非连续岩体锚杆抗剪“导轨作用”力学机制的研究

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。

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。