碎石锚固中压力拱形成与锚杆作用分析

摘要

碎石锚固试验被用于证实锚固破碎岩体中存在压力拱,但压力拱的概念较为抽象,难以理解和应用.为研究锚固破碎岩体中压力拱的形成机制与锚杆的作用,克服颗粒锚杆批量生成与预紧难题,利用三维颗粒流程序(PFC3D)开发碎石锚固试验的数值模拟方法,开展系列碎石锚固数值试验,直观展示压力拱的形成,揭示压力拱的形成机制与成因,分析并验证锚杆在压力拱形成中的具体作用.在此基础上,提出极破碎岩体锚杆加固的建议.研究结果表明:①锚杆加固碎石体内会形成拱形承载结构——压力拱,压力拱由碎石咬合而成,碎石体全部质量由压力拱承载,压力拱的稳定依靠拱下碎石支撑.②压力拱形成于碎石在锚杆作用下的自适应运动过程.移除碎石箱底板后,底部碎石向下运动,导致上部碎石重力向周边转移,在周边碎石形成拱腿,拱顶部位碎石在侧向约束作用下彼此咬合形成拱顶,最终以底托板为基础形成压力拱.③压力拱的形成和稳定需满足4个条件:强力的底部基础、足够的侧向约束、适当的碎石厚度和平衡的拱下碎石.④锚杆在压力拱形成和稳定中发挥侧向约束作用、支撑作用和护表作用.在成拱过程中,锚杆通过预紧提供侧向约束力,使碎石具有足以成拱的咬合能力.在压力拱形成后,锚杆通过对拱下碎石提供支撑和护表使其平衡,维护压力拱的稳定.锚杆预紧有助于增强侧向约束作用和支撑作用.⑤大范围极破碎岩体加固应围绕压力拱的形成,充分发挥锚杆的侧向约束、支撑和护表作用,包括提高锚杆预紧力、增大锚杆杆体粗糙度、减小锚杆间距、增大托盘尺寸等.