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。     

岩石锚杆锚固段荷载分布试验研究

岩石锚杆锚固段荷载分布规律是岩土锚固技术的关键问题之一。在拉拔试验锚杆杆体测点应变数值采集的基础上,利用复合幂函数和高斯函数对实测数据进行曲线拟合,获得了临界破坏状态下的锚固段轴力及剪应力分布情况。试验结果表明：岩石锚杆锚固段剪应力的分布集中在锚固段的前部;高斯函数可以较好地描述临界破坏状态下锚杆杆体的轴力分布;界面破坏出现在界面峰值抗剪强度远大于界面所能提供的黏结强度情况下。研究结果为锚杆的设计与计算提供了理论依据。     

基于小波函数的锚杆拉拔全过程分析

基于小波函数伸缩平移的特性,建立了能反映锚杆界面黏结?软化?滑动力学特性的剪应力?位移非线性本构模型,克服了三折线软化界面模型需要分段分析的复杂性。结合锚固体荷载传递的力学微分方程,推导了锚杆拉拔荷载?位移曲线的解析表达式,并提出了锚固体位移、轴力、周边剪应力的数值计算方法和步骤。通过算例分析,得到不同张拉位移作用下的锚固段位移、轴力和剪应力分布,获得的锚杆拉拔荷载?位移和锚杆轴向力分布计算值与实测值进行了对比分析,验证了该方法的有效性。该方法能准确地反映锚杆在不同荷载下的传力机制,模拟锚杆从弹性工作状态到塑性滑移的全过程。最后,通过参数分析,得到了锚杆锚固长度、轴向刚度以及锚固界面本构参数对锚固效果的影响规律。     

土层锚固体复合界面单元形式及力学效应研究

土层锚固技术在岩土工程中已得到越来越广泛应用。简单介绍了已有土层锚固界面单元形式的研究现状,分析了土层锚固界面层的特点,提出一种新的复合界面单元,该复合界面单元由接触单元和实体单元构成,其中接触单元作为锚固体与土体之间的滑动摩擦单元,实体单元体现锚杆拉拔时对周围土体的体胀特性。利用ANSYS数值模拟软件,将新的复合单元应用于锚固体与土体之间的界面层,模拟并分析锚杆拉拔时界面层的破坏特征,得到随荷载增大时界面层剪应力分布的变化过程,并将界面层的破坏分为3个阶段,即线性阶段、滑移扩展阶段、滑移阶段。通过土层锚杆原位拉拔试验,得到土层锚杆拉拔的荷载-位移曲线,分析曲线变化特征,并对数值模拟结果进行了验证。     

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。     

泥岩地层抗浮锚杆试验研究

为探讨泥岩地层全黏结抗浮锚杆荷载传递机理和承载性能,基于陕西安康地区泥岩地层抗浮锚杆现场进行了基本试验和锚杆杆体的轴力测试,试验结果表明:锚杆杆体的轴力分布是不均匀的,从锚杆顶面向深部逐渐减小,且超过一定的长度后不再受力;同时表明锚杆受力时,沿锚固端全长的黏结应力分布也是不均匀的,其有效发挥黏结应力的分布长度有一定限度;确定了该地区泥岩地层中直径为150 mm抗浮锚杆的有效锚固长度、极限黏结强度标准值及8 m长锚固段对黏结强度的影响系数等,为类似泥岩地层抗浮锚杆的设计提供依据。     

不同围岩条件下锚杆肋间距与锚固力优化研究

为研究不同围岩条件下锚杆肋间距与锚固性能的关系,基于厚壁理论,对肋间距分别为12、24、36、48 mm的左旋螺纹钢锚杆锚固试件在套筒壁厚4.5 mm和6.0 mm条件下进行拉拔试验,通过测试拉拔力、拉拔力大于100 kN的位移量、套筒周向应变、耗能值等参数,探讨了不同围岩条件下锚杆肋间距与锚固性能的关系。试验结果表明:在不同的套筒中,即不同围岩条件下,随着肋间距的增加,锚杆拉拔力大于100 kN的位移量、套筒周向应变、拉拔耗能值相应增大;肋间距为24 mm时,锚杆拉拔力最大,相同肋间距的锚杆在围岩强度较大的条件下拉拔力较大;壁厚为4.5 mm的套筒周向应变均大于壁厚为6.0 mm的套筒,即不同围岩条件对锚杆控制其变形能力有重要影响;在不同围岩条件下,增大肋间距均可以提高锚杆的锚固性能。     

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。     

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。     

基于SH-(C+F)浆液锚杆锚固性能与机理研究

锚固技术在土遗址稳定性控制领域已得到了广泛应用,然而锚固浆液的缺乏成为制约土遗址锚固技术和理论发展的关键问题之一。对质量浓度分别为0.5%、1.0%、1.5%的SH与黏土、粉煤灰拌和组成SH混合浆液试块进行物理、力学、声波特性测试以及基于该类型混合浆液分别同木锚杆、玻璃纤维锚杆、钢筋锚杆组成的不同锚固系统的原位锚固、拉拔测试和杆体-浆体界面应力-应变监测。获取了3种锚固系统的破坏模式、锚固性能和杆体-浆体界面应力-应变的时空分布规律。试验结果表明:SH锚固浆液拥有良好的物理、力学性能,与土遗址构筑材料性能兼容;基于SH锚固浆液全长灌浆的3种锚固系统的锚固性能优良;木锚杆锚固系统锚固性能在SH浓度为1.0%时达到最优,而玻璃纤维和钢筋锚杆锚固系统锚固性能良好度随着SH的浓度升高而升高。研究结果为以SH为主材的改性浆液在土遗址锚固领域中的应用提供了依据和参考。     

BFRP筋锚杆土质边坡支护应用研究

论文通过拉伸试验、抗剪试验、耐腐蚀试验、与水泥基黏结强度试验,研究了BFRP筋力学性能,表明BFRP筋抗拉强度大于890MPa,耐酸碱强度保留率大于92%,抗剪强度略小于普通钢筋,与水泥基类黏结强度大于4.5MPa。参照《岩土锚杆（索）技术规程》（CECS 22:2005）,结合BFRP力学性能参数,对BFRP锚杆支护土质边坡进行设计。BFRP筋作为锚杆,其抗拉强度设计值取750MPa,与砂浆黏结强度取2.0MPa。通过BFRP筋材和钢筋锚杆加固土坡的现场对比试验,分析了BFRP锚杆加固土质边坡的效果,表明两种锚杆受力和边坡变形类似,验证了BFRP筋作为岩土支护锚杆的适用性。     

节理岩体锚杆的综合变形分析

在总结国内外对节理岩体中锚杆加固机制的试验研究和理论探讨基础上,综合考虑锚杆的切向和轴向变形能力,建立节理锚固锚杆在剪切荷载作用下的变形模型,将节理锚固锚杆的变形区划分为弹性变形段和挤压破坏段,引入表征挤压破坏段长度的变量,对锚杆与岩体的相互作用机制进行理论分析,推导了剪切荷载与剪切位移和轴向荷载与轴向位移的关系。通过分析锚杆的屈服破坏形式,得到了确定挤压破坏段长度的方法。最后,通过算例分析了挤压破坏段长度与锚杆直径、岩体强度、锚固角度等参数的关系,得到了以下结论：（1）节理锚固锚杆抗剪作用的实质是锚杆调动岩体的抗压强度抵抗节理切向荷载。在抗压强度较高的硬岩中,挤压破坏段局限于节理面附近,锚杆影响范围小;而在抗压强度较低的软岩中,挤压破坏段较大,而且会产生较大的剪切变形,锚杆影响范围较大。（2）锚杆屈服破坏形式与岩质和锚杆直径有关。硬质岩体发生剪切屈服,而较软岩体中容易发生弯曲屈服;小直径锚杆一般直接剪切屈服,而大直径锚杆可能发生弯曲屈服。锚杆屈服破坏后出现塑性铰,挤压破坏段范围在节理一侧约为直径的1～2倍,继续增加剪切荷载,挤压破坏段长度不再增大。（3）随岩质的不同,锚杆锚固节理的最优锚固角变化较大。岩质较硬时,最优锚固角度较小,反之则较大。     

土质滑坡格构锚杆抗滑机制及受力试验研究

通过滑坡防治格构锚固大型物理模型试验,分析了土质滑坡格构锚杆体系在坡顶荷载下的变形和位移,揭示了格构锚杆的抗滑机制,探讨了锚固力与坡体位移及锚杆变形的关系,提出了极限锚固力的计算方法。结果表明：滑坡滑动时,格构梁与坡体整体发生旋转滑移,锚杆在滑面处发生了弯曲变形,处于弯曲和轴向拉伸组合变形状态;格构锚杆的抗滑作用表现为锚杆在滑面处的抗剪抗滑和锚杆格构梁的挡土阻滑;格构锚杆的极限锚固力由初始预应力、锚杆弯曲变形引起锚拉力、坡体位移引起锚拉力三部分组成,可通过公式 计算。该研究结果可为格构锚固体系的优化设计提供一定的参考。     

动力扰动下全长黏结锚杆的力学响应特性

深部岩体工程中,锚杆在围岩变形后处于高承载应力状态,受到爆破振动、矿震等动载荷作用后极易失效,因此,亟待研究动力扰动下锚杆的力学响应机制。基于SHPB试验平台,自行研发了一套研究锚杆动力响应的试验装置,开展动力扰动下全长黏结锚杆的力学响应特性研究。结果表明：初始动载荷作用下锚杆滑移量随着入射能的增加而增加,锚杆中应力波的波峰值随着传播距离的增加而逐渐减小,当应力波传播至锚杆最里端时,应力波峰值衰减较大;第2次动载荷后锚杆SG1处与SG2处应力波峰值差明显比第1次减小,表明动载荷下锚固界面从锚杆外端开始损伤;锚杆失效与锚固界面损伤有关,锚杆承载后初次受到动载荷的影响导致锚固界面产生损伤,损伤锚固段又受到外部载荷（如二次冲击、岩体挤压）作用时会进一步劣化,其不能抵抗围岩的变形而失效。研究结果为揭示锚杆支护失效行为,采取合理的设计与施工提供新的思路。     

压力型锚杆力学性能模型试验研究

为了研究在软质沉积岩条件下压力型锚杆的力学性能,进行了缩尺模型试验。设计的试验锚杆构造良好,模拟的承载体和无黏结形式简单可靠。通过设计不同的锚固段长度,试验获得了岩石条件下压力型锚杆的荷载-位移全曲线。与相同条件的普通拉力型锚索对比,压力型锚杆体现出优秀的抗拔极限承载力、良好的位移延性特征和残余强度;在归纳压力型锚杆破坏模式的基础上提出最佳锚固长度的基本范围,并按理论解进行了算例验证,计算结果与试验结果吻合良好。模型试验对压力型锚杆的力学性能进行了较深入探索,可供相关理论研究、科学试验和工程实践参考。     

基于剪切试验的预应力锚杆变形性能分析

为了研究锚杆对节理剪切性能的作用机制和模式,开展了锚固节理岩体的实验室剪切试验,模拟了不同强度的岩体在剪力作用下的变形和受力特征,对比了锚杆加固前、后岩体的剪切变形规律,分析了节理岩体强度、预应力及锚固方式对节理的抗剪能力的影响,试验过程中通过应变片测点监测锚杆轴力的变化规律,研究了节理剪切过程中锚杆的轴向受力机制和变形特性。剪切试验完成后,取出剪切变形后的锚杆,统计了变形段长度与各参数之间的关系。通过试验结果分析,剪力-位移曲线存在明显的3个阶段：弹性阶段、屈服阶段和塑性强化阶段,曲线近似呈现双直线特征,弹性段锚杆主要发挥销钉作用;屈服段锚杆的轴向作用开始调动,锚杆同时存在销钉和约束作用;塑性段锚杆不再发挥销钉作用,只是依靠其轴向约束作用限制岩体的变形;曲线表现出韧性增强的剪切性能,这就使得锚杆锚固节理岩体的破坏特性由脆性转变为塑性,从而提高了岩体的稳定性和安全度。节理面的滑动对锚杆产生剪切作用,由于切向变形而产生了附加的锚杆轴向变形,锚杆的轴向应力随着剪切位移的增大呈增长的趋势,变形剧烈区域集中于节理面附近,且距离节理面越近其轴向应力增大越多。     

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。