断续节理岩体破裂演化特征与锚固控制机理研究

发布时间：2019-01-08 17:32

【摘要】：断续节理岩体的破裂演化及锚固控制是岩体力学与工程界研究的热点与难点问题之一,尽管现有的研究成果取得了许多进展,但仍存在大量难题未得到合理解决。本文结合国家自然科学基金项目(51074162,51179189),采用物理模型、数值计算、理论分析与现场验证等研究方法,深入系统地对断续节理岩体破裂演化特征及锚固控制机理这一科学问题进行了研究。主要研究成果与结论如下： (1)研制了大尺度(500mm×500mm×480mm)的三维岩体锚固模拟试验系统,该系统具有完备的加载、约束及量测功能,能够真实再现岩体试件的加载、变形及破坏的全过程,同时通过自行研制的高精度微型锚杆端部测力计及光纤光棚测力锚杆,可以实现在试验过程中对锚杆受力全过程进行实时监测；设计了多组节理的制作方法,并成功的制作了模具；研制了较为理想的模拟断续节理岩体的相似材料,具有组分简单、力学性能稳定、参数可调、无毒无污染、价格低廉等优点。 (2)通过对断续节理岩体的单轴压缩试验,获得了无锚断续节理岩体的破裂演化规律：峰值强度、极限应变和峰后0.7σc时的试件中部核心承载区宽度,均随节理倾角的增大先减小后增加；次生裂隙的起裂位置主要是试件的四周,且以张开型和拉剪型裂隙为主起裂应力随节理倾角呈线性增加关系；节理倾角为60°时的岩体单位体积破坏所消耗的能量最小,小于60°时,角度越小消耗的能量越大,反之则相反；节理倾角小于45°时,岩桥主要以张拉破坏和拉剪破坏为主,随着倾角的增大,岩桥发生剪切破坏的比例增加；低角度(0°≤α＜45°)节理岩体主要以拉伸或拉剪破坏为主,高角度(α≥45°)沿预制节理面剪切破坏。 (3)采用研制的试验系统,对不同倾角的断续节理岩体进行模拟试验研究,发现了锚固体的强度主要由岩体的强度、锚杆预紧力引起的初始等效约束应力(σ3i)以及锚杆变形过程中产生的等效约束应力(σ3b)所贡献的强度组成；建立了岩体峰值强度、残余强度与裂隙倾角、锚杆密度之间的函数关系式,并成功用于巷道工程设计,取得了良好的效果。σρ=4.543+1.412ρ-2.146ρ2+1.564ρ3-0.02146α-8.006×10-4α2+1.307×10-5α3σR=3.624+2.039ρ-2.263ρ2+1.499ρ3-0.005564α-1.41×10-4α2+2.267×10-6α3 (4)研究了锚固体的弹性模量、泊松效应及体积应变与加锚密度、预制节理倾角之间的关系：即弹性模量随加锚密度总体呈非线性增长；同一倾角情况下应力峰值时的广义泊松比与水平方向应变随锚杆密度增大而增大；岩体的强度峰值点与体积膨胀起始点并不完全一致,多数情况下岩体强度峰值滞后于体积应变峰值；锚杆可明显抑制剪切破坏的发生,但对拉伸破坏的抑制作用偏弱。 (5)分析了锚杆的受力演化及分布特征,揭示了全长锚固锚杆的群锚机理：低密度锚杆主要由杆体的中外段承载,自身受力和对围岩的约束力都存在明显的分布不均现象锚固体容易出现薄弱的关键部位,而高密度锚杆能充分调动杆体内锚段的承载性能,改善每根锚杆和围岩的受力状态。
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【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TU45

【参考文献】