预应力岩锚内锚固段锚固性能及荷载传递机理研究

摘要

国家实施西部大开发战略,公路交通是需要首先解决的基础设施问题。在西部地区公路建设中,高危边坡的加固、环境地质灾害的整治成了工程建设中的重要组成部分,锚固技术被国内外岩土工程界公认为处置该类工程问题最直接有效的工程措施。以预应力锚索为基础的各种岩土支护结构因为其高效性、经济性和实用性,已经在这些工程中得到了广泛的应用,其工程实践已远远超前于理论研究,因此,运营中或施工中的锚固工程的预应力锚索不可避免地出现了失效破坏。内锚固段作为预应力锚索的主要受力和传力构件,对其锚固性能及荷载传递机理展开研究具有重要的理论意义和工程实用价值。
　　论文以国家杰出青年科学基金项目“岩土工程减灾”(50625824)和交通部西部建设科技项目“岩土锚固安全评价与处治技术研究”(200431874010)为依托,采用野外现场调研、资料收集整理、试验研究、理论分析以及数值模拟等方法,系统地研究了预应力锚索内锚固段的锚固性能及荷载传递机理。论文的主要工作如下:(1)通过野外现场调研、室内资料搜集整理等手段,拟定部分在试验室内人为可控可调的、影响岩锚内锚固段锚固性能的内部因素作为研究对象。以公路边坡岩土锚固中使用较为普遍的4Ф15.24mm和6Ф15.24mm的锚束为原型,采用实际的岩石、注浆体、钢绞线为原材料进行缩尺试验,对这些内部影响因素逐一进行了研究,提出了在保证注浆体强度等级及施工和易性的情况下、通过调整注浆体的配合比来增强岩锚锚固性能的方法,得出了普通预应力锚索的主要失效破坏模式。(2)分析了国内外关于岩锚荷载传递机理研究的各自优缺点,针对普通预应力锚索的荷载传递特性,基于Mindlin解推导了内锚固段的注浆体与岩石粘结界面上的应力分布弹性解,在考虑界面本构模型的基础上推导了锚索与注浆体粘结界面上的应力分布弹性解,并用该弹性解对普通预应力锚索的主要失效破坏模式进行了分析。(3)基于普通预应力锚索的荷载传递机理和主要失效破坏模式,将结构工程中的压花锚的压花结构做了较大改进,用于岩土锚固工程中,分析了压花锚的荷载传递机理,通过抗拔试验研究了其锚固性能,并从不同角度对其锚固性能进行了优化研究。(4)采用直剪试验研究了内锚固段所在位置的上覆岩土层厚度、孔壁清洁度以及孔壁粗糙度对注浆体岩石界面抗剪特性的影响。采用分形理论对粗糙度试验结果进行了分析,提出了联合分形维数D和粗糙度系数JRC精确定量表征界面粗糙度的方法。鉴于注浆体与岩石的粘结强度是预应力锚索内锚固段长度设计的关键参数之一,建议以直剪试验为基础,采用综合因素法确定注浆体与岩石间的粘结强度。(5)建立了岩锚拉拔试验的有限元计算模型,采用试验实测数据对该模型进行了验证,利用ANSYS程序分别计算了普通锚和压花锚内锚固段的应力分布,对其不同的荷载传递机理进行了比较分析。最后采用该模型对普通锚和压花锚在不同拉拔过程中的荷载变位特性进行了数值模拟,验证了岩锚拉拔试验研究结果的可靠性。
　　在上述研究中,理论研究的结果可以很好地阐释试验结果,数值模拟结果与试验结果所反映的规律基本一致,三者互为验证。这说明本文的试验结果准确可靠,理论研究合理可信,数值模型建立科学适用,对后续预应力锚固工程的优化设计、施工以及相关规范的修订具有重要的参考价值。

目录

中文摘要

英文摘要

1 绪论

1.1 问题的提出

1.1.1 引言

1.1.2 研究的工程和学术意义

1.2 现场调研及国内外研究现状综述

1.2.1 现场调研

1.2.2 国内研究现状

1.2.3 国外研究现状

1.3 本文的主要研究内容及思路

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 本文的研究思路

2 普通预应力锚索内锚固段锚固性能试验研究

2.1 引言

2.2 试验方案设计

2.2.1 试验基本原理

2.2.2 原材料及物理力学指标

2.2.3 试验方法

2.3 普通锚索锚固性能试验结果与分析

2.3.1 砂率对普通锚锚固性能的影响

2.3.2 水灰比对普通锚锚固性能的影响

2.3.3 内锚固段长度对普通锚锚固性能的影响

2.3.4 岩石类型对普通锚锚固性能的影响

2.4 本章小结

3 普通预应力锚索内锚固段荷载传递机理研究

3.1 引言

3.2 内锚固段的荷载传递机理

3.2.1 内锚固段粘结应力-滑移模型

3.2.2 基于Mindlin 解的注浆体与岩石界面粘结应力分布弹性解

3.2.3 基于界面本构模型的锚索与注浆体界面粘结应力分布弹性解

3.3 算例计算及分析

3.3.1 粘结应力分布特征分析

3.3.2 锚索注浆体粘结界面失效机理分析

3.4 本章小结

4 改进型锚索-压花锚内锚固段锚固性能试验研究

4.1 引言

4.2 压花锚荷载传递机理概述

4.3 压花锚锚固性能试验结果与分析

4.3.1 压花锚锚固性能分析

4.3.2 砂率对压花锚锚固性能的影响

4.3.3 水灰比对压花锚锚固性能的影响

4.3.4 内锚固段长度对压花锚锚固性能的影响

4.3.5 岩石类型对压花锚锚固性能的影响

4.4 压花锚锚固性能优化研究

4.4.1 压花在内锚固段位置的优化研究

4.4.2 内锚固段压花数量的优化研究

4.4.3 压花直径的优化研究

4.4.4 压花长度的优化研究

4.4.5 锚孔直径的优化研究

4.4.6 锚孔孔壁清洁度的优化研究

4.4.7 内锚固段边界条件的优化研究

4.5 本章小结

5 预应力锚索注浆体与岩石胶结面的抗剪特性试验研究

5.1 引言

5.2 试验方案设计

5.2.1 直剪试件的准备

5.2.2 胶结面直剪试验

5.3 胶结面剪切应力～应变概化模型

5.4 胶结面抗剪特性研究结果

5.4.1 各级法向应力作用下胶结面的抗剪特性

5.4.2 不同清洁度的胶结面的抗剪特性

5.4.3 不同粗糙度的胶结面的抗剪特性

5.5 确定注浆体与岩石间粘结强度的综合因素法

5.6 胶结面剪切过程中的变形特性及剪切破坏机理探讨

5.6.1 剪切向变形特性

5.6.2 法向变形特性

5.6.3 胶结面剪切破坏机理探讨

5.7 本章小结

6 内锚固段锚固性能的数值模拟研究

6.1 引言

6.2 有限元分析使用的本构模型和接触模型

6.2.1 德鲁克-普拉格(Drucker-Prager)屈服准则

6.2.2 接触面模型

6.3 锚索拉拔试验的有限元模型建立

6.3.1 模型的简化处理

6.3.2 边界条件与约束

6.3.3 计算中采用的单元

6.3.4 材料物理力学参数

6.3.5 接触面参数取值

6.3.6 荷载

6.4 数值计算结果分析

6.4.1 荷载位移曲线的计算值和试验值比较

6.4.2 普通锚和压花锚内锚固段应力分布计算

6.5 普通锚锚固性能的参数分析

6.5.1 摩擦系数对普通锚锚固性能的影响

6.5.2 围压对普通锚锚固性能的影响

6.5.3 锚固长度对普通锚锚固性能的影响

6.6 压花锚锚固性能的参数分析

6.6.1 锚孔直径对压花锚锚固性能的影响

6.6.2 压花在内锚固段的位置对锚固性能的影响

6.6.3 压花直径对锚固性能的影响

6.6.4 压花长度对锚固性能的影响

6.6.5 压花数量对锚固性能的影响

6.7 本章小结

7 主要结论与建议

7.1 主要结论

7.2 进一步研究的建议

致谢

参考文献

附录