锚杆锚固作为煤矿巷道、边坡、隧道等工程主要的支护手段,可有效控制岩土体变形,但随着工程条件日益复杂,锚杆因受拉、剪协同作用而产生的破断问题愈发突出,给岩土工程的安全稳定带来巨大挑战。目前,拉剪耦合作用下锚杆失效机制与破断判据尚未明确,工程应用层面的锚杆拉剪破断行为数值模拟尚未实现,阻碍了锚固支护理论发展与支护设计优化。本文在此背景下开展以下研究工作,并得到相关结论。(1)锚杆拉剪失效机理与承载特性研究自主研发了锚杆拉剪实验系统,以混凝土块体(7组)和花岗岩块体(8组)分别作为剪切加载介质,模拟工程岩体对锚杆的剪切作用,开展了锚杆自由段杆体拉剪室内试验,掌握了锚杆杆体在拉剪作用下的变形特征与周围岩体破坏情况;分析了杆体极限抗剪载荷与剪切刚度指标、荷载位移变化及应变发展规律,研究了锚杆拉剪力学特性与杆体破断失效机理;探索了不同剪切加载介质中锚杆拉-剪极限承载关系(Fn-Fs),并进一步推导了锚杆拉剪承载力计算方法(n-s公式),确定了拉剪作用下锚杆的承载极限包络范围,得到锚杆拉剪耦合破断判据即f(n,s)公式。结果表明:①锚杆初始拉力越大或试块强度越高,锚杆破断时横向变形量越小,周围岩体破坏程度越轻;②花岗岩组锚杆极限抗剪载荷小于混凝土组,但初期剪切刚度大于混凝土组;③初始拉力越大,剪力峰值与剪切位移越小,花岗岩组中剪力峰值及剪切位移小于混凝土组;④相对于高强度岩体,低强度岩体锚杆受剪单元转动角度更大,剪切力向轴向力发生大量转化,锚杆失效拉破断占主导,而高强度岩体中锚杆失效剪破断占主导。(2)锚杆单元拉剪破断行为数值模拟实现研究基于FLAC3D数值模拟平台,以锚杆拉剪耦合破断判据f(n,s)公式为依据,将拉剪作用下的极限承载力作为破断标准,并通过FISH语言程序实现修正Pile单元自带本构关系,建立拉剪耦合修正数值模型,实现锚杆(Pile)结构单元拉剪破断行为的精确模拟。锚杆拉剪数值试验验证结果表明,自带模型与拉剪独立模型承载能力被放大,而拉剪耦合修正模型破断响应满足拉剪承载力耦合作用关系,更加符合锚杆破断实际。(3)锚固支护实例数值模拟应用研究基于锚杆(Pile)单元拉剪耦合修正模型,构建锚固支护精细化数值模拟平台,并以典型工况为工程背景,开展了工程案例模拟及锚固状态、地应力等级等多因素数值试验。结果表明:①引入拉剪破断判据的修正模型围岩收敛变形量较原始模型增加了约11%,且煤岩交界出现明显的锚杆削断现象;②煤岩交界处的自由段杆体更易发生破断,且煤岩交界滑移量更大;③竖向地应力等级越大,支护构件失效越严重,侧压力系数越大,顶底板方向围岩塑性区发展越深入,煤岩交界剪切作用越强。进一步揭示了巷道渐进失效机理:顶板煤岩交界锚杆的剪破断及帮部锚杆拉破断是导致支护体系从点到面、再到全面失效的根本诱因,是巷道收敛变形失控的突破口,并基于此提出5条锚杆破断控制对策。