地震作用下含软弱层岩体边坡锚固界面剪切作用分析

基于FLAC3D软件,以含软弱层的锚固岩体边坡为研究对象,通过修正的cable单元建模和改进剪应力提取方法,分别模拟分析了地震作用下含软弱层岩体边坡两锚固界面剪切作用及其演化。研究发现:砂浆-岩体界面上的剪应力远比锚杆-砂浆界面上的小,并均以锚杆上的中性点为界方向相反,分布很不均匀,且均在中性点附近发生突变;随边坡地震响应增强危岩中的锚固界面率先脱黏,基岩中的锚固界面紧随脱黏,且脱黏分别向锚头和锚根发展,直至拉拔段或锚固段全部脱黏锚固破坏。获得了地震波作用下边坡两锚固界面上剪应力及其分布和脱黏破坏过程,揭示了锚固界面上的剪切相互作用和锚固破坏机制,并得到了试验印证,为边坡锚固设计和施工提供了参考。     

玄武岩纤维复合材料土层锚杆抗拔性能现场试验研究

玄武岩纤维复合材料(BFRP)锚杆与传统钢锚杆相比具有比强度高、耐腐蚀性强、与围岩协调变形性好等优点,是一种新型高性能纤维锚杆,在边坡加固领域的应用才刚刚起步。通过BFRP锚杆加固黄土边坡的现场拉拔试验,较系统地研究了BFRP锚固体系在不同锚杆直径、锚固长度下的工作性能,并通过现场开挖式剖析,分析了BFRP锚固体系的破坏模式。试验结果表明,破坏模式受控于锚固系统诸界面的相对强度,φ12mm和φ16mm锚杆体系为锚杆与灌浆体界面(第1界面)剪切破坏,φ25 mm锚杆体系为灌浆体与土层界面(第2界面)滑移破坏;一定锚固条件下,增大锚杆直径可显著提高锚固体系的极限抗拔力;随着锚固长度的增加,极限抗拔力并非始终线性增大,而是增幅逐渐减弱,存在临界锚固长度;第1界面和第2界面平均黏结强度均随锚固长度的增大而减小,并给出了诸界面平均黏结强度的建议值,可供实际工程设计使用;杆体轴力沿锚固深度逐渐衰减,分布形态与受拉荷载大小、锚杆直径和锚固长度等有关;锚杆界面摩阻力分布服从随锚固深度先增大后减小的单峰形态,峰值多出现在锚固前端0.5 m范围内,同样受锚固长度和直径影响。建议今后进一步改善BFRP材料的抗剪性能以及BFRP锚杆表面形态设计和制作工艺。     

地下工程锚固界面力学模型及其时效性研究

地下工程锚固体接触界面的流变力学特性是锚固体产生时效性的重要因素。针对地下工程长期稳定性分析中常采用的锚固界面法向硬接触和切向黏结滑移突变常导致计算不收敛的困惑,建立了锚固界面法向刚度服从指数分布的软接触型式,并提出剪切面的非线性流变本构模型,解决了计算难以收敛的问题。该模型考虑了法向应力对剪切流变的影响,可以更真实地反映锚固界面流变的力学过程。将建立的锚固界面力学模型植入ABAQUS软件,并应用于地下工程的锚固时效性分析。研究成果表明：地下工程锚固界面产生的剪切流变导致锚杆应力增大,并使得预应力锚杆峰值的位置随着时间发生变化,且有向锚根转移的趋势。研究成果可为地下工程锚固的可靠性分析提供理论依据。     

玄武岩纤维与钢筋锚杆锚固性能现场对比试验研究

玄武岩纤维（BFRP）锚杆具有抗拉强度高、耐腐蚀性能好等优点,是岩土锚固结构中钢筋的良好替代品,近年颇受业界关注。通过在黄土地层中开展4组?25 mm BFRP锚杆和钢锚杆的现场拉拔试验,初步研究两种材质锚杆的破坏模式和锚固性能差异。研究结果表明：对于诸如?25 mm类较大直径土层锚杆,拉拔过程中锚固体系的灌浆体内外界面破坏迹象共存,但最终破坏模式受控于灌浆体与土层界面（第二界面）,且BFRP锚杆与砂浆内界面（第一界面）破坏程度明显高于钢锚杆;两种材质锚杆的极限承载力相近,界面黏结强度均随锚固长度的增大而减小;受两种材质锚杆本身的加工工艺和材料力学性能影响,试验中钢锚杆与灌浆体的黏结性能优于BFRP锚杆;相同荷载水平,相同位置处,BFRP锚杆杆体轴力大于钢锚杆,轴力衰减速率略小于钢锚杆;峰值剪应力BFRP锚杆小于钢锚杆。     

FRP锚杆在岩土锚固中的研究进展

纤维增强复合材料（FRP）锚杆较传统锚杆具有耐腐蚀性强、轻质高强等特点,近年来在岩土锚固领域颇受青睐,代表了未来岩土锚固材料的发展方向,但其研究成果较为零散。材料力学性能研究表明,FRP具有抗拉强度高、长期性能和疲劳性能优良等优点,但存在抗弯和抗剪性能较差、脆性破坏特征显著的缺陷,在岩土锚固设计中需特别考虑;归纳分析了FRP锚固体系的破坏模式,指出锚固体系的失效通常是由多种破坏模式耦合作用的结果;总结FRP锚杆与基体介质界面黏结性能的影响因素、界面黏结强度模型和界面黏结-滑移关系,并探讨了界面剪应力分布规律;最后列举了国内外FRP锚杆的工程应用实例并指出FRP锚杆进一步的研究方向。     

基于界面滑移脱黏的锚杆合理锚固长度研究

为确定煤巷不同围岩条件下锚杆的合理锚固长度,基于锚固剂-围岩界面滑移脱黏失效模式,推导出弹性阶段锚杆极限承载力、界面剪应力分布计算公式。在分析锚固剂-围岩界面发生滑移脱黏发生条件基础上,提出既安全经济,又能充分发挥围岩可锚性和锚杆材质性能的锚杆合理锚固长度确定原则,分析了合理锚固长度的影响因素和设计流程。研究表明,锚杆弹性极限承载力主要受锚固剂-围岩界面抗剪强度[τ]影响,界面剪切刚度K_1是临界锚固长度的关键控制因素。短锚拉拔试验测取的不同围岩条件下界面参数[τ]、K_1,可为锚杆设计载荷、合理锚固长度设计提供指导。算例分析结果表明,基于锚固剂-围岩界面滑移脱黏设计的锚杆锚固长度与目前煤巷锚杆采用的锚固长度基本一致,验证了锚杆合理锚固长度计算方法与设计流程的可行性。     

土遗址加固中GFRP锚杆锚固性能现场试验研究

为揭示GFRP锚杆在土遗址加固中的性能,进而克服现有竹、木、复合锚杆锚固的局限性,拓展该新型材料在古遗址加固中的应用,选择直径22mm和25mm的GFRP锚杆开展了现场锚固测试试验。通过单级和循环两种加载模式,获取了两种杆体的破坏模式与极限锚固力; 在杆体砂浆界面布设应变片,获取了受荷过程中界面监测点剪应变的变化特征与分布规律。结果表明:两种锚固系统均失效于砂浆土体界面,22mm GFRP杆体极限锚固力50kN,而25mm GFRP杆体超过120kN; 从加载端到末端监测界面剪应变呈衰减分布,在较大荷载下由于加载方向与杆体轴向微弱偏离导致局部出现受压现象,试验过程中监测界面未出现脱黏现象。研究表明GFRP锚杆可以部分替代复合锚杆,在土遗址载体加固中具有良好的应用前景。     

风化岩地基全螺纹玻璃纤维增强聚合物抗浮锚杆承载特征现场试验

玻璃纤维增强聚合物（GFRP）抗浮锚杆是一种由树脂和玻璃纤维复合而成的新型材料,与传统的钢筋锚杆相比,它具有比强度高、耐腐蚀性强和抗电磁干扰能力强的优点。基于6根GFRP抗浮锚杆和4根钢筋抗浮锚杆现场足尺拉拔破坏性试验,研究了中风化花岗岩中GFRP抗浮锚杆的承载特征和界面黏结特性。试验结果表明,抗浮锚杆的破坏形式有2种：锚杆和砂浆界面剪切破坏,砂浆和围岩界面剪切破坏。直径为28 mm 的GFRP抗浮锚杆和钢筋抗浮锚杆的极限抗拔承载力均为225 kN,直径为32 mm GFRP抗浮锚杆极限抗拔承载力为250 kN,能够满足工程实际需要;GFRP抗浮锚杆与砂浆（第一界面）的平均黏结强度为1.50～1.54 MPa;GFRP抗浮锚杆砂浆与围岩（第二界面）的平均黏结强度为0.32～0.37 MPa,略低于钢筋抗浮锚杆第二界面的平均黏结强度;直径为32 mm的GFRP抗浮锚杆第二界面平均黏结强度高于直径为28 mm的GFRP抗浮锚杆。在此基础上,进一步分析论证了GFRP抗浮锚杆的破坏机制,为GFRP抗浮锚杆的工程应用提供了理论依据。     

锚固长度对锚杆受力影响分析及其临界值计算

基于锚固界面的一种非线性剪切滑移模型,采用荷载传递方法分析了锚固长度对锚杆受力特性的影响,建立了锚杆临界锚固长度的计算方法,并通过工程案例检验其可行性。结果表明：锚固长度较小时,锚杆荷载-位移曲线为承载力较小的单峰曲线;随着锚固长度的增加,逐渐衍生出一个平缓变化区段;锚固长度越小,界面剪应力分布越均匀,但整体承载力也越小;随着锚固长度增加,界面剪应力分布的不均匀特征逐渐明显,整体承载力也随之提高;锚固长度超过一定取值时,锚固界面软化荷载、抗拔荷载以及整体承载力均趋于定值,与锚固长度无关;计算得到的临界锚固长度与工程实际的锚固长度具有较好的一致性,验证了方法的可行性。     

爆破振动下围岩支护锚杆动力响应解析解

为了研究爆破掘进施工对巷道支护锚杆的影响,采用结构动力学理论,从理论上推导出了锚杆在爆破地震波作用下的振动规律,计算出锚杆上的位移、振速、轴力随时间的变化,研究了黏结式锚杆在爆破动荷载作用下的动力响应特征。结果表明：自由段锚杆的轴力和轴向振速呈现指数型衰减,而锚固段锚杆的轴力和轴向振速以及剪应力呈现正弦变化,整体表现为先增大后减小。锚固长度对锚杆振动效应影响较大,不同锚固长度时锚杆受力状态不同,在锚杆满足抗拉强度的前提下,可以适当减小锚固段长度。剪切刚度对锚杆的振动有一定的影响,剪切刚度越大,锚杆与锚固砂浆之间的剪应力也越大。故为了防止锚杆不发生剪切破坏,尽量选择剪切刚度较小的锚固剂材料。研究成果对掘进爆破安全技术的提高具有一定的指导意义。     

围岩作用下锚杆砂浆锈胀开裂过程分析

从砂浆锚杆锚固体自身的特点出发,借鉴钢筋混凝土结构锈胀开裂研究成果,对锚杆砂浆锈胀开裂过程进行了分析。考虑锚杆锈蚀体积膨胀过程,以填充系数表示砂浆开裂过程中锚杆锈蚀产物的损失,建立了锚杆锈蚀后砂浆内部位移模型,以弹性力学为基础,引入围岩参数影响系数概念,对锚杆锈蚀导致砂浆保护层开裂过程以及围岩参数对开裂过程的影响程度等进行了分析研究,并采用有限元分析方法对其进行了验证。理论分析结果表明,因锚杆锈蚀而导致的砂浆保护层开裂以及裂纹的扩展情况均与围岩特性密切相关,砂浆开裂后裂纹会经历一段稳定扩展过程,裂纹的最大稳定扩展半径随围岩参数影响系数的增加而增大,在合适的围岩参数条件下,裂纹可以一直稳定扩展致整个砂浆保护层外壁。有限元分析结论与理论结果一致。     

接触角度对黄土-三趾马红土界面剪切力学特性影响研究

西北黄土高原第四系黄土广泛沉积于新近系三趾马红土之上形成粗糙接触的异质土界面,为典型的易滑层面。为探讨接触界面粗糙度对黄土-三趾马红土界面剪切力学特性影响,研制界面制样装置及剪切仪,开展简化黄土-三趾马红土界面直剪试验研究。结果表明:界面剪切破坏模式有齿间滑动、齿间滑动-齿面剪断、齿面剪断3种,界面接触角度越大,破坏模式越趋于齿面剪断,接触角度越小,破坏模式越趋于齿间滑动;界面剪切应力-剪切位移曲线演化规律表明界面脆性剪切破坏特征明显,且界面接触角度越大,峰值前剪切刚度与剪切破坏位移越大,峰值后剪切位移“跳跃”跌落现象越明显,界面脆性剪断破坏特征越显著;界面剪切过程产生明显剪胀效应,随界面接触角度增大,峰值剪胀角呈先减小而后增大趋势,反映了界面不同剪切破坏模式变化;受界面间初始黏聚强度与剪切破坏模式影响,界面抗剪强度随法向应力呈非线性变化,并受界面接触角度影响,峰值强度随界面角度增大呈先增大而后减小趋势,残余强度随界面角度增大呈增大趋势。     

黄土−砂浆块界面剪切特性试验及本构模型研究

构筑物与土体接触面力学行为是岩土工程研究的热点之一。基于一系列直剪试验,研究不同法向压力、土体含水率条件下黄土?水泥砂浆块界面剪切特性。结果表明,(1) 在土体含水率为9.2和13.1%条件下,法向压力为50、100 kPa时黄土?沙浆块界面剪切应力?位移曲线表现为应变软化型,且可分为峰值前、峰值后及残余阶段三部分,在法向压力为200、300 kPa时表现为应变硬化型;在土体含水率为17.1、20.8%条件下,不同法向压力时黄土?砂浆块界面剪切应力?位移曲线均为应变硬化型;(2) 黄土?砂浆块界面的抗剪强度包络线符合摩尔?库仑准则,随着含水率的增大,界面黏聚强度降低显著,摩擦强度略有增加,整体抗剪强度降低。当土体含水率由9.2%增加至20.8%时,界面黏聚力由41.5 kPa下降至3.6 kPa,界面摩擦系数由0.50增大至0.58。用非线性模型对界面剪切应力?位移曲线关系进行拟合,结果表明非线性模型可较好反映黄土?砂浆块界面的剪切特性。     

钙质砂与钢界面循环剪切刚度与阻尼比的试验研究

钙质砂与钢界面的动力响应对岛礁地质条件下结构物基础的安全与稳定具有重要意义。基于界面环剪仪,开展了一系列钙质砂?钢界面循环剪切试验,探究了法向应力、剪切位移幅值和粒径大小对界面剪切刚度和阻尼比的影响,并与石英砂进行了对比。研究结果表明：法向应力和剪切位移幅值对界面剪切刚度和阻尼比起控制作用;法向应力的增大导致界面剪切刚度增大、阻尼比降低;剪切位移幅值的增大,则导致剪切刚度近似呈反比降低,而阻尼比近似呈对数增大;对于均一粒径的钙质砂,存在着分界粒径,使其剪切刚度和阻尼比的变化规律呈现显著区别;石英砂粒径较大时,其界面剪切刚度和阻尼比与钙质砂明显不同,而粒径较小时两类砂表现出类似的剪切刚度和阻尼比特性。     

筋-土界面循环剪切刚度和阻尼比的试验研究

为了研究筋-土界面在遭受动力作用时的表现,利用大型直剪仪对土工格栅、土工编织布、土工无纺布和砂土界面进行了一系列循环剪切试验,得到了不同工况下界面的剪切刚度和阻尼比,并探究了循环次数与剪切刚度和阻尼比之间的规律。研究结果表明,同一循环次数时格栅-土界面的循环剪切刚度最大,土工编织布-土界面的阻尼比最大;剪切位移幅值为3 mm时3种竖向应力下界面都呈现出循环剪切硬化的特征,随着循环次数的增加,各竖向应力下的界面阻尼比有趋于某一值的趋势;砂土密实度越大,同一循环次数对应的剪切刚度越大,阻尼比越小,且随着循环次数的增加3种砂土密实度的界面阻尼比有趋于同一值的趋势;循环剪切位移幅值为5 mm的界面发生循环剪切软化现象,剪切位移幅值越大,界面同一循环次数的阻尼比也越大。     

超长灌注桩桩-土界面剪切试验研究

为研究超长灌注桩桩侧与土体接触界面的剪切力学行为,采用大型界面剪切仪,开展混凝土与粉质黏土、粉细砂土接触界面剪切试验。针对钻孔灌注桩泥浆护壁施工特点及后注浆工艺的应用,在混凝土与粉细砂土界面设置膨润土泥皮或膨润土泥皮与水泥浆,以研究泥皮及存在泥皮时注浆对界面剪切性状的影响。试验结果表明：界面剪切应力随剪切位移增加逐步达到极限值,之后,剪切应力保持基本不变或出现软化现象;土体类型及法向应力大小对界面剪切力学行为具有较大的影响;粉细砂土-混凝土界面摩擦角与土体有效内摩擦角相近,存在泥皮时,界面摩擦角降低达40%,泥皮的润滑作用较大地削弱了界面的剪切性能;存在泥皮情况下,注浆后界面摩擦角较泥皮界面提高近1倍,水泥浆的注入不仅消除了泥皮产生的不利影响,也有利于进一步改善界面剪切性能,提高其抗剪强度;泥皮及注浆对界面剪切应力与剪切位移关系亦有较大的影响;界面剪切作用对土体具有一定的影响范围,并在接触界面附近土体中逐渐形成剪切破坏带,剪切过程中界面呈现出由剪切位移阶段逐步过渡至剪切滑移阶段;此外,在剪切过程中,不同界面类型的土体变形存在较大差异。     

Laboratory Tests on Shotcrete-Rock Joints in Direct Shear, Tension and Compression

Summary. A series of laboratory tests was performed on cemented shotcrete-rock joints to investigate the strength and stiffness of the interfaces, while simulating field conditions as close as possible. The direct shear test formed the core of the experimental work, while the tension and compression tests were complementary. To simulate loading conditions experienced in practical cases the direct shear tests were performed under fairly low normal stresses. In most practical cases when shotcrete is used with rock bolts, the normal load on shotcrete lining seldom exceeds 0.2 to 0.5 MPa. The direct shear test results show that, for such normal load range the shear strength is determined by the bond strength for genuinely bonded shotcrete-rock interfaces. For higher normal stresses (σ_n > 1.0 MPa), which rarely exist at the shotcrete-rock interface, the shear strength is largely influenced by friction resulting in the cohesive strength being less significant. Assessment of the shear surface revealed that the steel fibres in the shotcrete appeared to contribute significantly to the frictional component. The shear and normal stiffnesses of the interface were also determined, which were in principal the stiffnesses of the bond. An interesting observation was the complex interaction at the interface and the mechanisms that controlled the peak shear strength which depended on the surface roughness, the existence of natural flaws and the normal load.     

土工织物与吹填土界面作用特性试验研究

筋-土界面强度参数是加筋结构设计和稳定分析的关键技术指标。拉拔试验能较好模拟现场加筋行为而得到广泛的应用。基于拉拔和直剪试验研究了拉拔（剪切）速率对筋-土界面特性和吹填砂强度特性的影响规律及机制,同时探讨了不同填料界面、筋材类型的加筋效果。结果表明：随着拉拔（剪切）速率的增大,吹填砂-筋材-吹填砂界面的抗剪强度下降明显,而软土-筋材-吹填砂界面以及砂本身强度则变化不大。从强度指标来看,拉拔速率增大,筋-砂界面强度的降低主要表现为似黏聚力的降低,筋-软土界面抗剪强度的增加表现为内摩擦角增大,剪切速率对吹填砂则基本无影响。筋-土界面特性受拉拔速率和正应力的共同影响,与筋材类型和填料特性有关。筋-土界面内摩擦角小于填料摩擦角,但在一定正应力下低速剪切时（如<0.53 mm/min）可获得高于填料的抗剪强度。宜根据似黏聚力大小合理选择摩擦参数进行加筋结构的设计与评价。     

双向循环荷载作用下砾石−格栅界面动力剪切特性

在动荷载作用下,加筋土结构中筋土界面不仅会受到水平循环剪切作用,还会受到循环荷载的压缩作用。采用大型直剪仪对双向循环作用筋土界面动力剪切特性进行研究,探究不同循环法向荷载频率、水平循环剪切频率和法向荷载波形对界面剪切强度的影响。结果表明：当循环法向荷载频率和水平循环剪切频率一致时,峰值剪切应力和最大竖向位移随着频率的增加而增加,前后半周期剪切应力和位移曲线时间差均相同;反之,滞回圈应力−位移关系和竖向位移会由于双向循环荷载频率的不同呈现两种不同形态特性;正弦波法向荷载作用下剪切应力和竖向位移最大,而斜波和方波荷载作用下,滞回圈和竖向位移变化曲线较三角波和正弦波差别较明显;剪切刚度随着双向循环荷载频率的增大而增大,正弦波作用下界面剪切刚度最大,斜波作用下界面剪切刚度最小。