预应力锚索锚固机理的数值模拟试验研究_丁秀丽

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锚杆锚固质量动力无损检测数值模拟研究的开题报告

锚杆锚固质量动力无损检测数值模拟研究的开题报告一、选题依据随着建筑工程的迅速发展，锚杆锚固技术在加固结构和支护土体方面的应用越来越广泛。

锚杆锚固的质量和稳定性直接影响工程的安全和可靠性。

因此，开展锚杆锚固质量动力无损检测研究具有重要的理论和实践意义。

二、研究目的本研究旨在开展锚杆锚固质量动力无损检测数值模拟研究，通过模拟分析锚杆锚固的动力特性，并结合实测数据，建立锚杆锚固的无损检测数值模型，为工程实际应用提供科学依据。

三、研究内容（1）锚杆锚固动力响应分析通过有限元软件建立钢筋混凝土板的数值模型，分析锚杆锚固在强震和风荷载等外力作用下的动力响应特性。

（2）锚杆锚固无损检测技术研究调研现有的锚杆锚固无损检测技术，研究其原理和应用范围，并结合实验室试验和实测数据，寻找适合锚杆锚固无损检测的新方法。

（3）锚杆锚固无损检测数值模拟研究根据锚杆锚固的实际情况，建立锚杆锚固的数值模型，并进行仿真分析，比较不同无损检测方法的适用性，并进行模型验证。

四、研究方法和技术路线（1）理论研究：搜集锚杆锚固质量动力无损检测方面的文献，总结现有技术和方法，进一步提出改进方案。

（2）数值模拟：使用ANSYS等软件进行锚杆锚固的数值模拟，计算锚杆锚固在外力作用下的动力响应特性。

（3）实验分析：进行锚杆锚固无损检测的实验室试验和实测数据分析，掌握无损检测技术的原理和实际应用情况。

（4）模型验证：基于实测数据，对锚杆锚固无损检测数值模型进行验证，比较不同无损检测方法的适用性。

五、预期成果（1）建立锚杆锚固质量动力无损检测数值模型。

（2）确定适合锚杆锚固无损检测的新方法。

（3）提出针对锚杆锚固无损检测的改进方案。

（4）发表相关学术论文，推广锚杆锚固质量动力无损检测技术的应用。

预应力锚索锚固效应影响因素的数值仿真试验

从（）式可以看出，剪力与轴力的增量呈负相关，从１后面的数值模拟计算中也可看出。
加固机理没有统一的认识，缺乏行之有效的计算方法等。
随着李宁提出 “ 土工程数值试验 ” 的概念和思岩
路］，学者利用多种软件模拟了预应力锚索加载与破坏。然而，现在许多软件在其理论和算法上都存在一些缺陷，
机理人手，建立锚固系统各种破坏形式和判断方程。通过
数值试验模拟多中因素等对锚固效果的影响，并由拉拔试
验动态模拟锚索的破坏过程，发现所得结果与工程实际具
有良好的一致性。
岩石的接触具有粘结性和自然摩擦，理想情况下如图２所
煤
炭
工
程
２１第５期００年
预应力锚索锚固效应影响因素的数值仿真试验
言志信，张森，张学东，曹小红，
（．兰州大学土木工程与力学学院，甘肃兰州１７００；３００
２．西部灾害与环境力学教育部重点实验室，甘肃兰州
性，当前的研究仍存在问题，如理论研究滞后于工程应
用；锚固体力的传递及应力的分布规律仅能定性描述；在
实际应用中多采用粘结应力均匀分布的理想形式设计；对
式中，Ⅳ为锚索轴力；为锚索半径；ｒｒ，为砂浆剪应力。
示，节点轴向采用弹簧一滑块描述，当锚索一浆体界面和浆体一岩体界面间产生相对位移时，灌浆环的剪切特性即可通过下列参数进行数值描述：浆体的剪切刚度，浆体的

地下洞室预应力锚杆锚固机理及数值模拟分析的开题报告

地下洞室预应力锚杆锚固机理及数值模拟分析的开题报告一、研究背景地下洞室作为地下空间中重要的人工结构，其安全稳定性关系到工程的可持续发展。

预应力锚杆作为地下洞室支护用的主要设备，其贡献不可忽略。

因此，研究预应力锚杆锚固机理及数值模拟，对地下洞室的安全稳定性具有重要意义。

二、研究内容1. 预应力锚杆锚固机理研究：通过对锚杆锚固原理的分析，建立锚固机理模型，探究锚杆锚固过程中的应力变化规律。

2. 数值模拟研究：采用有限元数值模拟方法，研究预应力锚杆锚固后地下洞室的变形和应力分布情况，探究锚杆锚固对地下洞室稳定性的影响。

3. 实验研究：结合现场实际情况，建立预应力锚杆锚固的现场模型，开展相关实验研究，为数值模拟提供数据支持。

三、研究方法1. 文献分析法：通过查阅相关文献资料，掌握预应力锚杆锚固的基本原理、机理和应用情况。

2. 数值模拟法：采用ANSYS等有限元分析软件，建立预应力锚杆锚固的数值模型，进行模拟计算，探究锚固机理，分析锚杆锚固对地下洞室的影响。

3. 现场实验法：根据研究需要，采用实验室模型和现场模型相结合的方式进行实验研究，为数值模拟提供数据依据。

四、研究意义1. 为地下洞室的安全稳定提供理论依据和技术支持，为工程实践提供借鉴。

2. 对预应力锚杆锚固机理进行深入研究，为改进锚固技术提供参考。

3. 通过数值模拟和实验研究，对现有的预应力锚杆锚固技术进行验证和完善，提高地下洞室的安全稳定性。

五、预期效果1. 探究预应力锚杆锚固机理，深入了解其工作原理和应对策略。

2. 建立数值模拟模型，对地下洞室的稳定性问题进行数值计算研究，探讨预应力锚杆锚固对地下洞室的影响。

3. 结合现场实际情况，开展相关实验验证，为数值模拟提供支持。

4. 对现有预应力锚杆锚固技术进行改进完善，提高地下洞室的安全稳定性。

预应力锚索锚固机理数值模拟分析

5科技资讯科技资讯S I N &T NOLOGY I NFORM TI ON 2008N O.09SCI ENC E &TEC HNO LO GY I N FO RM A TI ON 工业技术预应力锚固技术是在预应力混凝土的基础上迅速发展起来的一项技术，随着高强度钢材和钢丝的出现以及钻孔和注浆技术的发展，预应力锚索在工程上得到了广泛的应用，并在改善岩土体的状态，提高岩土体的承载力和稳定性等方面的作用被大量的工程实践所证实。

它与普通锚杆相比，一是锚索长度较长，能够深入较稳定的岩层和土层中，二是可施加大的预应力。

锚索加固岩体的实质就是通过锚索对被加固的岩土体预先施加压应力，限制岩土体的有害变形的发展，从而保持围岩稳定。

但由于预应力锚索锚固作用机理十分复杂，影响预应力锚固效果的因素众多，目前这方面的研究尚处于探索阶段，还远不能满足工程实践的需要。

现针对预应力锚索加固技术，采用数值模拟方法，对它的加固机理及其设计预应力锚索时应注意的问题进行研究讨论。

1锚索的类型及结构锚索是采用有一定弯曲柔度的钢绞线通过预先钻出的钻孔以一定的方式锚固在岩土体深部，外露端由工作锚通过压紧托盘对围岩进行加固补强的一种手段。

1.1锚索类型按钢绞线的根数分有单根锚索和锚索束；按锚固方式分有树脂锚固锚索、水泥锚固锚索及树脂水泥联合锚固锚索；按锚固长度分有端部锚固锚索和全长锚固锚索；按预紧力分有预应力锚索和非预应力锚索。

(1)树脂端部锚固锚索树脂端部锚固的特点是采用搅拌器绞碎数值药卷，对锚索进行端部锚固，其安装孔径为φ28mm ，用普通单体锚杆机可完成打孔、安装。

树脂端部锚索支护技术在破碎、软弱和高应力岩土层中应用较多。

(2)注浆锚固锚索注浆锚固锚索的特点是采用多根钢绞线，全长锚固，钻孔直径大，承载能力高。

由于采用注水泥砂浆锚固，因而需要一定的固化时间。

(3)树脂注浆联合锚固锚索树脂注浆联合锚固锚索兼有树脂端部锚固锚索和注浆锚固锚索的优点，单根钢绞线，先用锚索搅拌树脂锚固剂，进行端部锚固；树脂端部锚固后，可施加预紧力，使锚索及时承载；树脂端部锚固后实施水泥注浆，进行全长锚固；施工采用单体锚索钻机，施工速度很快。

预应力锚杆及其作用机理的数值模拟

对围岩形成的围压主要集中在靠近锚杆尾部的一端，而非两端，由此提出了高预应力端部锚固锚杆会在锚杆尾部形成加固
拱，并推导了该加固拱厚度与锚杆长度的近似关系。最后对预
应力锚杆的多种作用机理进行详细总结，可以得出，高预应力
４结语
２）在低围压下，围岩的强度对围压非常敏感，较小的围压
即可使围岩的强度有较大的提升。尤其是巷道周边，围岩的径
为锚杆施加的预紧力对于巷道的支护起到的作用非常关键，本文通过数值模拟软件ＦＬＡＣ３Ｄ数值模拟了端锚锚杆预应
具有粗大孔的材料因其水分不易存留，其吸水率常小于孔
隙率；而那些孔隙率较大，且具有细小开口连通孔的亲水性材料具有较大的吸水能力。材料内部除了孔隙的多少以外，孔隙的特征状态也是影响其性质的重要因素之一。材料的孔特征
生冻融循环的现象造成破坏。
技术研发
ＴＥＣＨＮ０ＬｏＧＹＡＮＤＭＡＲＫＥＴ
Ｖ０【＿２２，０．７，２０ｌ５
径向围压，使围岩的受力状态恢复为三向应力状态，从而提高
围岩的残余强度，提高了围岩的自承载能力。
成了统一的锚固体，具有一定的承载能力。
向应力几乎为０，锚杆群向围岩施加的径向围压，使其强度得
到较大提升。３）锚杆杆体本身具有较强的抗剪ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ用，锚杆群与围岩组成的锚固体，具有较大的抗剪切强度，减小了围岩切向应力集中

边坡预应力锚索加固的数值模拟方法研究

RESEARCH ON METHOD OF NUMERICAL SIMULATION OF PRESTRESSED ANCHOR CABLE IN SLOPE
LI Ning1 2，ZHANG Peng1，YU Chong1
，
(1. Institute of Geotechnical Engineering，Xi′an University of Technology，Xi′an，Shaanxi 710048，China； 2. State Key Laboratory of Frozen Soil Engineering，Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute， Chinese Academy of Sciences，Lanzhou，Gansu 730000，China)
(a) 两点集中力法
3
预应力锚固数值模拟方法的改进
笔者通过近几年对小湾饮水沟堆积体、拉西瓦
2 变形体、大柳树厂房上游边坡、马来西亚巴贡引水发电系统上下游边坡、锦屏水电站坝肩边坡稳定性分析中研究探索，先后提出过两种预应力锚固模拟方法，这两种方法均是在原有两点集中力法的基础上，致力于解决锚索模拟中刚度贡献问题。 3.1 后续张拉补偿法该方法对预应力锚索的自由段模拟仍采用集中力模型，即在锚索自由段两端节点上加一对等值反向的作用力(或锚头处采用均布力反压)。根据开挖台阶不断下切，预应力锚索的刚度作用采用应力补偿方法实现，即后续补偿力通过数值仿真分析出围岩锚固后在外荷载下的变形，然后再利用这一变形反算出补偿力增量，在下一次施工中用“附加预应力”来模拟它。基本假定预应力锚索对围岩刚度影响忽略不计，则后续开挖后，锚索处的新增变形引起的锚索预应力增加 ∆F ： ∆d EA0 ∆F = I0 3.2 集中力+杆单元方法——复合杆单元法该方法为了克服上一方法工作量大的缺点，通 (1) 过锚索张拉阶段自由段锚杆单元不激活，在自由段两端施加一对反向集中力或坡面锚头施作等值均布压力；待锚索锁定下台阶开挖变形阶段，再将锚索单元激活，使锚索刚度发挥作用约束边坡的后续变形。该方法借鉴了两点集中力法与只承拉不承压杆单元法中可取之处，即吸收了两点集中力模拟锚索应力贡献优势，同时又通过激活杆单元时间控制来达到只承拉不承压杆单元的锚索刚度贡献的相同功

锚固体论文：锚固体应力分布简谐动力波试验研究数值模拟

【关键词】锚固体应力分布简谐动力波试验研究数值模拟【英文关键词】anchorage body stress distribution simple harmonicwave experimental researchnumerical simulation锚固体论文：简谐动力波作用下锚杆的工作机理试验及数值模拟研究【中文摘要】锚固技术是岩上程中一种非常重要和常用的加固技术,它应用锚杆或锚索对岩体进行加固,充分发挥岩体自身的稳定能力。

锚固技术广泛应用于水利水电、铁路交通、城市建设、地下工程、国防建设、采矿工程等行业。

但目前岩土锚固规范和工程经验绝大部分是对于静力作用下的研究和设计理论,对于地震动力研究计算理论还基本处于空白。

本论文针对锚固工程中遇到的动力问题,通过动力作用下的破坏试验,并结合简谐地震波及模拟数值分析研究,对动力作用下锚固机理、锚杆和灌浆体剪应力分布规律及动态抗拔力等方面进行了较为深入的研究。

在前人研究的基础上,本文主要进行了以下的研究工作：(1)首先介绍了国内外岩土工程锚固研究现状和当前的应用领域,指出岩土锚杆研究存在的问题,提出了本文的主要研究内容、研究意义、预期到达的目标。

(2)介绍了实际工程中岩土锚杆的类型和适用条件,对在静力作用下粘结式锚杆的受力特性包括锚杆剪应力、抗拔力等进行分析。

(3)通过实验室试验,研究在不同的简谐波频率、预应力、锚固长度下锚杆及灌浆体的剪应力分布规律及本试验条件下锚固结构的主要破坏形式。

通过分析对比得出动力作用下锚杆剪应力、抗拔力与静力作用下锚杆的区别,同时分析产生区别的原因。

(4)本文采用有限元软件ABAQUS,在弹性范围内模拟本试验条件并结合工程实际情况下锚杆和灌浆体沿长度方向的应力分布规律。

同时提取锚杆上的点,研究在动力作用全过程剪应力变化趋势。

(5)结合锚杆拉拔试验发现的问题和数值模拟结果,通过对比分析总结出若干有价值的结论,同时对以后的研究提出建议。

预应力锚索锚固效应数值模拟分析

２．ＡｎｈｕｉＣｏａｓａｃｎｔｔｔＨｅｅ，ｎｈ３００ＣｈｉｌＲｅｅｒｈＩｓｉｕｅ，ｆｉＡｕｉ２０１，ｎａ；３．５ｈＧｅｌｉａｌＥｘｏｒｔｏｔｏｏｇｃｐｌａｉｎ
Ｔｅｍ，ｉｎｇｕＢｕｒａｅｏｇｎｄＭｉｒｌＲｅｏｃｓＸｕｚｏｕ，ｉｎｇｕ２０ａＪａｓｅｕｏｆＧｏｌｙａｎｅａｓｕｒｅ，ｈＪａｓ２１０４，Ｃｈｉ）ｎａ
第ｌＯ卷第４期
２１００年１月２
徐州建筑职业技术学院学报
ＪＯｕＲＮＡＩＯＦＸＵＺＨＯＵＮＳＴＵＴＥＯＦＡＲＩＴＩＣＨＩＴＥＣＴＵＲＡＩＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖ０Ｊ０ｏ４ｌ１Ｎ．
Ｄｅ．２１ｃ００
预应力锚索锚固效应数值模拟分析
郁浩侯圣权。李忠宝。，，
（１徐州市交通规划设计研究院，苏徐州２１０．江２００；
２安徽省煤炭科学研究院，徽合肥２００；．安３０１３江苏省地质矿产局第五地质大队，苏徐州２１０．江２０４）
ｄｃｅｓｄｇｎｅａｌｎｔｇｔｖ — ｘｐｅｉｌｆｒ，ａｄｔｈｅｉｔｅｓｔａｆｒｅｎｄｐｈｅｒａｅｅｒｌｙｉｈｅｎｅａｉｅｅｏｎｎｔａｏｍｎｈｅｓａｒｎｇｓｒｓｒｎｓｅｒｄｉｅｔ

预应力锚索锚固效应的三维数值模拟及其工程应用研究

关键词：预应力锚索；锚固效应；数值模拟；工程应用中图分类号：Ｔ４２２１Ｕ５，Ｏ４文献标识码：Ａ
０前言
预应力锚固技术具有对岩土体扰动小、施工快、安全、经济等优点，在岩土加固的各个领域中得到了广泛的应用，充分显示了其巨大的经济效益和社会效益。但关于锚固机理方面的研究仍滞后于工程实践，大多数设计只能主要凭经验和工程类比法来确定。国内外一些学者从现场试验、室内试验及数值分析方面进行了一些这方面的研究，但对于单根锚索内锚固段剪应力分布机理的研究相对较多。如ＦｌｒＣｘＲＴｕｅ和ｏＨ …采用模型试验的方法研究了荷载ｌ
作用下锚索与砂浆之间的位移与粘结力的关系；尤春安，张瑞良等
则分别通过弹性理论
分析得出了锚固段剪应力分布的公式；Ｓｌｏｇ则将拉力型锚索的表面剪应力沿内锚固段ｔｌｒｉｂ全长表示为指数形式分布；ＬＣ．和Ｓｉｂｒ在试验基础上验证了上述结论，并提出随着荷ｉｔｌｏｌｇ载增大，将使锚固段前部首先产生破坏，剪应力随之下降；Ｍｌｏｔｄａ通过有限元数ａｋＢｕｌｅｅｊ
摘要：预应力锚固技术在岩土加固的各个领域中得到了广泛的应用，但是关于其锚固机理的研究仍处于探索阶段。本文采用快速拉格朗日分析法（ＬＣＦＡ）对预应力单、群锚体系作用下锚固段、自由段以及锚头部位的受力、变形和破坏机理进行了三维数值模拟分析，探讨了影响锚固段剪应力分布的一些因素，在此基础上得出了一些有益的结论，可为预应力锚固的工程设计和理论研究提供参考。最后，将其应用到工程实践中，证明了其有效性。

预应力锚索的三维数值模拟及其锚固机理分析

参考内容
引言
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
预应力锚索是一种广泛应用于岩土工程中的加固措施，可以有效提高岩体稳定性，防止岩体变形和破坏。然而，预应力锚索的锚固机理较为复杂，涉及到多个因素，如岩土力学性质、锚固材料特性、锚固深度等。为了更好地理解和应用预应力锚索，本次演示将对预应力锚索的锚固机理进行深入研究。
预应力锚索的基本结构
6、结果分析：根据试验数据进行分析，评估锚索的锚固性能，为工程设计提供依据。
四、注意事项
1、试验前应对试验设备进行检查和校准，确保设备的准确性和可靠性。 2、在试验过程中应保证安全，避免因操作不当导致的意外事故。
3、在记录数据时应注意数据的准确性和完整性。 4、对试验结果进行数据分析时应注意数据的可靠性。
在本次演示中，我们将探讨预应力锚索锚固机理的数值模拟试验研究。首先，对预应力锚索的结构和特点进行简要介绍。其次，针对数值模拟试验的原理和方法进行阐述，包括有限元法、离散元法等。再次，通过数值模拟试验，对预应力锚索在不同条件下的锚固效果进行深入研究，包括不同预应力大小、不同锚固段长度等。最后，对预应力锚索锚固机理进行总结和分析，提出改进意见和建议。
预应力锚索的锚固机理分析
预应力锚索的锚固机理主要包括两个方面：锚索对岩体的约束作用和应力场的分布特征。
首先，锚索对岩体的约束作用主要包括拉伸约束和弯曲约束。在预应力状态下，锚索对岩体产生拉伸作用，使岩体处于三向受压状态，从而提高其稳定性。此外，锚索的弯曲约束作用也可增加岩体的承载能力。
其次，预应力锚索的应力场分布特征也是影响其性能的重要因素。在预应力作用下，锚索的应力分布不均匀，呈现出两端高、中间低的趋势。此外，锚索还会对周边岩体产生一定的影响，形成应力场。

锚索锚固技术的仿真实验研究

锚索锚固技术的仿真实验研究何炳银;杨永刚【摘要】The core of anchor cable reinforcement technology is the anchoring force of anchor cable .The authors make a simulation experiment of anchor cable reinforcement on the surface by using steel pipes with different in-ner diameter ,including observing the pushing process by industrial endoscope ,and checking the actual physical status of anchoring agent after agitation and the anchoring state of steel strand by cutting open the experimental steel pipe ,which shows that the mismatching diameters of anchor cable and anchoring agent would leadto dislo-cation and distortion of the anchoring agent in the process of pushing ,and the present anchor cable reinforcement technology would cause false anchoring with the package films of anchoring agent incomplete crushing due to the steel strand crossing the anchoring agent .%锚索锚固技术的核心是锚索的锚固力问题。

路肩式预应力锚索桩板墙数值模拟分析

路肩式预应力锚索桩板墙数值模拟分析卢昌松【摘要】山区高等级公路由于受到地形地质条件限制，路肩式预应力锚索桩板墙是技术上可行、经济上合理的一种支挡结构。

本文采用有限差分计算方法建立了路肩式预应力锚索桩板墙数值计算模型，对降雨及地震条件下预应力锚索及抗滑桩的受力进行分析，并对抗滑桩和锚索在各种工况下分担下滑力的合理性进行了探讨。

【关键词】山区公路；路肩式预应力锚索桩板墙；数值模拟Cable Anchor Tied Pile-slab Wall on Embankment Shoulderof Numerical Simulation AnalysisLu ChangsongAbstract: As a result of geological conditions, cable anchor tied pile-slab wall on embankment shoulder is technically feasible and economical. In this paper, By using finite difference method, the calculating model of cable anchor tied pile-slab wall on embankment shoulder is established. At the same time on the rainfall and seismic conditions pre-stressed anchor and Anti-slide pile are analyzed, and the rationality of pre-stressed anchor and Anti-slide pile under the species conditions is discussed.Key words: mountain road,cable anchor tied pile-slab wall on embankment shoulder,numerical simulation0 引言高速公路路基一般较宽，在陡峻的山区地带线路稍微外移则是桥梁或高填方，向内移则是隧道或深挖方；由于桥梁和隧道方案的工程造价均较高，加之山区地带隧道或深挖方大多会造成大量弃方，容易造成环境污染。

锚索支护传力机制与应力分布的数值模拟

第33卷第1期煤炭学报V o.l 33 N o .1 2008年1月J OURNAL OF C H INA COAL SOC I ETY Jan . 2008 文章编号:0253-9993(2008)01-0001-06锚索支护传力机制与应力分布的数值模拟王金华,康红普,高富强(煤炭科学研究总院,北京 100013)摘要:采用FLAC 3D对锚索预应力在巷道围岩中形成的应力场-锚索预应力场分布特征进行了数值模拟.结果表明:在一定预应力条件下,单根锚索在其周围形成了类似心形的压应力分布区域,压应力在锚索尾部附近最大,锚固起始处附近次之,锚索自由段中部较小.锚索锚固段附近出现了拉应力区,但拉应力值很小;多根锚索形成的压应力区相互叠加,并连成一体,形成类似鼓形的整体支护结构,锚索预应力及主动支护作用扩散到大部分锚固区域.锚索预应力场分布形态与锚索长度、间距、排距、安装角度、预应力的大小及组合构件有关.关键词:锚索支护;预应力;应力场;数值模拟中图分类号:TD353 6 文献标识码:A 收稿日期:2007-07-12 责任编辑:柴海涛基金项目:国家科技支撑计划基金资助项目(2006BAB16B02,2006BAK03B06) 作者简介:王金华(1957!),男,河北故城人,研究员,博士.Te:l 010-********N u m erical si m ul ati on on load transfer m echanis m s and stressdistributi on characteristics of cable boltsWANG Jin hua ,KANG H ong pu ,GAO Fu qiang(China Coal R esearch In stit u t e ,B eiji ng 100013,C hina )Abst ract :A num ber o f num erica l si m u lation testsw ere carried out using the nu m er i c al ana l y sis code FLAC 3D to i n vesti g ate stress distri b ution characteristics caused by pretensioned stress of cable bo lts .The results sho w thatwhen a si n g le cab le bo lts insta ll w ith pretensioned stress ,a heart shape co mpressi v e stress fields w ill be f o r m ed around t h e m ost length o f cab le .The h i g hest co m pressi v e stress w ill locate near the co llar ,and the higher near the lo w er part o f the grouted portion ,and the lo w est near the free portion .A tensile stress fields w ill also be for m ed by the near o f the upper part of the grouted porti o n ,but the tensile stressm agnitude is ver y s m al.l W hen m any cab le bo lts are insta lled w ith i n certai n spacing ,co m pressi v e stress fi e l d s caused by sing le cab l e s w ill superpose w ith each other and w ill for m a dru m shape ho listic suppo rting construction.The pretensioned stress and acti v e support effectsw ill diffuse to the w ho le ancho rage rockm ass .The distribution characteristics of C able Bo lts Pretensioned Stress F i e l d s (CBPSF)are relati v e to cab le leng th ,num bers per ro w ,row spac i n g ,m agnit u de of pretensioned stress ,and the strap .K ey w ords :cab le bo lts suppor;t pretensi o ned stress ;stress fie l d s ;num erical si m u lation锚索具有锚固深度大、强度高、可施加较大预应力等特点,在岩体加固工程中得到广泛应用[1~6].我国煤矿从1996年研制成功小孔径树脂锚固预应力锚索后,锚索在煤巷中得到大面积推广应用,显著扩大了锚杆支护应用范围,提高了巷道的安全可靠性,成为深部及复杂困难巷道支护加固的主要手段[7~10].煤炭学报2008年第33卷2因此,进行预应力锚索对岩体加固效应的研究具有重要的意义.近年来,许多学者采用现场测试、物理模型试验、理论分析及数值模拟等不同方法对预应力锚索的锚固效应进行了研究.丁秀丽等[5]采用三维有限差分方法,进行预应力锚固数值模拟试验,认为岩体表层的压缩效应随着锚索数量及预应力值的增加而增强;内锚固端周边岩体应力集中区的范围及应力、变形量亦随预应力锚索的数量和吨位的增加而增大.陈安敏等[6]通过物理模型试验,分析了块状岩体中锚索长度及预应力值大小对其加固效果的影响:在一般情况下,岩体塌落高度随预应力的增加而减小;但当预应力达到一定数值后再增加预应力,岩体塌落高度不仅不减小,反而还要缓慢地增大.Frith和Tho m as[11]采用不同凝固速度的树脂进行了全长锚固锚杆施加预紧力试验研究,认为预紧力可以减少0 5~0 8m直接顶范围内围岩的离层与滑动,从而改善围岩状况.Fu ller[12]进行了井下全长锚固锚杆施加预紧力试验,认为预紧力可以使全长锚固锚杆对岩体的锚固效应达到最大.为了更全面、深入地研究锚索的支护作用机理,分析锚索的传力机制,以及在巷道围岩中形成的应力场-锚索预应力场分布特征,本文采用三维有限差分软件FLAC3D进行锚索支护作用的数值模拟,研究锚索长度、间距、排距、安装角度及预应力大小等因素对锚索预应力场分布的影响.1 数值计算模型一般分析锚杆与锚索支护作用的模型是在原岩应力状态下开挖巷道,然后安装锚杆与锚索,巷道周围应力状态重新分布,围岩发生变形与破坏,锚杆与锚索受力、变形.但是,由于围岩应力比锚杆、锚索提供的应力大得多,因此,锚杆与锚索支护在围岩中产生的应力场被完全覆盖,无法进行分析与研究.为此,本文在不考虑原岩应力,即在零原岩应力场条件下,分析锚索预应力引起的应力场分布特征与影响因素.1 1 模拟对象锚固体计算采用FLAC3D建立三维数值模型.三维模型的外形尺寸为长∀宽∀高=11 0m∀5 0m∀14 6m,巷道宽∀高=5 0m∀3 6m,共划分89125个六面体单元.巷道顶板为泥岩,单轴抗压强度40M Pa.其它力学参数:弹性模量7 5GPa,泊松比0 3,黏聚力1 5M Pa,内摩擦角30#.锚索采用C a b le单元模拟,其物理力学参数:弹性模量200GPa,直径18mm,拉断力350kN,每米锚索的黏结刚度为0 2GN/m,黏结强度350kN/m,树脂锚固,锚固长度1 5m.锚索布置的基本模型:预应力200kN,锚索长度7m,排距2 0m,每排布置2根锚索,间距2 0m,垂直顶板布置.然后,在基本模型的基础上,改变各个参数,分析应力场分布特征与变化规律.1 2 模拟方案(1)锚索预应力的影响:将锚索预应力分别设为50,100,150,200,250,300k N进行计算.(2)锚索长度的影响:长度分别为4,5,6,7,8,10m时的应力分布状态.(3)锚索根数的影响:模拟每排锚索数为1,2,3,4根时的应力分布状态.(4)锚索排距的影响:排距分别为1 0,1 5,2 0,2 5,3 0m的应力分布状态.(5)锚索角度的影响:模拟锚索与垂线的角度为0,5,10,15,20,30#的应力分布状态.2 锚索预应力形成的应力场分布特征模拟锚索预应力从50~300kN(间隔50kN)形成的预应力场分布.图1(a)为预应力50kN,垂直巷道轴线截面垂直应力分布.锚索尾部附近出现了明显的应力集中现象,最大压应力达0 18M Pa.随着深入顶板远离锚索尾部,压应力迅速减小.至锚索长度的1/6处,压应力减小到0 02MPa.在锚索长度一半的范围内形成了应力值大于0 01M Pa的压应力区,之上为应力很小的近零应力区.在锚索锚固起始端也出现了应力集中现象,但应力集中程度与范围都比较小.在锚索锚固端出现了较大范围的拉应力区,但应力值很小.图1(b)为预应力50kN,平行于巷道轴线、在距顶板0 4m高度水平截面垂直应力分第1期王金华等:锚索支护传力机制与应力分布的数值模拟布.锚索附近出现了应力集中,随着远离锚索位置,压应力逐渐减小,很快降低到0 01MPa .两根锚索之间有效压应力区(压应力大于0 02MPa 的区域)小,而且相互独立,没有连成整体.两根锚索之间中部应力值很小,出现较大范围的近零应力区,在此区域,锚索几乎无支护作用.在巷道顶角附近出现了一定范围的拉应力区,但应力值很小.图1 锚索预应力形成的应力场((a)(b)预应力50kN;(c),(d)预应力200kN )F i g 1 Stress fie l ds caused by pretensi oned stress o f cable bo lts((a),(b)pretensioned stress 50k N;(c),(d)pre tensioned stress 200k N )可见,由于锚索预应力低,导致锚索预应力场应力值小,形成的压应力区范围小,有效压应力区孤立分布,没有连成整体.近零应力区范围大,锚索支护在近零应力区几乎没有加固围岩的作用.图1(c)为预应力200kN,垂直巷道轴线截面垂直应力分布.锚索尾部附近出现了很大的应力集中现象,最大压应力达0 72MPa .随着深入顶板远离锚索尾部,压应力逐渐减小.至锚索长度的1/5处,压应力减小到0 06M Pa .在锚索长度一半左右的范围内形成了应力值大于0 04MPa 的压应力区,有效压应力区覆盖了锚索自由段作用的整个范围,近零应力区大幅度缩小.在锚索锚固起始端也出现了应力集中现象,应力集中程度与范围比预应力50k N 时明显增大.在锚索锚固端出现了较大范围的拉应力区,应力值有所增加,但总体较小.图1(d)为预应力200kN,平行于巷道轴线、在距顶板0 4m 高度水平截面垂直应力分布.锚索附近应力集中明显,随着远离锚索位置,压应力逐渐减小.但每根锚索产生的有效压应力区明显扩大,相互靠近.即使在两根锚索中部,也出现了一定数值的压应力,对锚索之间的围岩起到一定的支护作用.3 锚索各参数对预应力场的影响3 1 锚索长度对预应力场的影响图2为不同锚索长度形成的预应力场分布(锚索预应力为200k N ).由图2可看出:∃随着锚索长度增加,有效压应力区的范围在高度方向上逐渐增加,表明锚索主动支护作用的范围不断扩大;但在宽度方向上变化不明显,而且随着锚索长度增加有减小的趋势.%随着锚索长度增加,锚索长度中部及以上部分的压应力逐步减小,表明锚索对中部及上部围岩的支护作用不断减小.&随着锚索长度增加,两锚索之间中部围岩的压应力逐步减小,表明锚索对其间围岩的支护作用不断减小.可见,在预应力一定的条件下,锚索越长,锚索预应力的作用越不明显,主动支护性越差.因此,可得出以下结论:∃当预应力一定时,短锚索的主动支护作用优于长锚索.%锚索越长,施加的预应力应越大,才能充分发挥锚索的支护作用.&通过提高锚索的预应力,可适当减少锚索长度.∋根据目前锚索预应力水平(80~150k N ),锚索不宜过长,选择在4~6m 比较合理.3煤炭学报2008年第33卷图2 不同锚索长度形成的应力场F i g 2 Stress fie l ds caused by cab l e bo lts w ith d iffe rent l eng th3 2 锚索间距对预应力场的影响图3为每排1,3,4根锚索时形成的预应力场分布(锚索预应力为200kN ),2根锚索时预应力场分布如图1(c)所示.由图3可看出:∃在一定预应力条件下,单根锚索在其周围形成了类似心形的压应力分布区域,压应力在锚索尾部附近最大,锚固起始处附近次之,锚索自由段中部较小.锚索锚固段附近出现了拉应力区,但拉应力值很小.%随着每排锚索根数增加,单根锚索形成的压应力区逐渐靠近、相互叠加,锚索之间的有效压应力区扩大,并连成一体,近零应力区逐渐消失,形成类似鼓形的整体支护结构,锚索预应力及主动支护作用扩散到大部分锚固区域.&当每排锚索数增加到一定程度,再增加密度,对有效压应力区扩大、锚索预应力扩散作用的影响变得不明显.图3 不同间距锚索形成的应力场F i g 3 Stress fields caused by cable bo lts w ith d ifferent spaci ng i nrow图4 不同排距锚索形成的应力场F i g 4 Stress fields caused by cable bo lts w it h d ifferent row spacing 3 3 锚索排距对预应力场的影响图4为不同排距锚索形成的预应力场分布(预应力为200kN ),由图4可看出:∃当锚索排距较大时,每根锚索形成的有效压应力区彼此孤立,锚索之间及锚索长度中部的压应力值较小,锚索的主动支护作用不明显.%随着锚索排距缩小,单根锚索形成的压应力区逐渐靠近、相互叠加,锚索之间的有效压应力区扩大,并沿巷道轴线方向连成一体.&当锚索排距缩小到一定程度,再缩小排距,对有效压应力区扩大、锚索预应力扩散作用的影响变得不明显.3 4 锚索角度对预应力场的影响当预应力为200kN,锚索与垂线呈5,15,30#时,预应力场分布如图5所示.锚索垂直布置时的应4第1期王金华等:锚索支护传力机制与应力分布的数值模拟力分布如图1(c)所示.由图5可看出:图5 不同角度锚索形成的应力场F i g 5 Stress fields caused by cable bo lts w ith d ifferen t ang l es(1)当锚索垂直布置时,两根锚索形成的有效压应力区相互连接与叠加,在顶板形成厚度较大的压应力区,锚索预应力扩散与叠加效果最好.(2)随着锚索角度增加,每根锚索形成的有效压应力区逐步减小、分离,叠加区域越来越小.锚索长度中上部、锚索之间的压应力变得很小.当锚索角度达到10#时,两根锚索尾部形成的高压应力区明显分离.继续加大锚索角度,高压应力区分开的更远,且锚索角度达到15#时顶板表面中部出现了拉应力区.图6 组合锚索预应力形成的应力场F i g 6 Stress fie l ds caused by pretensi oned stress o f comb i ned cable bo lts(3)当锚索角度达到30#时,锚索形成的有效压应力区变得很小,而且彼此孤立,拉应力区进一步扩大,锚索的主动支护作用大大削弱.可见,在考虑锚索预应力的条件下,在近水平煤层巷道中,顶板锚索最好垂直布置.如考虑施工需要一定的角度,最大角度不应超过10#.3 5 锚索组合构件对预应力场的影响两根锚索采用钢梁组合在一起时的应力分布如图6所示.与无组合构件相比(图1(c)),可发现以下特点:(1)无组合构件时,锚索形成的有效压应力区在锚索尾部是彼此独立的.在顶板表面附近,有效压应力区呈圆形分布,相互不连接,锚索之间的压应力很小,预应力扩散范围小,锚索不能有效支护其间的围岩.(2)有组合构件时,锚索形成的有效压应力区在沿组合构件长度方向上显著扩大.在顶板表面附近,有效压应力区呈椭圆形分布,彼此相互连接,形成连续的有效压应力带,预应力扩散范围大,锚索能有效支护其间的围岩.(3)组合构件实现了锚索预应力的有效扩散,显著提高了对锚索之间围岩的支护作用,整体支护效果明显改善.4 结论(1)提出锚索预应力场的概念.基于零原岩应力场的锚索预应力场模拟分析方法,可清楚地计算分析锚索预应力及其它参数对预应力场的影响、分布特征与规律.(2)锚索预应力比较小时,锚索引起的压应力小,有效压应力区小,分布孤立;锚索预应力比较大时,锚索产生的应力大,在锚索自由段长度范围内,形成了相互连接成一片的、叠加的有效压应力区.(3)当预应力一定时,短锚索的主动支护作用优于长锚索;通过提高锚索预应力,可适当减小锚索长度;锚索越长,施加的预应力应越大.根据目前锚索预应力水平,锚索不宜过长,选择在4~6m 比较合5煤炭学报2008年第33卷6理.(4)单根锚索在其周围形成了类似心形的压应力分布区域.随着锚索密度增加,单根锚索形成的压应力区逐渐靠近、相互叠加,锚索之间的有效压应力区扩大,并连成一体,近零应力区逐渐消失,形成类似鼓形的整体支护结构,锚索预应力及主动支护作用扩散到大部分锚固区域.(5)顶板锚索角度对预应力场分布有显著影响.锚索垂直布置时,预应力扩散与叠加效果最好.随着锚索角度增加,每根锚索形成的有效压应力区逐步减小、分离,叠加区域越来越小.在近水平煤层巷道中,顶板锚索最好垂直布置.(6)锚索组合构件使锚索形成的有效压应力区在沿组合构件长度方向上显著扩大.组合构件实现了锚索预应力的有效扩散,显著提高了对锚索之间围岩的支护作用.参考文献:[1] 张发明,赵维炳,刘宁,等.预应力锚索锚固载荷的变化规律及预测模型[J].岩石力学与工程学报,2004,23(1):39~43.[2] B igby D.Coa lm i ne ro ad w ay support syste 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秀丽的水样年华——专访长江科学院研究室主任丁秀丽

作者：白兴军
作者机构：�科学中国人》编辑部
出版物刊名：科学中国人
页码： 92-93页
年卷期： 2010年第4期
主题词：长江科学院研究室水样主任高级工程师重点实验室学科带头人岩土力学
摘要：都说女人是水做的，似乎正是印证了这个说法，一个女人才能凭着她水样的天性．几十年如一日的在水上筑坝。

这个拥有着水样年华的女人就是现任长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室教授级高级工程师、重点实验室学科带头人兼工程岩体数值模拟与稳定性研究室主任丁秀丽。

锚索锚固机理的分析

锚索锚固机理的分析锚索置于稳定地层的段落为锚索提供了有效的锚固能力，从而在锚索张拉时提供有效的抗力，是锚索形成的预应力的基本保障之一。

锚索锚固力的产生主要受控于两个方面。

一是筋体与注浆体之间的握裹力，二是锚固段注浆体与周边岩土体之间的摩擦力，一切提高锚固力的工艺都是围绕这两方面展开的。

一、筋体与注浆体之间的握裹力由于钢绞线等筋体材料和注浆体的材料力学性能“均匀”可控的，因此，筋体与注浆体之间的握裹力计算较注浆锚固体与周边岩土体的接触摩擦力相对来说是准确的。

筋体与注浆体之间的握裹能力计算公式：式中Nak为锚索设计拉力（KN），n为钢绞线等筋体的根数，f 为钢绞线等筋体与注浆锚固体之间的粘接强度设计值（KPa ),L为锚固段长度（m）,K为锚固体的抗拔安全系数。

从以上公式可以看出，为了有效提供满足设计要求的锚固力，工程上往往采用四种途径：1、加大钢绞线等筋体的根数：通过加大筋体根数也就加大了筋体与注浆体之间的接触面积，从而提高锚索的锚固力。

2、加大钢绞线等筋体的直径：通过加大筋体直径也就加大了筋体与注浆体之间的接触面积，从而提高锚索的锚固力。

3、改善筋体与锚固体之间的力学性能：在筋体材料确定的情况下，通过提高注浆体强度（标号）来改善筋体与锚固体之间的力学性能。

这也是几十年来工程中将纯水泥浆或砂浆的注浆体强度由C25提高至C30、C35，甚至是更高的原因。

4、加长锚固段长度：即通过加长锚固段长度，从而提高锚索的锚固能力。

但以普通拉力型锚索为例，由于注浆锚固体与筋体之间存在明显的剪应力集中现象，导致锚固力与锚固段长度呈现非线性关系，即一味的增大锚固段筋体长度并不会不断的增加锚索的锚固力。

二、锚固段注浆体与周边岩土体之间的摩擦力由于不同的岩土体具有不同的抗剪强度，即不同地层对锚索的锚固能力是各有差异的，也就是说，不同的岩土体在单位长度范围内不同周长时提供的锚固力是不同的。

锚固体与周边岩土体之间锚固能力计算公式：式中Nak为锚索设计拉力（KN），τ为岩土体与锚固体极限粘接强度（KPa ),L为锚固段长度（m）,K为锚固体的抗拔安全系数。