孔道弯曲条件下拉力型锚索锚固段受力特征模型试验研究

预应力锚索技术作为一种有效的加固技术广泛地应用于各类工程中。由于地质因素和技术因素的影响,锚索在实际工程施工中极其容易发生钻孔偏斜或孔道弯曲等问题,尤其是在大吨位-超长孔深锚索钻孔中该问题尤为突出。为得到孔道弯曲情况下锚索的受力特征,开展了孔道弯曲条件下的室内足尺模型试验,用一定强度的混凝土来模拟岩体,并且预埋具有一定弧度的锚索构件,通过分级张拉预应力锚索来测量在受力过程中孔道弯曲情况下锚索锚固段剪应力、轴力等分布情况,并与孔道直线状态下受力特征进行了对比。试验结果表明,孔道直线状态时锚索锚固段内外两侧剪应力的分布规律与孔道弯曲情况下并不完全相同,在同级荷载张拉时,锚固段弯曲内侧剪应力比外侧剪应力值大;轴力沿锚索长度方向由大变小,直至为0;锚索围岩压力在注浆体内外两侧变化规律基本相同,但孔道内侧受压,外侧受拉。     

预应力锚杆内锚固段长度效应研究

为研究预应力锚杆内锚固段长度对杆体轴力及围岩支护效果的影响,将锚杆内锚固段长度与杆体总长度之比定义为内锚固段长度系数,根据锚固界面剪应力计算公式,推导锚杆轴力与杆体伸长量的关系式。在分析内锚固段长度系数对杆体轴力影响规律的基础上认为,在锚杆杆体总长度一定的情况下,减小内锚固段长度,可有效控制杆体轴力的增大。基于预应力锚杆加固围岩的组合拱理论,利用FLAC3D数值模拟技术,分析内锚固段长度对锚杆的预应力场及围岩支护效果的影响,结果表明:内锚固段长度的降低,有利于扩大锚杆的预应力场影响范围、提高围岩有效承载圈厚度、减少围岩塑性区深度和变形量。最后,讨论了通过改变锚固长度协调支护刚度的工程意义。     

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。     

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。     

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。     

基于Mindlin解的压力型锚杆锚固段的受力分析

假设锚杆为与周围介质相同的材料,视锚杆作用的岩土体为弹性半空间位移体;基于Mindlin位移解,求出集中力作用下周围岩土体沿锚固体的轴向位移;根据压力型锚杆锚固段的受力状态,计算锚固体在轴向荷载作用下压缩变形,利用锚固体与周围岩土体变形协调假定,推导出锚固段轴向应力和剪应力分布的理论解。经过与已有现场试验实测数据对比分析,验证了理论解的可行性,并在此基础上讨论了相关岩土参数对锚固段轴向应力和剪应力的影响。锚杆现场试验和理论分析结果表明:压力型锚杆的锚固段所受轴向应力和剪应力与锚固力成正比;压力型锚杆的锚固段所受剪应力的分布形式受周围岩土体弹模、泊松比以及锚固体与周围岩土体界面的内摩擦角等因素的影响。其中周围岩土体的弹模影响最大。     

预应力锚索锚固段钢绞线应力分布研究

使用磁通量传感器对拉力集中型预应力锚索锚固段钢绞线应力分布进行研究,分析了预应力锚索锚固段钢绞线应力传递和分布的规律;结合长期监测,分析了锚固段钢绞线应力损失情况以及张拉锁定前后锚固段钢绞线应力分布调整的规律。研究应用表明,磁通量传感器技术可作为锚索基本试验等各种试验中钢绞线应力分布检测的一种有效的方法。     

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。     

拉力型锚索锚固段周边岩体的应力分布

采用弹性空间体内部一点受集中力的Kelvin解,推导了拉力型锚索锚固段的附加应力和位移分布的理论公式,并依此推出了锚固段周边的剪应力分布公式。在此基础上,讨论了锚固体、岩土体的力学参数对附加应力、位移和剪应力的影响。结果表明,锚固段周边岩体中的正应力场和位移为锥形,在锚固段的起始点上部形成了压应力场,下部为拉应力场,并以力的作用点为中心快速衰减。锚固段周边剪应力形成了一个锥面,并随远离作用点快速衰减。     

基于正交试验设计的边坡预应力锚固参数敏感性分析

阜新海州露天煤矿北帮边坡采用预应力锚固措施进行治理。本文为了给预应力锚固参数的选取提供可借鉴的依据,利用正交试验设计对预应力锚固参数(锚索间排距、预应力、锚固角、锚固段长度、锚索长度)进行了敏感性分析。分析结果表明,这5个参数对边坡稳定性系数的敏感性由大到小依次为:预应力、锚索间排距、锚索长度、锚固段长度、锚固角,预应力和锚索间排距是影响稳定性系数的主要因素。     

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。     

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。     

考虑孔壁界面滑移-软化的预应力锚索锚固段侧阻力分布

较多理论分析得到锚索锚固段侧阻力的沿程分布呈下凹衰减曲线,与工程实际的单峰曲线差异很大,缘其全程粘结、共同变形假设不甚合理。作者采用简便的荷载传递法,分析了全程粘结所满足的变位协调条件,导出了滑移临界荷载判别式。分析认为,由于孔壁界面滑移的软化效应,侧阻力曲线始端变为上升曲线。因此侧阻力曲线由两部分组成:侧阻力峰值之前部分为始端滑移段,呈上升曲线;而侧阻力峰值之后的部分为粘结段,呈下凹衰减曲线。在锚固的理论分析中,应对界面滑移及软化因素对侧阻力分布的影响予以足够重视。     

新型压力均布型锚索锚固机理的试验研究

通过改变压力型锚索锚固段承载体结构形式和锚固段围岩强度,研究新型压力均布型锚索锚固段承载体和砂浆之间作用力传递机理,获得承载体压力分布及其大小,阐述注浆体抗剪性能的变化,从而可以确定压力均布型锚索合理的承载体结构形式。研究结果表明压力均布型锚索承载体轴力沿钢管径向均布,承载体表面肋状结构增加砂浆体的抗剪性能,大大提高压力均布型锚索的锚固能力,从而可以优化锚索锚固段的长度。     

拉力型锚杆锚固界面剪应力分布偶应力理论分析

锚杆锚固段界面剪应力分布规律是锚杆设计研究的重点,直接影响锚固效果。锚固段界面上的剪应力会引起界面附近的岩土体较大的应变梯度,而用经典弹性理论分析锚固段剪应力时没有考虑应变梯度。偶应力理论引进弯曲曲率,考虑弯曲效应对介质变形特性的影响,基于该理论建立平面应变问题的有限元计算模型,研究拉力型锚杆锚固段界面上的剪应力分布、界面附近的边界层效应和偶应力的尺度效应,并将偶应力理论的计算结果和经典弹性理论的计算结果进行比较。结果表明,在偶应力理论下,拉力型锚杆锚固段界面的剪应力和剪应变有所减小,特别是峰值处的剪应力减少明显;界面处的剪应力不再连续;界面附近的剪应变突变有所改善,出现一个过渡区域。特征长度减小,过渡区域变小,应变梯度增大,第二剪切模量对剪应力分布的影响不明显。     

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。     

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。     

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。     

单/多离层作用下锚杆受力特性分析

巷道围岩由于变形的不协调常常会产生单个或多个离层。根据岩层相对移动时拉拔载荷对锚杆的作用机制,对单个离层产生的锚杆附加应力建立弹塑性力学模型,讨论了弹性状态下离层对锚固体荷载的影响,随着离层进一步扩展,锚固体界面进入弹塑性阶段,基于剪切滑移模型,确定出离层左右两侧的滑移范围。总结出离层作用下锚杆受力全过程分为5个阶段：全弹性、单侧弹塑性、两侧弹塑性、一侧全滑移而另一侧滑移范围增大、全塑性直至锚杆承受极限拉拔荷载而破坏。采用模型试验数据对岩体离层-锚杆轴力曲线特性进行对比验证,结果表明,计算值与实测值吻合较好。根据应力叠加原理,推导出多离层情况下锚杆的应力求解公式,得出应力分布为多峰曲线。通过实例对离层值、离层位置做了参数分析,离层对锚杆的荷载影响应在今后的锚固设计中予以考虑。