考虑围岩扩容的锚杆支护效应分析.doc

考虑围岩扩容的锚杆支护效应分析 摘 要：隧道围岩非线性体积膨胀影响施工安全，如何正确评价隧道围岩塑性区域内扩容机制非常重要。将地下开挖中围岩的扩容用平均应变em表示。锚注支护是将锚喷支护与注浆加固有机结合的一种主动支护方法，根据其机理，将注浆锚杆简化为作用于围岩的一种体积力，并将注浆作用看作对围岩力学性能的改变，以此建立了锚注支护计算的力学模型。围岩变形产生剪应力的主要原因是锚杆和围岩之间的相对位移。分析结果表明锚杆长度L，扩容系数em，弹性模量Em，对锚杆的轴向应力和剪切应力及锚杆支护效应，扩容系数em对地层特征曲线的影响。 1 引言 在地下开挖中，如果应力超出岩体峰值强度，会导致围岩非线性的体积膨胀，而且这种膨胀是不可逆的，在岩体力学中称为扩容。在深部开采工程中，由于开挖卸载导致围岩的应力重分布产生的扩容现象是普遍存在的，因此，为了安全高效的深部岩体支护开挖设计，考虑岩体的扩容特点致关重要。试验结果表明，在低围压的作用下，软弱岩石呈脆性，表现出明显的塑性应变软化特性，应变软化阶段和残余阶段对围压有很强的敏感性；在高围压作用下，软弱岩石从脆性转为延性，岩石塑性应变软化特性逐渐减弱，岩石峰值强度与残余强度之间的差距逐渐缩小，逐渐表现出理想塑性特征。而锚杆的加入使围岩围压增大，围压的增大会使扩容量随之减弱。 锚杆支护围岩强度强化理论认为在围岩巷道中系统地布置锚杆后，可以提高围岩的整体强度，形成承载结构，改善围岩的应力状态，减少巷道表面的位移，控制围岩破碎区和塑性区的发展，从而保持巷道围岩的稳定性。锚杆支护围岩强度强化理论主要论述了锚杆对提高围岩峰值后强度和残余强度的作用，比较客观地揭示了锚杆在支护破碎围岩中的作用。 之前国内外许多学者考虑岩体的应变软化特性，用塑性剪切应变表示围岩软化参数，用岩体剪胀角表示围岩体积扩容。均得到了比较理想的成果。本文引入塑性体积应变系数em，并将锚杆界面的剪应力以体积力[9]的形式引入圆形隧道围岩中。2 基本模型与假设 2.1 基本力学模型 图 1 围岩弹塑性变形区域图 Fig.1 Sketch of rock mass elastic-plastic deformation zone 洞室开挖后力学模型如图1所示：①洞室开挖半径为，塑性区半径；②锚杆有效锚固长度为L，锚固区半径L0=L+r0③围岩原岩应力场为；④在围岩表面上的托盘支护阻力，通过锚杆端部预紧力传递。 ，分别表示隧道围岩的径向、切向应力；，分别表示隧道围岩的径向、切向应变。文中上角标为“e”，“p”，分别弹性区、塑性区的量。 基本假定：认为岩体为同性、均质连续介质，无限长圆形隧道可按轴对称平面应变问题处理；锚杆和灌浆锚固剂均处于弹性状态，锚杆与围岩完全粘结，不产生滑移；锚杆全部处于洞室塑性区内。 体积应变：在弹性范围内体积应变受弹性常数E和ν支配，当破坏时岩土就扩容（体积增大），应变则按塑性理论中有关塑性流动理论计算。 围岩扩容模型 岩石体积应变的变化规律也是反应岩石变形特征的重要方面，考虑塑性区体积扩容，假定塑性区扩容系数为，体积膨胀为正。根据弹性力学中的基本假定条件，塑性区体积应变有： (1) 几何方程： ，， (2) 平面应变本构方程： (3) 设塑性区半径为，塑性圈内的位移根据塑性圈变形协调，如图2 (4) 将上式展开，略去高阶微量后 化简得到塑性区位移的表达式： (5) em为扩容系数 0.1%-0.5%之间。 式中： (6) 式中：是弹性区位移；是塑性区位移，根据文献[]知： () 可得 (7) ；G是围岩介质剪切模量，，R的大小取决于破坏区的厚度： 若破坏区厚度较小。即时， 则有 若破坏区厚度较小。即时， 则有 根据文献[2]式中： (8) 锚杆剪应力模型 沿锚杆径向的剪应力是由于洞室开挖，围岩变形引起的。通过大量的拉拔试验[12-13]表明,围岩变形产生剪应力的根本原因是锚杆和围岩之间的相对位移。从测试结果可以看出，当接触面上没有滑移时，即锚杆与岩体完全粘结，剪应力与注浆体的相对位移成线性关系。为了简化分析，假定反作用力在杆件的有效范围内是均匀分布的， 注浆体和被支护体的性质相同。 图 5 锚杆受力图 Fig.5 Stress analysis of bolt 根据文献[14-15]如图5所示，取锚杆轴向微元段，荷载以图示向右为正。对锚杆微元进行受力分析，得到如下平衡方程： 地下隧道开挖后