文档介绍：?考虑峰后特性的隧道围岩锚固力学效应考虑峰后特性的隧道围岩锚固力学效应肖旺，苏永华，方砚兵（湖南大学土木工程学院，湖南长沙410082）摘要：围绕处于峰后状态的隧道围岩在全长黏结锚杆支护下的力学机制进行研究。按力学特征，将在次生应力作用下的所示，其变形可分为弹性区、塑性强化区、塑性软化区和塑性残余区，为了简化，把弹性区和塑性强化区看成峰前弹性变形阶段［1］。图2围岩峰后软化模型
-peaksofteningmodel岩石峰后应变软化定律简化为理想残余塑性模型［7-11］,见图2(b)；由研究可知［1,7-9］凝聚力c会随着塑性应变的增加而逐渐减小至残余值。假设c随塑性切应变线性软化［1,7-9］，见图2(c)。根据图2(b)，采用线性Mohr-Coulomb准则［1,7-10］：(1)式
中，Kp=(1+sin屮)/(1-sin屮),屮为岩体内摩擦角；Oc为岩体峰值强度，Oc=2c0cos屮/(1-sin屮)。在塑性软化区，式(1)变为：(2)式中，为取决于塑性区主应变增量的岩体单
向抗压强度［7-8］，由式(3)确定；为塑性软化区的凝聚力，，Mc为塑性软化区凝聚力软化模量，Mc=(c0-c*))；c0和c*
分别是岩体峰值区和残余区的凝聚力。(3)令软化系数k=Mc，在围岩残余区，根据式(1)有：(4)式中，为岩体残余强度，屮/(1-sin屮)。，扩容系数与应变关系［1,7-9］如图3所示。-peakdilatancymodel考虑岩体扩容的非关联流动法则［7-11］，在塑性软化区有：(5)式中，分别为塑性软化区径向，切向应变增量；hl为考虑塑性软化区岩体扩容引进的参数，h1=(1+sin屮)/(1-sin屮)［10-11］,屮为围岩塑性区的剪胀角，它反映了围岩的塑性膨胀特性，由三轴屈服试验确定［10］。在塑性残余区有：(6)式中，分别为塑性残余区径向，切向应变增量；h2为考虑塑性残余区岩体扩容引进的参数，由其定义可知h2=1+®，根据文献［7-8］~。，锚杆对围岩的锚固作用体现在径向和切向的锚固力。径向锚固力对围岩施加围压，围压增大使塑性扩容降低，稳定性增强。锚杆贯穿隧道围岩的软弱面，切向锚固力改善软弱面的力学性质，使围岩抗剪强度参数c，屮提高，残余强度增大，进而降低围岩软化模量。根据文献［16］锚杆作用机理，在围岩残余区(7)式中，cm
为施加锚杆后残余区黏聚力增大值；。s为锚杆屈服强度；ds为锚杆直径；Sc，Sl分别为锚杆沿隧道纵向和横向的布置间距。施加锚杆后的岩体强度为
:(8)施加锚杆后围岩软化模量为:(9)，围岩变形引起的。通过大量的拉拔试验［14-15］表明，围岩变形产生剪应力的主要原因是锚杆和围岩之间的相对位移。从测试结果［17-18］可以看出，当接触面上没有滑移时，即锚杆与岩体完全黏结，锚杆与围岩界面剪应力与剪切位移呈线性增加关系。图4为锚杆受力图。图4锚杆受力图
，取锚杆轴向微元段，荷载以图示向右为正，T(r)为锚杆界面剪应力分布，P(r)为锚杆轴力。假定锚固体表面剪应力与剪切位移呈线弹性关系［17-18］,则有：(10)式中，r为锚杆沿隧道半径方向的坐标；£(r)为锚杆的轴向正应变；K为锚固体与锚固层界面的拉拔剪切刚度［14-15,17-18］。(11)式中，Er，Eg分别为围岩和灌浆的弹性模量；vr，vg分别为围岩和灌浆的泊松比。剪应力在锚杆长度上的积分即为轴力分布：(12)轴向拉应变(13)式中Es为锚杆的弹性模量。联立式(10)、(12)和(13)有(14)利用边界条件：P(r)|r=r0=P0；P(r)|r=L0=0解得：(15)(16)式中，D1=-P0emr0/(e2mL0-e2mr0)；D2=P0em(r0+2L0)/(e2mL0-e2mr0)，P0为锚杆端部轴力，即端部预紧力，m2=4K/(Esds)。(r)作用于圆形隧道围岩，假设锚杆沿隧道断面对称分布［13］，即可分析仅含有单根锚杆的围岩楔形单元体，如图
5所示。图5锚杆与围岩楔形单元
，取锚杆微段dr界面上的合力dQ为(17)此微段的体积dV为:dV=Scradr,