在地下岩体工程施工中会经常遇到破碎带问题,其开挖与支护成为难题之一.六七十年代,在破
建设中就用了该法.到如今又发展到了管棚、超前小导管(锚杆)注浆以及联合超前锚杆加固等.超前支护是一种辅助施工方法,因其相对于隧洞的施工(主要是相对于复合式衬砌)为辅助施工措施,因此国内习惯上称作辅助施工法,而国外多称预加固技术或地层处理技术.超前锚杆具有用途广、成本低、施工速度快与使用灵活等优点而受施工单位欢迎.
对于超前锚杆加固机理研究,余静、姜春旭等认为在掘进前将锚杆预先固结在岩层内,按巷道轮廓线形成岩石围壁,并用结构力学的无铰等截面圆弧拱在均布荷载q作用下求解.陶龙光等认为超前锚杆与破碎岩块组成一个中间部位刚度较低的梁,使其形成三维的拱壳结构,形成人为拱效应,并用碎块体力学理论求解.这些学者揭示了超前锚杆加固结构使端头(工作面)顶部破碎岩层由二维受力转为三维受力,形成“人为拱效应”等方面起到了重要的作用,但这些理论是建立在结构力学和碎块力学等力学分析基础上的,事实上超前锚杆加固作为一种辅助支护,顶板会产生一定的沉降,因而所假设的拱是有几何缺陷的,可见这些学者能解释这种结构所受的应力而不能说明顶板位移的一些规律.
目前国内外就隧洞工程稳定性问题研究处理方式繁简各异.本文将超前锚杆加固所形成的固结拱简化为在均布径向荷载作用下的圆弧拱,由于破碎带岩体的非连续性,故将这种由破碎带岩块起而言可以看成是一个薄壁)看成有几何缺陷的圆弧拱.下面利用屈曲理论及薄膜理论对这种拱结构的机理进行研究.
按照经典屈曲理论及薄膜理论[5--7],在确定拱的弹性屈曲荷载时作基本假定:①前屈曲变形假设为线性,从而使应力计算线性化;②采用刚塑性体模型假设;③屈曲前位移对屈曲行为的影响忽略计;④拱与两帮的连接为固支.
式中,εb为弯曲应变,εm为薄膜应变.εb=-y(v″+w″)R,εm=w′-v′+12(v′+w′)2, ( )′=d( ) /dθ, ( )″= d2( ) /dθ2表示角度坐标θ的微分,y为P点在拱截面的纵向坐标, v为拱轴径向位移,w为拱轴切线方向的位移, v=v /R, w=w /R分别为径向和轴向的量纲1位移,2a为展开角,R为圆弧拱半径,θ为角坐标, k为曲率的变化值.考虑薄膜应变对曲率的影响时,弯曲应变可变换为:εb=yk=-y(v″+v′)R式中,E、Ix、A、Qs和α分别为弹性模量、截面惯矩、截面面积、总的应力和拱的开角的1/2.对式(3)进行分步积分求出径向和轴向屈曲平。

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