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预应力作为锚杆支护的核心参数,其在复合岩层中的分布扩散对改善层状岩体力学性能具有重要作用,现场实际中,由于围岩结构和锚杆支护参数的差异使得复合岩层锚杆预应力场的分布具有一定的复杂性。为揭示锚杆在复合岩层中预应力场的分布规律,使锚杆预应力场在复合岩层中充分扩散,从而提高围岩的整体承载能力,发挥锚杆主动支护作用,本文以相似模拟试验为主要研究手段,结合数值模拟方法,针对结构面两侧力学性质相差较大的软硬复合岩层,在不同锚固方式、不同锚杆穿层顺序、不同组合构件、不同锚杆数量、不同预紧力的条件下对锚杆预应力场进行研究,重点比对了不同锚固方式(端部锚固与加长锚固)和不同锚杆穿层顺序(软-硬穿层、硬-软穿层)下锚杆预应力场的分布差异,并基于试验结果对复合岩层锚固参数进行优化。本文得到的主要成果如下:(1)通过对24组软硬水泥砂浆试块的力学性能测试,确定了抗压强度与弹性模量差异较大(抗压强度σ_硬=2.65σ_软,弹性模量E_硬=3.51E_软)的两种水泥砂浆相似材料,搭设了1:1比例、尺寸为3m×2m×2m(长×宽×高)的复合岩层相似模拟试验台;(2)通过相似模拟试验揭示出复合岩层中锚杆在不同组合构件作用下预应力场的分布规律:压应力主要分布在锚杆自由段范围内,在锚杆自由段的两端附近形成了两个压应力集中区,在锚固段附近围岩中形成了一个拉应力集中区。根据预应力分布情况对各常用组合构件进行了评判,根据预应力扩散效果排序依次为W钢带>W钢护板>托盘>钢筋托梁。加长锚固时,各组合构件效果差异较端部锚固时有所减弱;(3)针对锚杆在围岩中的穿层顺序,通过比对软-硬复合岩层(托盘作用于软岩)和硬-软复合岩层锚杆预应力场的差异,得出围岩强度对锚杆锚固段拉应力分布存在较大影响:锚固段在硬岩中时,形成的拉应力峰值高,在杆体自由段上端附近围岩中形成的压应力集中区范围大,且拉应力沿杆体轴向衰减较软岩更快。综合分析预应力场分布情况,软-硬复合岩层的预应力扩散效果优于硬-软复合岩层;(4)通过比对锚杆在不同锚固方式下的预应力场分布,复合岩层锚杆端部锚固的预应力场分布效果明显优于加长锚固。端部锚固时,在结构面附近围岩中形成了较为集中的压应力分布带,加长锚固时,在结构面附近的围岩中形成了拉应力分布区;(5)对两层复合岩层和未能通过相似模拟试验实现的单一岩层、三层复合岩层锚杆预应力场进行了数值模拟,并与相似模拟结果进行了比对,二者在应力数值、扩散范围和拉应力区起始范围上存在一定差异,但整体规律基本一致;(6)基于试验结论对复合岩层锚固参数进行优化:(1)合理控制锚固长度。适当缩短锚固段锚固长度,留设一定长度的自由段,有利于预紧力在围岩中充分作用,但锚固段长度过短,不利于压应力在锚杆轴线方向的贯通,同时会降低锚固的可靠性。(2)合理控制锚固段与结构面的相对位置。可通过缩短锚固长度,使结构面处于较高压应力的作用范围之内,或适当加长锚固长度,使结构面位于锚固段中后部,避开拉应力集中区域,降低拉应力对结构面的影响。(3)合理选择复合岩层锚固段围岩岩性。复合岩层中优先将锚固段布置在硬岩中,有利于自由段靠近锚固段一端压应力区应力峰值的提高和扩散,进一步提高了对杆体自由段范围内围岩的控制作用。