基于局部变形理论的非均质地层中预应力锚固受力分析

将非均质地层中的预应力锚索沿锚固段离散为一系列子锚固段,导出基于局部变形理论的各子锚固段理论解,并由子锚固段之间的相互作用关系分别建立非均质地层中拉力集中型和压力集中型预应力锚索锚固分析方法,编写了相应的分析程序。对位于非均质地层中的拉力型和压力型预应力锚索在多级测试荷载作用下的响应进行分析。结果表明,所提出的分析方法和程序是可行的,特别地,对于拉力集中型预应力锚索,考虑第一界面作用效应的分析结果更符合实际。     

拉压分散型锚索锚固机制及工程应用研究

近年来,结合拉力型、压力型以及荷载分散型锚索特点于一体的拉压分散型锚索在工程中有一定的应用,但内锚固段锚固机制以及设计方法研究尚不成熟。基于Kelvin解,分别推导拉力分散型锚索和压力分散型锚索的内锚固段与周围岩土体之间的剪应力解析解,再根据叠加原理得到了拉压分散型锚索内锚固段剪应力简化计算方法;基于理论成果将拉压分散型锚索应用于工程实例中,分别进行了拉压分散型锚索的基本性能试验及与拉力分散型锚索的预应力损失对比测试。通过算例分析结果表明,单元锚固体的两端剪应力较大,中间较小,剪应力的分布特征与现有文献资料模型试验及数值模拟结果相吻合;根据锚索的基本性能试验结果,按照本文计算方法得到了压力段和拉力段剪应力峰值强度,与已有的研究成果根据岩石单轴抗压强度得到的压力型和拉力型锚杆锚固段剪应力峰值强度结果基本吻合;经对锚索预应力损失测试结果分析及工程的长期监测,拉压分散型锚索在工程应用中荷载传递稳定可靠,工程应用效果良好。     

拉力分散型锚索锚固段荷载传递机制

预应力锚索是岩土锚固最常用的结构形式之一,使用的锚索类型越来越多。锚索锚固段的荷载传递是控制锚索性能和工程设计的关键,应用剪滞理论分析了锚固段的受力和荷载传递机制,并对拉力分散型锚索的锚固机制进行探讨。分析结果表明,拉力分散型锚索锚固段剪应力在软化段逐渐增加至峰值剪应力,随后减小,其分布模式与现场试验结果比较一致。     

地下洞室预应力锚索锚固机制及受力特性分析

采用隐式锚索单元模拟地下洞室预应力锚索,探讨了索体对岩体单元的等效附加刚度贡献。针对预应力锚索的受力过程,分别分析了预拉力和围岩变形作用下锚索锚固段的受力机制。基于两种作用下锚固段内力的叠加,提出了一种考虑锚固界面剪切滑移的预应力锚索受力分析方法。结合三维非线性有限元,给出了预应力锚索受力的一般求解步骤,然后将此锚索算法应用于乌东德水电站左岸地下厂房洞室群分期开挖。结果表明,锚索支护能够有效加固岩体,限制破坏区的发展;锚固段轴力和剪应力均在始端达到最大,沿深度方向逐渐衰减。计算得到的锚固力变化过程与实测值基本吻合,验证了该算法的合理性。     

孔道弯曲条件下拉力型锚索锚固段剪应力分布弹性理论分析

随着预应力锚索设计长度的增大,由于地质因素及施工技术的因素造成锚索孔道偏离设计的直线状态,形成具有一定曲率的曲线状态。为探讨拉力型预应力锚索锚固段弯曲条件下剪应力的分布,采用二维弹性理论方法,推导出了解析计算公式,得到锚索锚固段弯曲平面上的最内侧和最外侧的两条曲线上的剪应力分布情况。通过实例计算发现,与锚索孔道直线情况下剪应力分布相比,锚固段弯曲条件下内曲线的剪应力最大值比孔道直线状态时约增大2倍,外曲线的剪应力约为孔道直线状态时的50%,并且在外曲线上出现了约10 cm长度的反方向剪应力。可见,由于孔道弯曲造成了锚固段剪应力分布的不均匀,更易造成锚索内部结构的破坏。     

预应力锚索锚固力损失与岩土体蠕变耦合效应研究

因预应力锚索锚固力损失而导致锚固失效的工程事故屡屡发生,锚索锚固力损失与岩土体蠕变之间存在复杂的耦合效应关系,建立二者之间的耦合效应模型,确立二者之间的计算关系式,为预应力锚固工程的设计、施工、安全运行管理以及锚固力损失的控制与补偿技术提供理论基础和技术手段。通过理论分析和模型研究,在岩土体常用流变模型基础上建立了基于应变相等的耦合效应计算模型,并进行了模型验证。研究结论：（1）建立了与工程实际相符合的锚索锚固力变化和岩土体蠕变的耦合效应计算模型,正确反映了预应力锚索锚固力损失和岩土体蠕变之间的关系,推导出了其本构方程、松弛方程和蠕变方程,从理论上解决了锚固力变化与岩土体蠕变之间的计算关系。（2）通过耦合效应计算模型的蠕变方程,在材料参数已知的情况下,可以计算出边坡蠕变影响引起的锚索锚固力损失量,并结合实际工程中监测到的锚索应力数据进行对比分析,就能够准确地了解、评价锚索锚固力的异常变化情况,指导实际工程中的设计和施工,保证工程建设过程中的安全性。（3）通过耦合效应计算模型的松弛方程,可以对预应力锚索受力状态的监测数据进行分析整理,通过对锚索锚固力损失量的数据进行反分析,分析岩土体的蠕变参数,根据蠕变介质的材料特性,计算岩土体蠕变量,根据蠕变量判断预应力锚索锚固工程的安全性和可靠性,指导锚固工程的安全运行管理。     

预应力锚索锚固段剪应力分布与锚固段长度研究

基于弹性理论,按照半空间体在边界上受法向集中力作用,对预应力锚索锚固段剪应力沿长度方向的分布规律进行模型研究。通过分析实际工程和现场试验中剪应力分布特征,引入与预应力、锚固段长度、岩体强度、胶结材料强度等相关的参数?和与剪应力最大值的位置、锚固段直径等相关的参数?后,可以较好地模拟锚固段的剪应力分布规律。根据锚固段胶结材料的抗压强度?c、内摩擦角?以及参数?与预应力大致成线性反比例关系,可以估算极限承载力。同时,按所述方法计算实际需要的锚固段长度Ls是设计锚固段长度Ld的2tan?倍。最后,实例分析表明,研究成果是合理的。     

风化岩体中压力型锚索锚固段的剪应力分析

岩体在风化过程中,其物理力学性质会随着风化程度的不同有所差异。结合均质岩体中压力型锚索受力特点,以及内部对称荷载作用下横观各向同性弹性体内的剪应力分布特点,推导出了压力型锚索在横观各向同性弹性岩体内的剪应力分布方程。假定风化岩体为横观各向同性弹性体,其弹性模量及剪切模量均按指数函数变化,分析结果表明：①由于风化岩体的弹性模量随着深度的变化,锚索锚固段的剪应力也随着岩体的弹性模量的增加（减小）而增加（减小）;②在承压板附近,锚索锚固段的剪应力随锚索孔半径的增加而减小,由于风化岩体剪切模量的变化,因而导致剪应力的变化量很大;③在承压板附近,锚索锚固段接触面上的剪应力随着垂直于岩体横向等向面的剪切模量的改变而相应的改变。研究成果可为实际工程中压力型锚索设计提供参考。     

预应力锚索锚固作用机理的数值模拟研究

在探讨预应力锚索现场足尺试验实施难点的基础上,利用FLAC3D对预应力锚固体的应力、位移特点,不同的锚索刚度、岩土体弹性模量以及预应力大小对锚固体剪应力的分布规律的影响、塑性破坏区的转移趋势进行了数值模拟,拟合了剪应力呈指数函数关系的分布公式。在剪应力峰值不断向锚固端扩展的推断下,提出了注浆体接触面处的锚索极限锚固力的计算公式,具有一定的理论和实践意义。     

预应力锚索锚固段荷载传递解析算法

锚固是岩体工程增稳的主要措施,对充分发挥岩体的自承潜力,调节和提高岩体自身强度和自稳能力有着十分重要的作用。由于锚固工程本身的复杂性和多样性,导致目前锚固机制、设计理论以及计算方法都不够完善。现有的锚固段荷载传递解析解存在两大难题,一是没有反映锚固段应力变化过程,随着荷载不断加大,接触面是逐渐被破坏,剪应力的峰值将由端口逐渐向内转移;二是在端口处是一个应力奇异点,难以很好地解决。通过对当前多种锚固段荷载传递解析解的适用性及局限性进行分析归纳,指出应将锚固段应力分布划分为弹性、塑性和破坏3个阶段,在不同的阶段应力分布形式不一样,不能一概而论。在此基础上,基于传递系数,针对沿锚固段剪应力呈非均匀性分布形式,提出了一种能反映这3个阶段变化规律的荷载传递解析公式,获得了锚固段剪应力和轴力的分布规律和影响因素。对各解析解方法求出的临界锚固长度进行了算例对比,证实所提算法是合理和有效的。该算法适用于预应力锚索锚固段工程设计。     

深长摩擦桩的非局部摩擦分析

本文对Oden等提出的非局部摩擦模型进行了修正,并利用Mindlin问题的位移解导出了深长摩擦桩侧阻力的弹性解,对深长摩擦桩进行非局部摩擦分析,将所得的侧阻力与局部摩擦下的侧阻力进征比较,结果表明是合理有效的.     

管缝式锚杆在拉拔荷载作用下受力分析模型

建立了管缝式锚杆在拉拔荷载作用下的受力分析模型,该模型能够反映锚杆破坏的渐进过程。分析表明,在拉拔荷载作用下管缝式锚杆在荷载作用点最先发生相对滑移,且随着荷载的增加滑移段的长度逐渐增加,直到整根锚杆与围岩发生相对滑移。根据能量守恒原理得到了管缝式锚杆在安装入钻孔后对围岩径向作用力的计算公式。对管缝式锚杆进行了非局部摩擦分析,得到了基于非局部摩擦模型的管缝式锚杆界面剪应力分布。研究了管缝式锚杆直径对锚杆界面剪应力分布的影响,同时得到了锚杆最大抗拉拔力与锚杆长度之间的关系。将理论模型预测值与试验结果对比,验证了理论模型的有效性。     

岩石裂纹损伤及围压对剪切破坏影响研究

岩石内部细观裂纹的存在,对压缩作用下岩石剪切断裂的宏观现象有着重要的影响。然而,能够通过解析解阐释细观裂纹几何特性、围压等影响因素对压缩作用下剪切断裂面角度变化趋势的研究很少。基于Ashby模型中提出的裂纹尖端应力强度因子,提出了一种改进的考虑裂纹角度影响的应力强度因子表达式。利用该改进的应力强度因子表达式,推出了一个可以预测岩石峰值强度的裂纹扩展、应变与应力之间的本构关系。结合本构关系的峰值强度与摩尔-库仑失效准则,得到了岩石损伤与内摩擦角、黏聚力、剪切强度及失效断裂面角度之间的理论关系;讨论了围压、裂纹尺寸、角度及摩擦系数对岩石宏观剪切断裂面角度的影响,通过试验结果验证了模型合理性。结果表明：随着损伤增大,内摩擦角、黏聚力及剪切强度不断减小;随着围压增大、摩擦系数增大和初始裂纹尺寸减小,剪切断裂面角度不断增大;随着裂纹角度增大,剪切断裂纹面角度先减小后增大。     

Strength criterion for cross-anisotropic sand under general stress conditions

By incorporating the fabric effect and Lode’s angle dependence into the Mohr–Coulomb failure criterion, a strength criterion for cross-anisotropic sand under general stress conditions was proposed. The obtained criterion has only three material parameters which can be specified by conventional triaxial tests. The formula to calculate the friction angle under any loading direction and intermediate principal stress ratio condition was deduced, and the influence of the degree of the cross-anisotropy was quantified. The friction angles of sand in triaxial, true triaxial, and hollow cylinder torsional shear tests were obtained, and a parametric analysis was used to detect the varying characteristics. The friction angle becomes smaller when the major principal stress changes from perpendicular to parallel to the bedding plane. The loading direction and intermediate principal stress ratio are unrelated in true triaxial tests, and their influences on the friction angle can be well captured by the proposed criterion. In hollow cylinder torsional shear tests with the same internal and external pressures, the loading direction and intermediate principal stress ratio are related. This property results in a lower friction angle in the hollow cylinder torsional shear test than that in the true triaxial test under the same intermediate principal stress ratio condition. By comparing the calculated friction angle with the experimental results under various loading conditions (e.g., triaxial, true triaxial, and hollow cylinder torsional shear test), the proposed criterion was verified to be able to characterize the shear strength of cross-anisotropic sand under general stress conditions.     

颗粒材料的微观临界状态理论模型

存在临界状态是颗粒材料的一个重要特性。基于孔隙胞元的颗粒离散元方法对二维颗粒体进行双轴加载数值试验,在详细分析数值模拟结果的基础上,从微观几何组构的角度揭示了临界状态的存在机制。基于剪胀性原理,提出了以接触价键表征的微观临界状态理论模型,得到了接触价键与塑性剪切应变的关系表达式,理论模型的结果和二维离散元数值模拟得到的结果吻合较好。通过比较不同情况下数值结果和理论模型中的参数,得到以下结论：表征微观临界状态的参数（临界接触价键和达到临界状态所需要的塑性剪切应变）依赖于颗粒体的微观特性,如颗粒形状、表面摩擦性质、颗粒体的围压和初始孔隙比。     

平动模式下挡土墙非极限主动土压力

针对平动模式下墙背倾斜的挡土墙,假定墙后所形成的土拱为圆弧形,建立位移同内摩擦角、外摩擦角的非线性函数,并考虑土层间剪应力作用,通过水平层分析法,得出了挡土墙平动模式下非极限主动土压力分布、合力、作用点高度的解答,其解析解与试验值较其他方法吻合得更好,验证了该方法的合理性。结果表明：是否考虑土层间剪应力,土压力的大小均随墙体位移的增大而减小,不会影响土压力合力大小,仅影响土压力的分布,且考虑剪应力作用的土压力在墙体上部较不考虑剪应力要小,下部反之。剪应力对土体起阻碍作用,随内摩擦角的增大,剪应力出现先显著增大后略微减小的状态;随外摩擦角、位移的增大,剪应力增大;随着墙背倾角的增大,剪应力先减小,再反向增大,土压力随之增大。同时考虑土拱效应与剪应力所得出的合力作用点高度介于仅考虑土拱效应与库仑解之间。     

砂与黏土混合物强度特性环剪试验研究

为分析砂和黏土混合物的强度特性,将石英砂和高岭土按不同质量比配制试验土样,开展了一系列固结排水条件下的环剪试验。通过设置轴压为75 kPa、150 kPa、300 kPa和600 kPa状态下开展试验,得到土样剪切角与剪切应力的关系曲线。根据试验曲线的峰值剪应力,通过莫尔-库仑准则得到土样的黏聚力和摩擦角。结果表明,砂和黏土混合物的黏聚力在5~18 kPa范围内波动,当高岭土含量为50%时黏聚力值达到最小值。当高岭土含量小于50%时,摩擦角随高岭土含量增加略有减小;当高岭土含量超过50%时,摩擦角随高岭土含量增加而减小的趋势更明显。     

路堤下刚性桩复合地基桩-土应力比计算

路堤下刚性桩复合地基普遍存在的负摩阻力对桩-土相互作用特性影响显著。基于极限剪切位移受应力水平影响较小而受试样尺寸影响较大的试验结果,提出了桩-土界面剪切刚度随应力水平变化的等单位长度极限剪切位移理想弹塑性模型,针对桩-土相互作用的上部负摩阻力塑性区、中部协调变形弹性区和下部摩擦承载塑性区3区段模式,建立了塑性区非均匀、弹性区非线性的摩阻力分布图式;以均布路堤荷载下等桩长复合地基中单桩等效加固单元体为研究对象,利用单元体荷载传递微分方程,结合桩-土-垫层压缩变形协调条件,推导出了中性面位置及桩-土应力比的解析表达式,分析了路堤荷载及垫层柔度系数的影响。研究表明：中性面位置随垫层柔度系数增加而下移,随路堤荷载增大先下移后上抬;桩-土应力比随垫层柔度系数增加而减小,随路堤荷载提高先增大后降低,据此提出了采用最大桩-土应力比进行桩体布置和垫层设计的技术思路。     

垃圾填埋场斜坡上土工合成材料受力分析

为了评价垃圾填埋场防渗系统材料界面之间的摩擦特性以及土工合成材料端部的应力,进行了模拟试验和有限元分析。采用直接剪切试验,获得了土与短纤维无纺布、短纤维无纺布与HDPE土工膜以及短纤维无纺布与TPO（PE）界面的摩擦角和黏聚力;采用离心模拟试验,得到了伴随土压缩引起的短纤维无纺布和土工膜端部拉应力。试验结果表明：材料界面之间的摩擦角较大,但黏聚力不大;伴随填埋高度的增加,短纤维无纺布和土工膜端部的拉应力也随之增大。运用有限元对土压缩引起的短纤维无纺布和土工膜端部拉应力以及界面的摩擦应力分布进行了分析,并与试验结果进行了对比,分析结果表明：两者基本一致,碾压机械下方土工膜界面之间摩擦应力比较大。     

复杂应力条件下饱和砂土排水剪切强度的试验研究

针对相对密度为30 %的福建标准砂,利用土工静力－动力液压－三轴扭转多功能剪切仪,在不同初始固结条件下控制试验过程的平均主应力保持不变,改变中主应力系数和主应力方向,进行了应力控制式单调排水剪切试验,着重探讨中主应力系数和主应力方向对砂土剪切强度的耦合影响。试验结果表明：在相同的试验条件下,中主应力系数对饱和标准砂的应力-应变关系具有影响,但对体变特性的影响并不明显。上述现象同初始固结应力比的大小无关。平均主应力一定,广义剪应力随中主应力系数增大而降低的趋势同时依赖于主应力方向的作用。中主应力系数对内摩擦角的放大效应同样受到主应力方向的影响。基于广义双剪应力准则,引入考虑主应力方向影响程度的权重系数,结合试验结果给出了考虑中主应力系数和主应力方向耦合影响的强度指标表达式。