五e the i l o n tl ie e 过p h a , i, b a : 15 o o th 5 1也 p a s i: w id e a o ty p e a f o n ted f jo 呈 p p l三e a t 呈o n a ty li e 王 dl i n w e “ k p la n e 三 o n g th s tr en io v e l k b o lt : a d v a n to g e , it 了 o s ro e ro o o ro e t r 住 e t io n , eo n : iv e r o e e: o k b l k m a, : e s b e h a v io u r o f b o lte d jo 呈n ts t 五e 扭e e h a n ls 扭 o f t 五e b o lt : , fr o 也 d 呈 lo e a t 呈n g o f b o lt e d ro e i, e o : e r e l lr a n d k jo in t 3 T h e t e s t : 五a v e s h o w n t h a t t h e , h e a r d i : p la e e 扭e n t , i a v e 三n d i e a t e d t h a t t 五e l “ ee o f v er y , ho a r r e: In t h 笼, b o lt e d : 夕 d o w el a n a ly : 1: ro e k jo 呈n t : a r e o f the 也 o d e l: , b o lt In e lin a t i o n 呈5 d e : iv e d t he eo n fo r m a b le 5 i t iv e ro t五e o le in th e t e s t g u id in g s o p i n io n r esu th e f b o lt e le m e n t s e 伽d l to eo lts ff e f do w e l 口e d u r a b i li t 了 th e an ee: , h 15 th e o : e v id e n tl 了 r e fle e t e d , tr en g th ro e k jo in ts th e o r e t i e a l e 丫e n a n a f w hi e h T h e r e fo r e it n t e p re 王 五 ros u lts 扭e t h o d , fo r d e : e r i p t io n o th e e a l e u la t i公 9 e u rre n t , u g g e , te d . . the o p t , s . f i皿u m f r m o la 呈: e n t 王r e ly o fo r 扭t la w i ll p la 了 a p o A l, o - th。 t e s t in g t h a t th is 肠 r b o lt, o n the n e bta 三 d w i t h t h is s e e 也: th e la 扣 u t fo r t五e f u r th e r i 迸p r o v e 扭 en t i , o l升 e s in lu e a ly : i , , r e s is ta n e e hoa r f b o lt e d : 王 fu ll y d e v e lo p e d v a in 五e n e e d u e ted eo n h a, T he i n flu e n e e o f t h e b o lt i n e l王n a t io n . a n d t en s i o n a n d tl i e sh ea r 呈皿。 ta l a n d e工 p e r fo r m u la o f r u s ed h , f fe e t t o p r e v e n t th e jo i n t s he a r : t r e n g t h d t he r e b y 咖 ly o n e v a lu a t i n g a n o f t jo 觉n t : r es ear e b o lt s a n a o l d o v e lo p e d t h e o : e t ie a l . n jo in t : : 了 en d d e , ig n 址 n 娜 t e e t呈 ve , a n p r es en te d B ot h s ffe c t o f t h e b o lt: 皿 a ll : h e a r d is P la e e is ta n e e b e h a v i o u r p a p er , e 夕 . 尸 , d e r i 丫 e d fo r . la t e d t o s i m p r o v e d fo r 皿u la a n eo : t h e o r e t ie a l t e s t, , la id u p o n t h e i n flu e n e e b e on lo w . . , . ts e i k 边a : : e s w 呈t l f la b o r a t o r y s 呈也u la t i o n f w l i ie l i h 跳, f 妙 。 血e e h a n ie a l e n g i n e e r 玉n g 呈n t h e n g : 五o r t e o 扭 丈 n 呈 - t五e 5 a re F E M a n a ly , 呈 d is e o s : e d o n d