基于层状材料复合理论的加锚岩体等效弹性性质的研究

摘要

自从喷锚支护技术在地下工程施工中采用以来，使岩体支护加固的观点从被动支护发展到主动和共同支护上来。锚喷支护技术充分利用了洞室围岩的自承能力并且在岩土工程中被广泛采用。但是，目前国内外对锚杆支护的理论研究和设计还不够成熟，工程设计主要靠经验和半经验方法(如“工程类比法”等)进行，或依靠现场量测获得的信息，反馈设计，指导施工。目前，对锚杆支护机理的研究主要集中在对单根锚杆周围围岩的应力、变形的分布上。尽管在研究的尺度上有所不同，但复合材料力学研究纤维加固的方法和思想对岩体－锚杆支护系统加固机理的研究仍然具有一定的参考价值。如果可以通过支护复合材料支护理论分析这种材料整体的弹性力学性能，那么就可以为加固后的岩体稳定性计算提供方便和有效的计算参数，并为锚杆支护中新材料的选择和地下洞室设计过程中锚杆支护参数的确定提供理论支持，使支护系统的设计更加经济、合理和有效。 本文在M.D.G.SALAMON及C.M.GERRARD等人研究的基础上，讨论了层状组分材料性质分别为各向同性、横观各向同性、正交各向异性、各向异性情况下的层状复合材料的等效弹性性质。将岩体－锚杆支护系统看作是由三种不同的组分材料：岩体、锚杆和水泥砂浆所组成的复合支护系统。为了研究岩体－锚杆支护系统的加固机理以及这种支护复合材料的整体弹性性质，通过细观力学的分析，结合力的平衡、变形协调、应变能相等的条件，建立支护复合材料的等效均匀材料正交各向异性的弹性力学模型，并根据组分材料的弹性性质、锚杆的平面布置用积分形式推导出支护复合材料等效弹性性质的表达式。在此基础上，讨论了岩体力学性质、锚杆直径、锚杆平面布置、粘结材料力学性质等因素变化对支护复合材料力学性质的影响。 分析表明，岩体的弹性模量越小，质量越差，则加固后岩体的弹性模量增加幅度越大，这就说明了锚杆对软弱岩体的力学性质的改善较坚硬岩体明显。 锚杆直径增大而其他参数保持不变时，岩体锚杆支护系统复合材料的力学性质弹性模量随着直径的增大而有所提高，但等效强度常数变化幅度较小。 通过同时改变锚杆的间排距情况研究了锚杆在孔口段由于间排距变化对复合加固体系等效弹性常数的影响，锚杆间排距越小，锚固效果越明显；通过固定锚杆的排距，而只改变锚杆的间距研究了扇形布置的锚杆由于锚固深度的增加而引起的锚杆间距变化对复合加固体系等效弹性常数的影响，亦得到类似的结论。 通过改变粘结材料的力学性质研究了水泥砂浆对加固后岩体等效弹性力学性质的影响，随着普通水泥砂浆弹性模量的提高，其锚固效果有所增强，但其对整体等效弹性性能的改善效果不太明显。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

第二章分层材料等效弹性性质的基本理论

第三章利用分层材料等效弹性性质的基本理论对锚杆加固理论进行研究

第四章岩体－锚杆支护系统复合材料力学宏观性质的影响研究

第五章结论与展望

参考文献

附录攻读硕士学位期间发表的论文及参与项目

致谢