高应力流变岩体锚固机理及其失效机制研究

本项目紧密围绕解决西部公路交通建设工程中高应力流变软岩的锚固失效机理问题开展深入细致的研究。通过室内高应力软岩三轴压缩蠕变试验、软岩锚固胶结面剪切流变试验、软岩锚固结构面剪切流变试验，分析锚杆筋体、浆体和岩石之间粘结应力的分布特征，基于锚固界面的位移协调与运动调节机理，研究锚杆脱粘失效机理，提出高应力流变软岩锚固非线性流变本构模型；根据依托工程监测资料，基于MATLAB平台，提出一种新型多目标优化反演分析方法，反演分析所提出本构模型的待定参数和软岩基本参数、蠕变参数等。最后，系统集成上述研究成果，结合大型非线性有限元软件，开发高应力流变软岩锚固的数值仿真技术，对依托工程进行仿真分析。研究成果将为西部重大交通工程的设计和施工提供理论指导。

本项目紧密围绕解决西部公路交通建设工程中高应力流变软岩的锚固失效机理问题开展了深入细致的研究。开展了室内高应力软岩三轴压缩蠕变试验、软岩锚固胶结面剪切试验，较好的掌握了高应力下软岩蠕变力学行为，在高围压作用下，软岩具有出明显的非线性蠕变特性，这与蠕变损伤的演化发展密切相关。通过对岩石扩容过程中损伤耗散能变化规律的分析，建立了蠕变损伤演化方程，基于幂函数流变模型，建立了一种非线性的蠕变损伤模型，反演分析表明该模型可以很好地反映高地应力软岩的蠕变力学行为。基于修正的Rabotnov损伤理论，建立能够综合反映时间和应力水平影响的损伤演化方程，结合经验流变模型，建立了一种基于蠕变经验模型的蠕变损伤力学模型，该模型可以较好的描述变质灰岩的三轴蠕变力学行为。开展了岩石锚固胶结面剪切试验，为研究锚固胶结面剪切流变力学行为奠定了基础，为锚固数值仿真参数取值提供了参考。提出了一种软岩大变形预应力锚杆，该锚杆具有变形能力强、防松脱、工作力学性能好等优点，并取得了发明专利。根据上述研究，基于MATLAB平台，将所建立力学模型引入大型有限元计算软件ABAQUS，结合湖北省宜巴高速公路峡口隧道、兰新铁路第二双线甘青段大梁隧道工程开展有限元数值仿真，研究围岩时效变形与损伤演化，提出合理锚固支护方案，服务于指导工程建设，取得了重大经济效益。