全长粘结型锚固节理面剪切荷载-剪切位移曲线预测方法技术

本发明专利技术提供一种全长粘结型锚固节理面剪切荷载‑剪切位移曲线预测方法，包括以下步骤：开展岩体节理直剪试验，得到节理面剪切荷载‑剪切位移曲线；将节理面与锚杆的交点定为O点，锚固端定位C点，当锚杆发生弯曲时，测量锚杆与节理面的夹角，计算锚杆锚固端C点轴力，从而计算所述O点的剪力和轴力；利用莫尔‑库伦准则，计算锚杆贡献的抗剪强度τ，得到锚杆贡献的抗剪强度‑剪切位移曲线，从而可得到锚固节理面剪切荷载‑剪切位移曲线预测曲线。本发明专利技术提出的技术方案考虑法向荷载对锚杆轴向应变的抑制作用计算锚固端C点轴力，获取锚固节理面剪切强度预测曲线，对预测矿山、洞室锚固岩体受剪切失效破坏有很好的指导意义。

【技术实现步骤摘要】
全长粘结型锚固节理面剪切荷载-剪切位移曲线预测方法
本专利技术涉及岩土工程试验装置
，尤其涉及一种全长粘结型锚固节理面剪切荷载-剪切位移曲线预测方法。
技术介绍
锚杆广泛应用于岩石开挖中对裂隙岩体的加固和降低岩体边坡的变形，锚固工程可以有效的提高岩石节理的抗剪强度。锚固节理的剪切力学反应是复杂的，影响锚固节理抗剪强度的因素包括节理粗糙度、岩石强度、界面粘结特性、锚固角度、锚杆性能、预应力等，众多的学者对这些影响因素做了大量的研究。然而，法向荷载对锚杆剪切力学行为的影响被学者们忽略。此外，学者们提出了很多分析模型来描述在剪切荷载下锚固岩体节理面剪切过程中的力学响应，但是大多数都集中在锚杆产生的销钉力，很少有人能成功的预测锚杆中轴力的变化。对锚固节理抗剪强度贡献主要有三个影响因素：一、横向与锚杆轴线的销钉力；二、在剪切过程中，将锚杆拉向剪切方向所产生的轴力；三、节理面的摩擦性能。最早，Pellet和Egger在考虑锚杆在节理面附近发生拉伸变形、剪切变形和局部转动，描述出完整的剪切应力应变曲线。Maekawa和Qureshi提出了考虑轴向载荷的分析模型，将锚固岩体节理的整体剪切力简化为锚杆的销钉剪切力。Li等人提出了锚固岩石节理的分析模型，该模型能够估算双剪试验的极限抗剪强度。这些分析模型都忽略了法向荷载对锚固节理剪切行为的重要影响，法向荷载增大能够使锚杆的弯曲度变大且锚杆的轴力发挥变小。此外，对于锚固端C点轴力的力学分析均是基于直杆杆件，而锚杆在剪切过程中弯曲度不断变化，成为一个弯杆的力学分析很少提及。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的实施例提供了一种全长粘结型锚固节理面剪切荷载-剪切位移曲线预测方法，考虑法向荷载对锚固端C点轴力的抑制作用，获取锚固节理剪切荷载-剪切位移预测曲线，对于预测矿山、洞室锚固岩体受剪切失效破坏有很好的指导意义。本专利技术的实施例提供一种全长粘结型锚固节理面剪切荷载-剪切位移曲线预测方法，包括以下步骤：S1开展岩体的无锚节理，得到节理面剪切荷载-剪切位移曲线；S2将节理面与锚杆的交点定为O点，锚固端定为C点，当锚杆发生弯曲时，测量锚杆与节理面的夹角，基于弹性地基梁理论计算所述O点的转动角、根据材料应力-应变关系，并且考虑法向荷载对锚杆轴向应变的抑制作用，计算锚杆锚固端C点轴力，得到锚固端C点轴力和剪切位移的对应数据，从而计算所述O点的剪力和轴力；S3根据步骤S2得到的数据，由步骤S1中无锚节理直剪试验的试验结果计算节理摩擦角φj，利用莫尔-库伦准则，计算锚杆贡献的抗剪强度τ，得到锚杆贡献的抗剪强度-剪切位移曲线，其中，锚杆贡献的抗剪强度公式为：式中，τ为锚杆贡献的抗剪强度，φj为节理摩擦角，β为锚杆与节理面的夹角，ωo为O点的转动角，No为O点的轴力，Qo为O点的剪力；S4将步骤S1中无锚节理直剪试验得到的所述节理面剪切荷载-剪切位移曲线和步骤S3中得到的所述锚杆贡献的抗剪强度-剪切位移曲线相加，可得到锚固节理面剪切荷载-剪切位移曲线预测曲线。进一步地，步骤S2中，所述锚杆在弹性阶段时，根据弹性地基梁理论，所述O点的剪力公式为：式中，Qo为O点的剪力，k为弹性地基的模量，S为O点的剪切位移，β为锚杆与节理面的夹角，E为锚杆的杨氏模量，Ib为锚杆的转动惯量。进一步地，步骤S2中“根据材料应力-应变关系，并且考虑法向荷载对锚杆轴向应变的抑制作用，计算锚杆锚固端C点轴力”中，引入衰减参数g来描述法向应力对锚杆轴力应变的衰减规律，锚固端C点轴力公式为：式中，g为衰减参数，a、b为试验参数，S为O点的剪切位移，A为锚杆的横截面面积，E为锚杆的杨氏模量；步骤S2中，将锚杆视作弯曲角度不断增大的弯曲杆件，基于弯曲杆件中的静力平衡条件和弹性地基梁理论，描述锚杆在弹性阶段时，所述O点轴力公式为：式中，g为衰减参数，a、b为试验参数，S为O点的剪切位移，A为锚杆的横截面面积，E为锚杆的杨氏模量，k为弹性地基的模量，β为锚杆与节理面的夹角，ωo为O点的转动角，Ib为锚杆的转动惯量。进一步地，所述衰减参数g的公式为：式中，σn为法向应力，单位为MPa，c为拟合参数。进一步地，步骤S2中，所述锚杆在塑性阶段时，所述O点的剪力公式为：Qop＝Qe式中，Qop为O点的剪力，Qe为达到屈服应力时的剪切力。进一步地，步骤S2中“根据材料应力-应变关系，并且考虑法向荷载对锚杆轴向应变的抑制作用，计算锚杆锚固端C点轴力”中，在塑性阶段锚固端C点轴力公式为：NC＝εeAE+(εC-εe)AEp式中，εe为材料到达屈服强度是对应的应变，A为锚杆的横截面面积，E为锚杆的杨氏模量，Ep为塑性模量；步骤S2中，所述锚杆在塑性阶段时，将锚杆上剪切力为0、弯矩达到最大值的点定为A点，所述O点轴力公式为：式中，Nop为O点在塑性阶段的轴力，g为衰减参数，εe为材料到达屈服强度是对应的应变，A为锚杆的横截面面积，E为锚杆的杨氏模量，εc是关于O点的剪切位移S的函数，Ep为塑性模量，Qe为达到屈服应力时的剪切力，LA为AB段的长度，ωoe为到达屈服强度时O点的转动角，Sp为锚杆O点在塑性阶段的剪切位移，β为锚杆与节理面的夹角。本专利技术的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：该模型把锚杆视作弯曲角度不断变大的弯曲杆件，建立弯曲杆件的静力平衡来描述轴向荷载的传递机制，并且考虑了法向荷载对锚杆轴向应变的影响。该模型能较好地预测不同法向荷载作用下锚杆轴向力的变化规律，计算出锚杆对于节理剪切强度的增加值，从而获取锚固节理面剪切强度预测曲线，该方法对于预测矿山、洞室锚固岩体受剪切失效破坏有很好的指导意义。本专利技术提出的方法考虑了锚杆性能，砂浆强度，锚固角等因素，重点考虑了锚杆法向荷载的影响，基于弯曲杆件轴向荷载传递机制，提出了一种锚固节理剪切作用的分析模型。通过弹性地基梁理论，纵横弯曲理论，提出了预测锚固节理受剪切作用时，剪切强度预测模型。该模型考虑了锚杆弯曲的弹性阶段和塑形阶段，以及轴力在弯曲杆件中的传力特性，能够较为准确的预测锚固节理剪切强度，对工程上边坡监测与加固有着很好的指导作用。附图说明图1是本专利技术提出的全长粘结型锚固节理面剪切荷载-剪切位移曲线预测方法一实施例中的流程示意图；图2是本专利技术实施例中岩体节理直剪试验的原理示意图；图3是本专利技术实施例中锚杆变形前的受力分析图；图4是本专利技术实施例中锚杆变形后的受力分析图；图5是本专利技术实施例中截面法分析B点轴力的示意图；图6是本专利技术实施例中锚杆在塑性阶段位移与力和转动角的关系图；图7是本专利技术实施例中无锚节理的节理面剪切荷载-剪切位移曲线；图8是本专利技术实施例中锚固节理的节理面剪切荷载-剪切位移曲线；图9是本专利技术实施例中线性强化弹塑性材料应力应变关系曲线；图10是本专利技术实施例中锚固节理的节理本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种全长粘结型锚固节理面剪切荷载-剪切位移曲线预测方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1开展岩体的无锚节理和锚固节理直剪试验，分别得到节理面剪切荷载-剪切位移曲线；/nS2将节理面与锚杆的交点定为O点，锚固端定为C点，当锚杆发生弯曲时，测量锚杆与节理面的夹角，通过弹性地基梁理论计算所述O点的转动角，根据材料应力-应变关系，并且考虑法向荷载对锚杆轴向应变的抑制作用，计算锚杆锚固端C点轴力，得到锚固端C点轴力和剪切位移的对应数据，从而计算所述O点的剪力和轴力；/nS3根据步骤S2得到的数据，由步骤S1中无锚节理直剪试验的试验结果计算节理摩擦角φ

【技术特征摘要】
1.一种全长粘结型锚固节理面剪切荷载-剪切位移曲线预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1开展岩体的无锚节理和锚固节理直剪试验，分别得到节理面剪切荷载-剪切位移曲线；
S2将节理面与锚杆的交点定为O点，锚固端定为C点，当锚杆发生弯曲时，测量锚杆与节理面的夹角，通过弹性地基梁理论计算所述O点的转动角，根据材料应力-应变关系，并且考虑法向荷载对锚杆轴向应变的抑制作用，计算锚杆锚固端C点轴力，得到锚固端C点轴力和剪切位移的对应数据，从而计算所述O点的剪力和轴力；
S3根据步骤S2得到的数据，由步骤S1中无锚节理直剪试验的试验结果计算节理摩擦角φj，利用莫尔-库伦准则，计算锚杆贡献的抗剪强度τ，得到锚杆贡献的抗剪强度-剪切位移曲线，其中，锚杆贡献的抗剪强度公式为：



式中，τ为锚杆贡献的抗剪强度，φj为节理摩擦角，β为锚杆与节理面的夹角，ωo为O点的转动角，No为O点的轴力，Qo为O点的剪力；
S4将步骤S1中无锚节理直剪试验得到的所述节理面剪切荷载-剪切位移曲线和步骤S3中得到的所述锚杆贡献的抗剪强度-剪切位移曲线相加，可得到锚固节理面剪切荷载-剪切位移曲线预测曲线。


2.如权利要求1所述的全长粘结型锚固节理面剪切荷载-剪切位移曲线预测方法，其特征在于，步骤S2中，所述锚杆在弹性阶段时，根据弹性地基梁理论，所述O点的剪力公式为：



式中，Qo为O点的剪力，k为弹性地基的模量，S为O点的剪切位移，β为锚杆与节理面的夹角，E为锚杆的杨氏模量，Ib为锚杆的转动惯量。


3.如权利要求2所述的全长粘结型锚固节理面剪切荷载-剪切位移曲线预测方法，其特征在于，步骤S2中“根据材料应力-应变关系，并且考虑法向荷载对锚杆轴向应变的抑制作用，计算锚杆锚固端C点轴力”中，引入衰减参数g来描述法向应力对锚杆轴力应变的衰减规律，锚固端C点轴力公式为：



式中，g为衰减参数，a、b为试验参数，S为O点...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑罗斌，王亮清，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：湖北;42