非连续岩体锚杆抗剪“导轨作用”力学机制的研究

采用物理试验、三维数值模拟和数学力学分析，对非连续岩体锚杆的“导轨作用”效应和影响因素进行了研究。取得如下主要研究成果： （1）加锚非连续岩体模型均发生了明显的节理面分离现象，产生了锚杆“导轨作用”。在载荷作用下，锚杆剪切应变，岩块变形甚至破坏，锚杆局部弯曲成了 “S字形”，形成了 “导轨”。为非连续岩体中锚杆产生“导轨作用”创造了条件。锚杆的“导轨作用”的规律是，岩块的剪切位移外载越大，岩块间的最大分离值越大，岩块间的分离区域或面积也越大,其增长近似于开口向上的抛物线增长规律。 （2）加锚非连续岩体发生的“导轨作用”存在明显负面效应。一方面，随着剪切位移外载增大，最大分离位移也增大，其关系近似为开口向上的抛物线曲线。另一方面，随着岩块最大分离位移的增加，模型的总剪切力也增大，其关系近似为开口向下的抛物线变化，锚杆“导轨作用”效应增强，抗剪能力削弱。即“导轨作用”出现后，非连续岩体的抗剪能力增速迅速减小，锚杆“导轨作用”负面影响增大。 （3）锚杆直径、剪切载荷、非连续面粘结、摩擦系数、岩性、锚杆交角等，都不同程度地影响锚杆的“导轨作用”效应和岩体承载力。增加锚杆直径，节理面分离增大。非连续面粘结后，分离量减小明显；岩性越硬，锚杆轴向和横向应力就越大，岩块最大分离量越大。非连续岩体抗剪强度受到岩性的影响最大，是最主要因素，其他因素的影响程度较小。其中，节理摩擦系数次之，剪切量较小时，锚杆直径的影响程度大于交角，当剪切量较大时，交角的影响程度大于锚杆直径。 （4）锚杆群与单锚杆有基本相同的锚杆“导轨作用”效应，但是不同直径锚杆的布置对锚杆“导轨作用”效应和岩体承载力有明显影响。粗锚杆在加载侧时，岩块最大分离量最小，锚杆“导轨作用”最不明显。两根细锚杆布置时，岩块最大分离量最大，“导轨作用”最明显。当岩石强度较高时，单根锚杆的“导轨作用”大于群锚杆情况；当剪切外载大时，岩块最大分离量大，“导轨作用”明显。 （5）物理试验、数值模拟和理论分析得到了关于锚杆“导轨作用”的一致的主要规律。 （6）可从锚杆参数和布置的设计、改变岩性和节理面特性，以及采取措施减小围岩外载等方面，来减小其所产生的锚杆对非连续岩体加固时的负面影响。 2100433B

在保障重大工程稳定性和安全、防灾减灾中，锚杆和锚索起着相当重要的作用，但锚固机理仍急需弄清。对锚杆在滑坡、深基坑和隧道等应用中的横向作用，国内外研究重点多在锚杆提高岩体强度上，并取得了显著成果，但对锚杆与非连续岩体相互作用的研究不多。申请人研究发现，加锚非连续岩体受到剪切时，锚杆与岩体相互作用，存在使岩块分离的力学现象，即导轨作用负面效应，这加深了对锚杆横向加固作用的认识。深入研究这一力学现象，弄清其对锚杆加固效果的影响，将有利于提高锚杆设计可靠性，克服使用经典观点和分析软件带来的问题，如锚杆强度不足、锚固力偏低等。所以，进一步开展锚杆抗剪作用力学机制研究，非常急需，意义重大。本项目拟通过多种手段，对锚杆导轨作用力学效应这一基础科学问题进行深入研究，弄清其产生的机理、条件和影响因素，以及对锚固作用、锚固结构失稳规律的影响等问题，为锚固结构的工程设计和安全评估提供基础理论支持。

岩体力学研究的核心内容，是定量预测和评价岩体的稳定性，岩体的改造和加固措施。它除了要研究岩体结构、岩体的基本特性、岩体所处的地质环境等因素以外,还要充分考虑工程因素,如工程规模、爆破、开挖程序和加固措施等的影响。岩体力学研究可大致归纳为9个方面：

岩体的结构型式岩体的地质特征,包括岩体的物质组成、岩体结构、岩体中的天然应力、岩体中水的状态以及岩体温度的研究； 岩体的物理与水理性质，包括空隙性、渗透性、膨胀性、崩解性以及溶蚀性的研究； 岩体的力学性质，包括岩体的变形和强度特性与测试方法，特别是不连续面力学效应和岩体结构力学效应的研究； 岩体的动力特性与测试方法的研究； 岩体的变形、破坏机制、本构关系与破坏判据的研究； 岩体的稳定性，包括地基、边坡与地下工程围岩变形、失稳的预测、评价的理论和技术途径的研究； 岩体性质改造和加固的研究； 模型模拟试验，包括室内模型模拟试验和原位岩体工程模拟试验技术、理论与应用的研究； 原型观测、施工监测、反分析，以及工程事故的分析与应用研究。

岩体摩擦本构关系的研究是地震孕震及板块滑动研究中的热点问题之一,但目前主要集中于滑动摩擦特性的揭示。本项目申请试图建立测试节理岩体动摩擦全过程中声发射和产热等物理力学特性的实验技术，即基于大口径的Hopkinson压杆（SHPB）试验装置研制多点声发射和多点红外测温系统，从而探索节理岩体从波致（wave-induced）摩擦到惯性摩擦到滑动摩擦这一动摩擦全过程中声频和热等信息的演化规律，由此建立由声频和热信息定量描述岩体粘滑转换的临界状态的方法。在此基础上，研究界面振动特性对摩擦强度的影响。该研究对于地震机制的认识、对于水利工程、矿山工程和隧道工程中的微地震和岩爆研究、对于工程物探等领域有着十分重要的实用意义。

由于结构面、非均质、非连续等影响其强度一般低于岩块强度 介于结构面与岩体强度之间

可细分为抗剪断强度、抗剪强度、抗切强度

抗剪断强度是指在任一法向应力作用下 横切结构面剪切破坏时岩体能抵抗的最大剪应力；在任一法向应力作用下，岩体沿已有破裂面剪切破坏时的最大剪应力称抗剪强度，实际为某结构面抗剪强度 ；抗切强度为剪切面上法向应力为零时的抗剪断强度。2100433B