地下洞室预应力锚杆锚固机理及数值模拟分析

摘要

预应力锚杆支护技术是岩土工程加固的一种重要手段。近十几年来，预应力锚固技术以其独特的效应、简便的工艺、广泛的用途，在岩土加固领域中显示出越来越旺盛的生命力。已日益广泛地应用于各类地下工程中，具有良好的应用前景，但是，由于锚杆与围岩间相互作用的复杂性，直到目前为止，对预应力锚杆支护机理和设计参数确定方法的研究仍处于探索阶段，设计中依然沿用普通砂浆锚杆的设计方法，理论严重滞后于实际。因此，采用围岩的支护特征线理论及快速拉格朗日数值模拟法相结合研究预应力锚固技术，分析其作用机理，确定合理锚固参数具有十分重要的理论与工程意义。主要研究工作如下： (1)基于围岩和支护特征线理论，对预应力锚杆与普通砂浆锚杆的受力特征、支护机理和支护效果对比分析的基础上，对预应力锚杆支护设计参数的选用进行了初步探讨，得出的结论对工程有一定参考价值。 (2)全面系统地介绍了有限差分法的基本原理和方法，分析了其特点和优势。采用三维有限差分程序FLAC<'3D>来分析地下洞室开挖的围岩稳定性，模拟锚杆(索)加固方式分析加固机理，为地下工程设计、施工优化和数值仿真模拟计算，提供了一个有效的分析评估方法。 (3)借助于三维有限差分程序 FLAC<'3D>对单根、多根预应力锚杆锚固进行数值模拟，分析预应力锚杆对围岩体的加固机理；对比分析锚杆不同预应力、不同间距、不同长度条件下围岩体的应力应变状态及稳定性改善机理；并对预应力锚杆在支护洞室时锚固效果及其作用机理进行了分析，所得结论为地下工程开挖与支护设计提供依据。 (4)基于FLAC<'3D>有限差分程序对青岛某地下商场扩建工程的开挖支护方案及过程进行了三维数值模拟，模拟分析了开挖及加固后围岩应力场及位移场特点及变化规律，验证开挖加固方案的可行性及与锚索联合支护对改善开挖后洞室围岩力学性质，增强围岩稳定性，控制地面沉降具有重要作用。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1锚固技术的发展与应用现状

1.1.1锚杆技术在地下工程中的应用

1.1.2预应力锚索在水电边坡和坝基工程中的应用

1.1.3岩土锚固技术在深基坑支护中的应用

1.1.4岩土锚固技术在其他工程中的应用

1.2预应力锚固技术作用机理与理论的研究现状

1.2.1预应力锚固技术的发展及现状

1.2.2预应力锚杆作用机理与理论的研究现状

1.3研究的目的与意义

1.4本文研究的主要内容

第2章预应力锚杆支护及与围岩作用机理理论研究

2.1岩土锚固作用机理综述

2.1.1普遍认同的锚固支护理论

2.1.2 正在研究发展的新锚固支护作用理论

2.2普通砂浆锚杆与预应力锚杆支护特征线对比分析

2.2.1普通砂浆锚杆支护特征线

2.2.2预应力注浆锚杆支护特征线

2.3预应力锚杆锚固支护机理探讨

2.3.1预应力锚杆作用机理及应力分布

2.3.2预应力锚杆对围岩的加固机理

2.3.3预应力锚杆对围岩应力场的改善机理

2.4本章小结

第3章应力锚杆支护设计参数及锚固效果的因素分析

3.1预应力锚杆间距的选择

3.1.1特征线理论

3.1.2预应力锚杆间距的选择

3.2预应力锚杆张拉荷载的确定

3.2.1预应力锚杆初始张拉荷载

3.2.2关于预应力损失问题的讨论

3.3预应力锚杆长度的选择

3.4预应力锚杆失效机理分析

3.5影响锚固效果的因素分析

3.5.1锚杆材料对锚固效果的影响

3.5.2锚杆结构对锚固效果的影响

3.5.3锚固方式对锚固效果的影响

3.5.4锚杆支护时间对锚固效果的影响

3.5.5岩体性质对锚固效果的影响

3.6本章小结

第4章有限差分法原理及有限差分数值计算程序

4.1概述

4.2有限差分方法的理论基础

4.3平面问题有限差分数值原理与方法

4.3.1平面问题有限差分基本原理

4.3.2显式有限差分算法—时间递步法

4.4三维问题有限差分数值原理与方法

4.5有限差分数值计算程序FLAC3D

4.5.1 FLAC3D概述

4.5.2 FLAC3D的特点

4.5.3 FLAC3D的优点与不足

4.6本章小结

第5章预应力锚杆锚固的数值模拟及分析

5.1概述

5.2预应力锚杆的数值模拟方法

5.2.1轴向特性

5.2.2界面模拟

5.2.3模型的建立

5.3单根预应力锚索的数值模拟

5.3.1计算模型及材料参数选取

5.3.2数值模拟结果及分析

5.4多根预应力锚杆锚固数值模拟

5.4.1模型Ⅰ数值模拟结果及分析

5.4.2模型Ⅱ数值模拟结果及分析

5.4.3模型Ⅲ数值模拟结果及分析

5.5地下洞室开挖与预应力锚固的模拟分析

5.5.1模型的建立

5.5.2数值模拟结果及分析

5.6本章小结

第6章基于FLAC3D的地下洞室围岩稳定性及加固效果数值分析

6.1工程概况及工程地质条件

6.1.1工程概况

6.1.2工程地质条件

6.2洞室围岩物理力学参数及其稳定性分级评价

6.2.1洞室围岩物理力学参数及其稳定性分级

6.2.2围岩稳定性评价

6.3数值模拟的力学模型及屈服准则

6.3.1数值模拟的力学模型

6.4数值模拟的计算模型

6.4.1岩体力学参数的选取

6.4.2支护结构力学参数的选取

6.5洞室开挖与支护数值模拟结果及分析

6.5.1洞室开挖的数值模拟与结果分析

6.5.2洞室支护方案确定

6.5.3支护与加固方案模拟分析

6.5.4锚杆、锚索联合支护理论模拟验证

6.6本章小结

第7章结论与展望

7.1主要结论

7.2展望

参考文献

攻读学位期间的科研成果

致谢