隧道全长粘结锚杆锚固参数优化及无损检测技术研究

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1、华中科技大学硕士学位论文1绪论1.1研究目的及意义新奥法（NewAustrianTunnelingMethod）自问世以来，在隧道工程施工中被大规模的使用，使得锚杆在目前隧道设计与施工中成为一种适应现代支护理论的最常见的支护手段。然而在地下空降修筑隧道等结构时一定会对原有的围岩状态产生扰动，导致隧道围岩的形变、破坏甚至隧洞坍塌。基于此，必须要构建一定的支护结构物用来控制围岩的变形，防止围岩遭到破坏，导致隧洞坍塌。在新奥法隧道支护理论中，围岩自身作为支护结构发挥重要作用与其他支护结构共同承担变形，但隧道洞身周围的岩体介质是自然形成的，其性质必有很大的

2、差异，并且岩体组成结构及力学性质极其复杂，有些参数无法精确的测量并确定，这极大的影响了隧道的施工建设。另一方面，由于缺乏准确的参数值，与之相关的理论研究和工程实际还存在较大的偏差。显然，在隧道工程建设过程中最重要的是减少围岩松弛，有效控制围岩松弛发展，也就是说选取合适的支护结构和方法来有效地控制围岩变形。锚杆支护作为新奥法的重要支护手段之一，是控制围岩变形，应力松弛的有效手段。了解锚杆支护作用机理、锚杆受力分析对于隧道设计是十分有必要的。其次，对隧道设计而言，锚杆的支护参数优化是极为重要且有意义的。第三，锚杆施工质量的好坏直接影响隧道结构的安全与稳

3、定，那么对于锚固质量的检测就显得尤为重要。基于此，锚杆作用机理研究，锚固参数优化和锚杆质量检测水平仍然需要进一步研究和尝试。本论文依托广东省南粤交通揭（阳）惠（来）高速公路建设项目中小北山1#隧道工程，开展隧道围岩稳定性分析，隧道锚杆支护数值模拟，锚杆锚固参数优化比选，应力波传播规律研究和锚杆无损检测技术研究，对隧道锚杆设计和锚杆施工具有一定的指导意义。1华中科技大学硕士学位论文1.2国内外研究现状1.2.1锚杆作用机理研究早在二十世纪初，在施工中就开始使用锚杆支护。然而，对于锚杆作用机理的研究却整整晚了五十多年。现阶段，锚固作用机理研究有两个方向

4、：一是以锚固体为切入点，探讨锚固体和岩土体的相互作用机理，即力是如何在之间相互传递；另外一个方向则是以岩土体为研究对象，在锚固前后，岩土体力学性质的变化规律。（1）以锚固体为切入点，探讨锚固体和岩土体的相互作用机理，即力是如何在之间相互传递。分析研究锚固体上的应力分布规律和荷载传递机理，尤其是对注浆岩石锚杆中的锚杆与注浆体、注浆体与围岩体的研究。大量文献研究了隧道锚杆锚固作用机理，以全长粘结式锚杆系统为例，锚固胶结体分别和围岩体、锚杆之间存在着作用力。隧道开挖引起围岩变形，整个锚固层由于围岩变形而变形，导致锚杆发生形变，即锚杆产生受力。而在软弱破碎

5、围岩中，一般将锚固胶结体和锚杆当成整体，也就是说围岩变形引起整个锚固单元体发生位移，继而产生相互作用力。Goto[1]，Hansor[2]以及Lutz[3]等人研究了如何提高锚杆的作用效果，发现锚杆表面的粗糙皱曲度增加了锚杆与围岩的接触面，这可以增强锚固胶结体的抗剪强度。B.Stillborg[4]研究了如何提升锚杆的承载力，结果表明锚杆的埋置深度能够较大的影响其承载力，而灌浆材料的水灰比和添加剂也不同程度的影响锚杆的承载力，但是忽略了围岩压力对承载力的影响。Philips研究了锚杆界面的应力分布情况，发现剪应力的分布呈指数函数，积分即可得到最大锚

6、固力。然而，这种方法得到的最大锚固力在实际中并不适用，因为剪应力并不会一直连续增加，荷载增加到一定程度，剪应力会发生转移产生应力重分布现象。I.W.Farmer&Holmberg[5]通过锚杆拉拔试验和理论分析提出了应力分布模型，模型参数包括注浆体、锚杆、围岩，通过这个应力分布模型计算的锚固段阻力分布情况同剪应力分布一样，均呈指数关系。2华中科技大学硕士学位论文Haberfield[6]针对锚杆和注浆体界面的力学特性进行了室内相似模型试验，结果表明注浆长度和锚杆的刚度对其均有不同程度的影响，该界面的剪切强度与注浆锚杆的侧限刚度呈正相关。Kilic[

7、7]通过锚杆拉拔试验，研究了影响锚杆锚固力大小的因素。结果表明其直径、长度和侧面形状对锚杆锚固力均有不同程度的影响。对于光圆形状锚杆来说，锚杆与胶结材料之间的粘结强度决定了锚杆的极限承载力；而对于螺纹式锚杆来说，由于螺纹的存在，增加了接触面积，故胶结材料的抗剪强度和抗压强度均影响着锚杆的极限承载力，一般情况下，其抗剪强度小于抗压强度，即胶结材料的抗剪强度应该是起决定性的作用。研究表明，光圆锚杆的极限承载力仅占螺纹锚杆的15%。同时，Kilic[8]还研究了胶结材料的力学特性，发现了随着养护时间和锚固长度变化，锚杆极限承载力的变化规律。基于上述这些影

8、响因素，提出了锚杆承载力的经验公式。Gurung[9]和FujitaK[10]等人通过锚杆拉拔试验研究了锚杆的受力特性。N