【導(dǎo)讀】*,Stillb. Abstract. 1.Introduction

　　

【正文】 監(jiān)測、實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)、數(shù)字模擬和研究分析來獲得。 自從 20 世紀(jì) 70 年代來，在不同的巖石地層中進(jìn)行了大量的錨桿現(xiàn)場監(jiān)測的研究工作。一個(gè)自由人士在 Kielder 的試驗(yàn)巷道中，進(jìn)行了大量關(guān)于注漿錨桿特性的研 究工作。他監(jiān)測了錨桿的加載過程和應(yīng)力沿錨桿的分布情況。在他所監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，他提出了關(guān)于“傳感長度”、“錨固長度”、“中性點(diǎn)”的概念。在中性點(diǎn)上，錨桿和注漿之間的接觸面上的剪切應(yīng)力為零，然而在該點(diǎn)其軸向載荷的張力是一個(gè)峰值。傳感長度指的是從接近錨桿末端的地方（在巷道壁上）到中性點(diǎn)的一段距離。在錨桿這部分是其剪切應(yīng)力來自于巖石的載荷，并把錨桿向巷道方向進(jìn)行拖拉。錨固長度指的是從錨桿的中性點(diǎn)到錨桿深處（固定在巖石深度）的一部分錨桿。在這部分上的剪切應(yīng)力將錨桿錨固在巖石上。以上這些概念清楚的指出了安裝在已變形巖 層中的錨桿的作用變化過程。 Bjornfot 和 Stephansson的研究工作證明，在已有節(jié)理的巖體中，由于單個(gè)節(jié)理的由自變形，在沿錨桿的方向上可能不僅存在一個(gè)中性點(diǎn)而且有可能存在多個(gè)中性點(diǎn)。 錨桿的拉斷試驗(yàn)通常用來監(jiān)測錨桿的錨固能力，在不同種類的巖石中已經(jīng)進(jìn)行了大量的這種拉斷試驗(yàn)工作測試。一著名人士進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)工作來研究在拉力負(fù)荷的張力作用下錨桿的作用變化過程。他的解析方法指出：在錨桿發(fā)生耦合以前，錨桿的軸向應(yīng)力（也可能是錨桿接觸表面上的剪切應(yīng)力）從加載點(diǎn)到錨桿的深處呈指數(shù)減小的趨勢(shì)。圖 1（ a）說明了這 種典型拉斷試驗(yàn)的結(jié)果，曲線 a表示的是在相對(duì)較低的載荷情況下，沿錨桿方向軸向應(yīng)力的分布情況，在這個(gè)圖中可以看出，在錨桿錨固界面的兩則，其變形是相等的。曲線 b 表示的是在相對(duì)較高的載荷下，沿錨桿方向軸向應(yīng)力的分布，在此圖上，錨桿接觸面上已經(jīng)發(fā)生了耦合作用。圖 1（ b）表示的是安裝在地下煤礦的主水平巷中的錨桿上的軸向應(yīng)力分布情況。我們可以從這個(gè)圖上看出，在接近鉆孔口附近的軸向應(yīng)力分布情況與在拉斷試驗(yàn)中的分布情況完全不同。然而，錨桿深處階段部分的的應(yīng)力變化與拉斷試驗(yàn)中的結(jié)果相似。出現(xiàn)這種情況的原因是，在軟巖中的錨桿有傳 感長度和錨固長度，然而在拉斷試驗(yàn)中的錨桿僅有錨固長度。 距鉆孔口的距離 (cm )錨桿的軸向應(yīng)力（MPa）5耦合階段51015(a)15 25ab距鉆孔口的距離 (cm )50軸向應(yīng)力(MPa)50150100200( b )200 圖 1 在拉斷試驗(yàn)中，（ a）軸向應(yīng)力沿在 Hawkes 和 Evans 之后的全錨固錨桿 和 (b)Sun 之后的加固錨桿的分布 我們認(rèn)為在錨桿中性點(diǎn)上，巖石和錨桿之間的相對(duì)移動(dòng)為零。在陶和陳的分析方法中，中性點(diǎn)的位置僅僅取決于巷道的半徑和錨桿的長度。這種解決方法完善了由 Kaiser 和 Hyett 發(fā)明的分析模型。這看起來好在像陶和陳的解決方法只有當(dāng)通過錨桿的界面點(diǎn)時(shí)，其變形量相互兼容時(shí)，才是有效的；當(dāng)發(fā)生耦合后，中性點(diǎn)的位置與接觸面的剪切應(yīng)力強(qiáng)度有明顯的關(guān)系?，F(xiàn)場監(jiān)測和拉斷實(shí)驗(yàn)都表明在軟巖中錨桿的載荷與兩個(gè)因素有一定的關(guān)系：（ 1）當(dāng)在錨桿的傳感段施加一定的載荷時(shí)的巖石變形量；（ 2）把錨固段拉向地下巷道壁面的傳感段的載荷。所以當(dāng)建立錨桿分 析的模型時(shí)，必須把這兩個(gè)因素考慮進(jìn)去。 本論文的主要目的是建立一個(gè)耦合錨桿的分析模型。首先介紹的是一個(gè)在錨桿拉斷實(shí)驗(yàn)中的錨桿模型，并且對(duì)其理論背景，模型的建立過程和說明的例子進(jìn)行一下描述。然后說明兩種在軟巖中的錨桿的分析模型，一種是在均勻變形的巖體中，一種是在節(jié)理的巖體中。 錨桿和巖石的聯(lián)結(jié) Windsor 指出錨桿的加固系統(tǒng)包含四個(gè)基本元件的概念：巖石、錨固構(gòu)件、內(nèi)部固定物和外部固定物。用錨桿進(jìn)行加固圍巖時(shí)，錨固構(gòu)件是指錨桿；外部固定物是指錨桿托盤和螺冒。內(nèi)部固定物是下面介質(zhì)的兩者或兩者之一，例如錨注錨桿的 水泥灰漿或樹脂，或者是機(jī)械力學(xué)作用如摩擦式錨桿接觸面上的摩擦力。內(nèi)部固定物在錨桿的接觸面上起到一種聯(lián)結(jié)作用。由于上面所提到的內(nèi)部固定物的構(gòu)成不同， Windsor 把目前的加固設(shè)施分為了三大類：“連續(xù)機(jī)械聯(lián)結(jié)（ CMC）”，“連續(xù)摩擦聯(lián)結(jié)（ CFC）”，“非連續(xù)機(jī)械或者摩擦聯(lián)結(jié)（ DMFC）”系統(tǒng)。通過這個(gè)分類，水泥赤漿和樹脂錨固錨桿屬于連續(xù)機(jī)械聯(lián)結(jié)系統(tǒng)，而斯普利特（管縫）錨桿和斯韋萊克斯水脹錨桿屬于連續(xù)摩擦式系統(tǒng)。 當(dāng)全長錨固錨桿受到拉力載荷的作用時(shí)，在注漿的接觸面、注漿介質(zhì)或是在注漿巖石的接觸面上有可能會(huì)發(fā)生失效 ，這取決于它們之中那一個(gè)更加軟弱。然而對(duì)于摩擦式錨桿，這里只有一種失效的可能性，即是發(fā)生在錨桿與巖石的耦合接觸面上。在這項(xiàng)研究中，我們僅專注于錨桿與聯(lián)結(jié)介質(zhì)（或者是注漿介質(zhì)或者是巖石）之間的耦合失效。 通常，接觸面的剪切應(yīng)力強(qiáng)度包含三個(gè)方面的因素：粘附力、機(jī)械聯(lián)結(jié)和摩擦。這些因素常在順序上被忽視如錨桿的接觸面的變形相等性被忽視等，結(jié)果使耦合面隨著距加載點(diǎn)距離的增大而逐漸的衰減。這個(gè)耦合面首先能加強(qiáng)粘附元件的強(qiáng)度，然后就是機(jī)械聯(lián)結(jié)元件，最后是摩擦元件。在些過程中，他們的剪切強(qiáng)度將會(huì)減小。當(dāng)其中的一些強(qiáng)度元件失 效后，在本論文中，其剪切強(qiáng)度叫做殘余剪切強(qiáng)度。注漿錨桿如加固錨桿，其所有的三個(gè)強(qiáng)度元素均存在于錨桿的接觸面上。然而，摩擦式錨桿、斯普利特錨桿僅有一個(gè)摩擦強(qiáng)度成分存在于錨桿的接觸面上。斯韋萊克斯水脹錨桿中的機(jī)械聯(lián)結(jié)力和摩擦力構(gòu)成了其接觸面的強(qiáng)度。 錨桿拉斷試驗(yàn)的理論背景 結(jié)論 一個(gè)錨桿在拉斷試驗(yàn)中受到拉力作用的分析模型就這樣建立起來了，耦合作用發(fā)生在錨桿的加載位置處，并且隨著所加載荷的增加沿錨桿方向傳播。全錨固錨桿在耦合界面的剪切應(yīng)力小于最終接觸面上的剪應(yīng)力，甚至?xí)档偷搅恪Ｈ欢?，摩擦式錨桿在此面上的剪切應(yīng)力 大致和最終的剪應(yīng)力強(qiáng)度的大小相同。在沒有耦合部分的錨桿上，其前應(yīng)力隨著距耦合界面的距離的增大而成指數(shù)方式減小。 在軟巖中建立了兩種錨桿的分析模型，一種是在均勻變形的巖石中，另一種是不連續(xù)的節(jié)理面中。在軟巖中的錨桿模型確定以先前的一個(gè)調(diào)查結(jié)果（ 1）在均勻變形的巖體中，錨桿有一個(gè)傳感長度，一個(gè)錨固長度和一個(gè)中性點(diǎn)；（ 2）錨桿托盤通過增加錨桿的軸向拉力載荷和降低錨桿表面的剪應(yīng)力來加固圍巖的效果；（ 3）在有節(jié)理的巖體中，巖石處的節(jié)理的自由變形將會(huì)降低錨桿軸向的應(yīng)力峰值。