岩石锚杆受剪切载荷作用下的锚固性能研究综述文章

中山大学陈瑜副教授研究团队针对岩石锚杆在地下工程中受剪切复合加载的情况，全面概述了该领域在实验、数值模拟和解析模型方面研究成果和进展。相关成果以“State-of-the-art on the anchorage performance of rock bolts subjected to shear load ”为题发表在IJCST(International Journal of Coal Science & Technology, https://doi.org/10.1007/s40789-023-00643-z或点击文末“阅读原文”）。

封面基于本篇论文的学术思想，以锚杆支护的隧道作为主场景，展示了实际中岩层界面处可能会出现锚杆变形，并放大显示了锚杆变形是由于受到了岩石界面的剪切力所致。

扫描二维码阅读全文

研究背景

岩石锚杆广泛用于地下工程中，作为在隧道、矿山和其他地下工程中为岩体提供支撑和稳定的重要手段。在高地应力环境下，岩层中经常会出现断层或软弱带，特别是在抵抗岩石沿弱结构面的剪切时，岩石锚杆的力学性能和行为异常复杂。当岩体发生剪切或剪滑时，由于材料之间的强度差异，较低强度的材料经常会因受到损坏，这对工程构造提出了重大挑战，并有可能导致工程的崩塌。因此，对岩石锚杆受剪载荷作用下的行为进行全面的理解至关重要。本文从实验、数值模拟和解析模型三个方面，详细介绍了岩石锚杆受剪载荷作用下的研究进展。该综述重点关注这一领域自1970年代以来的研究成果和进展，全面概述了影响岩石锚杆锚固性能的各种因素。此外，本文还提出了当前研究的局限性，并提出了进一步研究的建议。

研究进展

本综述的主要结论如下：

a)实验研究：在理解岩石锚杆在静态剪切载荷下的机制方面取得了显著进展。影响岩石锚杆剪切贡献的因素，如岩石锚杆安装直径和角度、岩石强度、灌浆材料、钻孔直径、岩石锚杆预应力、法向应力、接缝表面粗糙度和接缝张开角等已得到广泛研究。随着实验技术的进步，岩石锚杆试验研究变得更加精细，测量技术和加载技术的发展使数据更加可靠。

b)数值模拟：基于有限元、有限差分方法和离散方法的数值模拟，在可视化方面提供了岩石锚杆剪切试验中无法获得的细节。它们以动态变化的方式呈现了岩石锚杆加载过程中的应力、应变和位移等测试参数的变化，并对岩石锚杆剪切试验结果提供了合理的解释。然而，由于固有模型的限制，数值模拟在复杂物理场条件下的结果必然存在偏差。

c)解析模型：从大量岩石锚杆试验中得出的结论表明，岩石锚杆的贡献主要有三个方面：1）加固效应，2）由销子效应产生的剪切阻力，3）由摩擦效应产生的剪切阻力。以往的模型通常是基于力平衡或经验公式获得，因此一定程度上限制了应用范围。近年来，基于弹性基础梁理论、弹塑性理论和结构力学方法，解析模型的应用范围已经扩大，并且与试验结果吻合良好。

未来展望

目前对岩石锚杆剪切的研究仍存在一些局限性。由于物理场存在耦合情况，预设的固有结构模型往往无法匹配实际的物理场环境。因此，数值模拟结果与现场试验结果之间可能存在显著偏差。此外，目前对于岩石锚杆在剪切载荷下的解析模型与机制尚不完全清晰，因此，对于发展基于高应力工况下的解析模型亦具有重要意义。

作者简介

陈瑜，中山大学土木工程学院副教授，博士生导师，隧道工程灾变防控与智能建养全国重点实验室骨干教师，长期从事隧道与地下工程支护、数值仿真软件与计算方法开发及理论、深部岩体工程多场多相耦合等方面的研究。科研成果获国内外同行的广泛认可，与海内外高校和工业届保持紧密的科研合作关系。本科、硕士毕业于中南大学，博士毕业于挪威科技大学。曾任职于丹麦Ramboll国际工程咨询科研集团，获正式职位（Permanent Position）。曾荣获国家优秀自费博士留学生奖，入选中国博士后科学基金资助者选介。主持多个科研项目，包括国家自然科学基金面上项目和青年项目，广东省自然科学基金面上项目，中国博士后国际交流计划引进项目、特别资助、面上一等资助等。在国内外知名刊物上发表学术论文并担任多个期刊的编委、科学编辑与中青年编委。

引用格式： Chen, Y., Xiao, H. State-of-the-art on the anchorage performance of rock bolts subjected to shear load. Int J Coal Sci Technol 11, 9 (2024). https://doi.org/10.1007/s40789-023-00643-z

　　责任编辑：宫在芹

岩石锚杆受剪切载荷作用下的锚固性能研究综述文章

煤问提

煤传媒

煤视界

科技创新50强

会员中心