岩土力学 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (11): 3163-3173.doi: 10.16285/j.rsm.2021.2194

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考虑界面及损伤效应的岩体锚固系统 渐进破坏行为

赵增辉1, 2，刘浩1，孙伟1, 3，杨鹏1，陈宝森1   

  1. 1. 山东科技大学 能源与矿业工程学院，山东 青岛 266590； 2. 山东科技大学 矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地，山东 青岛 266590；3. 中国石油大学（北京）石油工程学院，北京 102249
  • 收稿日期:2022-01-10 修回日期:2022-07-13 出版日期:2022-11-11 发布日期:2022-12-02
  • 作者简介:赵增辉，男，1980年生，博士，副教授，博士生导师，主要从事城市、矿山地下工程力学与灾害防控方面的研究工作。
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目（No. 51774196）。

Progressive failure behavior of rock mass anchorage system considering interface and damage effect

ZHAO Zeng-hui1, 2, LIU Hao1, SUN Wei1, 3, YANG Peng1, CHEN Bao-sen1   

  1. 1. College of Energy and Mining Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China; 2. State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control Co-founded by Shandong Province and the Ministry of Science and Technology, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China; 3. Department of Petroleum Engineering, China University of Petroleum (Beijing), Beijing, 102249, China
  • Received:2022-01-10 Revised:2022-07-13 Online:2022-11-11 Published:2022-12-02
  • Supported by:
    This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (51774196）。

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摘要： 针对锚固岩体岩块-黏结层-锚杆各单元耦合作用，考虑岩块的弹塑性行为、黏结层的拉压刚度劣化以及锚杆的颈缩破断特性，基于Barton节理面粗糙度模拟节理面形貌，建立了常法向应力边界效应下节理岩体锚固的三维精细化数值模型，并通过试验结果对比论证了模型的可靠性，进一步分析了锚固角、节理面形貌对系统抗剪性能及各单元渐进损伤力学行为的影响。结果表明：锚杆变形分为线弹性、塑性强化和延性损伤软化3阶段，锚固角对锚杆应力分布有重要影响，锚杆破断位移随着锚固角的增大而减小；岩块水平位移呈现无明显增加、缓慢增加和急速增加3个阶段，节理面粗糙度对岩块塑性区形貌有较大影响；黏结层刚度折减呈三折线形式，随着粗糙度的增大，刚度折减速率减小，损伤程度减小；黏结层由于挤压作用易发生脱黏，导致岩块-黏结层-锚杆变形不协调，损伤累积最终发生锚固失效。所得结论对节理岩体锚固工程灾害防控具有重要意义。

关键词: 节理岩体, 锚固, 耦合作用, 渐进损伤, 三维仿真

Abstract: To analyze the coupling action of rock block, bonding layer and rockbolt, a three-dimensional refined numerical model of jointed rock mass anchorage system under constant normal stress was established considering the elastic-plastic behavior of rock block, the deterioration of tensile and compressive stiffness of bonding layer and the necking characteristics of anchor bolt. The joint surface morphology was established based on Barton's joint surface roughness. The reliability of the model was demonstrated by comparing with the experimental results first. Then, the effects of anchorage angle and joint surface morphology on the shear performance and the progressive damage behavior of each element were further analyzed. The results are summarized as follows: the deformation of rockbolt exhibits three stages: linear elasticity, plastic strengthening and ductile damage softening. The anchor angle has a great influence on the stress distribution, and the breaking displacement of rockbolt decreases with the increase of anchor angle. The horizontal displacement of rock block shows three stages: no obvious increase, slow increase and rapid increase. The roughness of joint surface greatly affects the morphology of plastic zone of rock block. The stiffness reduction trend of bonding layer exhibits a three-stage linear variation law. The bonding layer is prone to debonding due to extrusion, resulting in uncoordinated deformation of anchoring system. The conclusions are of great significance to the disaster prevention of anchorage engineering.

Key words: jointed rock mass, anchorage, coupling effect, progressive damage, 3D simulation

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