錨固效應(yīng)長(zhǎng)程效應(yīng)研究現(xiàn)狀概述

摘要：節(jié)理裂隙的萌生、成核、擴(kuò)展直至貫通，是造成巖體失穩(wěn)、垮塌、滑坡的根本原因。錨桿加固技術(shù)，經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)和發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于巖體工程，成為不可或缺的支承和加固結(jié)構(gòu)，以往裂隙巖體加固機(jī)理研究著眼于被錨桿直接穿過(guò)的裂隙的加固上，最新研究表明錨桿對(duì)巖體的加固具有長(zhǎng)程效應(yīng)。從非局部化理論上講，研究尺度應(yīng)大于材料的代表性體積單元（RVE）尺度，連續(xù)性假設(shè)才能成立，經(jīng)典的彈塑性本構(gòu)關(guān)系才能應(yīng)用，而實(shí)際錨桿尺寸往往大于巖體的RVE 尺寸，這破壞了連續(xù)性假設(shè)條件，必須用非局理論來(lái)描述錨桿的錨固效應(yīng)。

關(guān)鍵詞：巖體；錨固效應(yīng)；長(zhǎng)程效應(yīng)；代表性體積單元

近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速增長(zhǎng)，國(guó)家對(duì)地下硐室的開(kāi)發(fā)利用的需求日益增加，越來(lái)越多的工程建設(shè)在巖體中。自然界中的巖體（Rockmass）經(jīng)歷過(guò)漫長(zhǎng)的成巖與復(fù)雜構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，均以節(jié)理裂隙巖體的形式賦存，并處在一定的地質(zhì)和應(yīng)力環(huán)境中。

節(jié)理的存在及演化決定著巖體的力學(xué)特性，大量工程實(shí)踐表明：在工程建設(shè)產(chǎn)生的二次應(yīng)力場(chǎng)作用下，節(jié)理裂隙的萌生、成核、擴(kuò)展直至貫通，是造成巖體失穩(wěn)、垮塌、滑坡的根本原因。錨桿加固技術(shù)，已有近百年的歷史，經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)和發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于巖體工程，成為不可或缺的支承和加固結(jié)構(gòu)，與噴砼支護(hù)、監(jiān)控量測(cè)并列為“新奧法”施工的三大支柱。錨桿的加固作用十分明顯，尤其在節(jié)理巖體中，但是對(duì)巖土錨固機(jī)理的研究還不夠深入和完善。正如陳宗基老先生所言：“新奧法盡管已獲得了許多成功，然其物理的過(guò)程還需進(jìn)一步地澄清。在開(kāi)挖復(fù)雜的隧道中考慮用噴漿，鋼筋網(wǎng)，錨桿和錨注技術(shù)……迄今還沒(méi)有完全掌握此法的基本原理”。

錨桿對(duì)裂隙巖體加固機(jī)理研究是當(dāng)前巖石力學(xué)的熱點(diǎn)問(wèn)題，以往研究的著眼于被錨桿直接穿過(guò)的裂隙的加固上，尚缺乏對(duì)錨桿相鄰區(qū)域裂隙的加固效果研究，最新研究表明錨桿對(duì)巖體的加固具有長(zhǎng)程效應(yīng)。從非局部化理論上講，研究尺度應(yīng)大于材料的代表性體積單元（RVE）尺度，連續(xù)性假設(shè)才能成立，經(jīng)典的彈塑性本構(gòu)關(guān)系才能應(yīng)用，而實(shí)際錨桿尺寸往往大于巖體的RVE 尺寸，這破壞了連續(xù)性假設(shè)條件，必須用非局理論來(lái)描述錨桿的錨固效應(yīng)。

隨著錨桿技術(shù)的廣泛使用，各國(guó)學(xué)者紛紛開(kāi)展錨固作用機(jī)理方面的研究，五十年代末，Louis Panek，Jacob，L.V.Rabcewicz 和T.A.Lang 等人相繼提出的懸吊理論、組合梁理論以及組合拱理論。初步為錨桿支護(hù)技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。隨著研究的深入，研究者把重點(diǎn)放在了錨桿受力變形及強(qiáng)度特征的研究上，主要是拉拔與剪切試驗(yàn)。Farmer在研究張拉荷載作用下錨桿的力學(xué)行為方面作了基礎(chǔ)性工作，隨后Freeman、Stillborg、楊松林等、陳妙峰等也做了類(lèi)似研究，結(jié)論是錨桿的抗拔性能很大程度上受粘結(jié)材料強(qiáng)度和錨桿幾何尺寸的影響。Bjurstr?m、Haas和Hibino 和Motojima最早是針對(duì)錨桿抗剪切性能作系統(tǒng)研究工作的人，隨后Egger 等，發(fā)現(xiàn)節(jié)理面與傾斜錨桿之間的最佳安裝角度及剪力與節(jié)理面粗糙度的關(guān)系。Ludvig、Schubert、Roberts、McHugh 和Signer、Grasselli也做了卓有成效的研究。葛修潤(rùn)等進(jìn)行了加錨節(jié)理面抗剪性能的室內(nèi)模擬試驗(yàn)，探討了錨桿對(duì)節(jié)理面抗剪性能的影響以及錨桿阻止節(jié)理面發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)的銷(xiāo)釘作用機(jī)制。

圖1 錨桿支護(hù)控制作用應(yīng)力等值線

為分析錨固體力學(xué)效應(yīng)及端錨預(yù)應(yīng)力錨桿作用范圍，趙國(guó)彥、劉立順等利用彈性力學(xué)分析方法分析錨固范圍，得出錨固范圍與有效錨固長(zhǎng)度和有效預(yù)應(yīng)力的關(guān)系。研究表明：錨固范圍隨有效錨固長(zhǎng)度和有效預(yù)應(yīng)力的增加而增大；在目前礦山常用有效錨固長(zhǎng)度和有效預(yù)應(yīng)力下，最優(yōu)錨固間距在0.6～1.4m之間。

韋四江，李寶富采用數(shù)值模擬方法研究了預(yù)緊力錨桿作用下錨固體的形成因素及原巖應(yīng)力作用下錨固體的失穩(wěn)規(guī)律。結(jié)果表明：預(yù)緊力一定時(shí)，錨桿間距越小，附加應(yīng)力就越大；錨桿間排距一定時(shí)，預(yù)緊力越大，附加應(yīng)力就越大，附加應(yīng)力在錨固體范圍巖體中呈紡錘形，壓力從巷道表面處逐漸衰減，在錨固起始端呈錐形分布；錨固段越短或預(yù)緊力越大，壓縮區(qū)域就越大，錨固體的范圍就越大，但錨固段長(zhǎng)度對(duì)錨固體的影響較為明顯。原巖應(yīng)力環(huán)境中，巖體強(qiáng)度、錨桿預(yù)緊力、原巖應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)、埋深、錨桿間排距等對(duì)錨固體失穩(wěn)的作用依次減小。

圖2 巖體中錨固體范圍呈紡錘形

陳浩等開(kāi)展了不同長(zhǎng)度錨桿支護(hù)條件下的隧道超載試驗(yàn)，測(cè)量?jī)煞N不同長(zhǎng)度錨桿支護(hù)工況下的隧道關(guān)鍵部位的應(yīng)變值，結(jié)果表明：支護(hù)強(qiáng)度的提高對(duì)圍巖的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度均有著明顯的提高，錨桿長(zhǎng)度的增加會(huì)導(dǎo)致錨固范圍的增加，加設(shè)襯砌后由于襯砌承擔(dān)了部分的支護(hù)作用，導(dǎo)致錨桿的軸力下降。以上列舉的研究表明錨桿對(duì)巖體中裂隙具有長(zhǎng)程加固作用，錨固效果是非局部化的，而以往只注重錨固效果的局部化，忽略了非局部化，所以對(duì)裂隙巖體錨桿加固止裂過(guò)程中所呈現(xiàn)出的非局部化特性開(kāi)展研究是十分必要的工作。

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