考虑土体非均质和各向异性的锚索极限抗拔力研究

考虑土体的非均质性与各向异性,结合预应力锚索锚固段土体的破裂形式,利用非线性强度准则,根据极限状态下力的平衡原理,推导出一个可考虑土体非均质性、各向异性与非线性破坏性质等多种因素影响的锚索极限抗拔力计算公式,并通过理论计算,分析土体非均质性、各向异性以及非线性强度系数对锚索极限抗拔力的影响。计算研究表明,土体的非均质性与各向异性对锚索抗拔力的影响显著,随着土体非均质常数的增加,锚索极限抗拔力不断提高,而随着各向异性系数与非线性强度系数的增加,抗拔力则有所下降;当土体非均质常数与各向异性系数提高时,土体破裂范围不断增大,研究结果可为锚索锚固体的设计提供一定参考。     

扩大头可回收预应力锚索极限抗拔力计算方法研究

基于极限平衡原理,建立考虑围岩强度的理论模型,推导出适用于扩大头可回收预应力锚索的极限抗拔力计算公式,该公式可考虑扩大头锚固段远端土压力对锚索极限抗拔力的影响。以3个实际工程为背景,将文中公式的计算值、规程计算值与实测值进行对比分析。结果表明,黏性土中锚固段远端土压力对总抗拔力的影响较大;砂性土中的锚索抗拔力计算可采用规程公式或文中的公式;黏性土中抗拔力计算应采用文中的计算公式。     

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。     

预应力群锚根状效应原位试验研究

根据悬索桥隧道式锚碇系统预应力岩锚原位试验及模拟计算结果,分析了锚索的锚固长度、自由长度、锚固注浆压力以及锚注体与围岩界面结合程度对岩锚极限抗拔力的影响。比较了群锚与单锚作用下的岩锚本身及宿主介质的荷载、位移分布特征。群锚约束岩体向临空面变形,具有增韧止裂的根状效应,受埋深(自由长度)、间距、初始预应力、加载历史等影响。锚索的锚固长度控制着岩锚的极限承载力,而自由段长度控制着其在隧道式复合锚碇系统中参与荷载分担的贡献值和时机,自由段长度对有效传递和分散围岩应力有关键作用。指出群锚整体破坏形态存在传递多米诺效应。     

基于Hoek-Brown破坏准则的浅埋条形锚板抗拔力上限分析

现有的锚板极限承载力研究大多是采用线性或非线性Mohr-Coulomb破坏准则在砂质地基中进行的,然而Mohr-Coulomb破坏准则并不适合分析岩质地基中的抗拔结构。采用Hoek-Brown破坏准则构建了一个曲线型的破坏机制,根据极限分析上限定理求出了条形锚板抗拔力的表达式。通过变分计算,得到了极限状态下条形锚板的抗拔力和岩体破裂面的上限解。为了证明所采用方法的有效性,当材料参数B =1时,采用与Mohr-Coulomb破坏准则等效的土体参数,计算了曲线型破坏机制下条形锚板的极限抗拔力,并与已有计算结果进行了比较。结果表明,采用曲线型破坏机制得到的锚板极限抗拔力与直线型多块体破坏机制的结果基本一致,证明了所采用的曲线形破坏机制是正确的。参数研究表明：在其他参数不变的情况下,锚板极限抗拔力和破坏面都随岩体参数B的增大而减小。     

自由段先注浆对预应力锚索抗拔试验结果影响研究

为了解决无法采用已注浆锚索进行抗拔试验问题,基于界面脱黏剪切模型,利用荷载传递和弹性变形理论,考虑锚索锚固段与自由段长度比Lb /La的影响,建立了采用自由段已注浆锚索抗拔试验结果评价锚索抗拔性能的方法。结果表明：自由段注浆对锚索抗拔力有较大幅度的提高,尤其是当界面剪切阶段由弹性向脱黏过渡时,提高比例快速增加,并在脱黏后逐渐趋于稳定。其次,锚索自由段与锚固段交界面处剪切位移和轴力最大,并向两端逐渐降低。随着拉拔力的提高,界面剪切位移和轴力都不断增大,同时向锚索两端的衰减速度也加快。此外,弹性阶段时剪应力曲线为山峰型,而脱黏阶段为马鞍型,并随抗拔力的提高,马鞍开口逐渐扩大。最后,锚固段与自由段长度比Lb /La对锚索极限抗拔力的影响较小,其极限抗拔力折减系数?Q取值介于0.81～0.83之间,且Lb /La =2.5时,?Q计算值仅比实测结果小6.02%,验证了本文方法的可行性。     

自由段先注浆对预应力锚索抗拔试验结果影响研究

为了解决无法采用已注浆锚索进行抗拔试验问题,本文基于界面脱黏剪切模型,利用荷载传递和弹性变形理论,考虑锚索锚固段与自由段长度比L_(b )/L_(a)的影响,建立了采用自由段已注浆锚索抗拔试验结果评价锚索抗拔性能的方法。结果表明：自由段注浆对锚索抗拔力有较大幅度的提高,尤其是当界面剪切阶段由弹性向脱黏过渡时,提高比例快速增加,并在脱黏后逐渐趋于稳定;其次,锚索自由段与锚固段交界面处剪切位移和轴力最大,并向两端逐渐降低。随着拉拔力的提高,界面剪切位移和轴力都不断增大,同时向锚索两端的衰减速度也加快。此外,弹性阶段时剪应力曲线为山峰型,而脱黏段阶段为马鞍型,并随抗拔力的提高,马鞍开口逐渐扩大;最后,锚固段与自由段长度比L_(b )/L_(a)对锚索极限抗拔力的影响较小,其极限抗拔力折减系数γ_(Q)取值介于0.81～0.83之间,且L_(b )/L_(a)为2.5时,γ_(Q)计算值仅比实测结果小6.02%,验证了本文方法的可行性。     

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。     

基于Barton-Bandis准则的锚固边坡稳定性分析

结合岩石节理面非线性Barton-Bandis破坏准则,探讨了将Barton-Bandis破坏准则参数转化为线性Mohr-Coulomb破坏准则抗剪强度参数的两种常用方法,通过实例分析了各方法的优劣。推导了加锚单岩石节理面控制的平面滑动岩体边坡抗滑稳定性安全系数计算式,开展了锚固参数分析。研究表明：相对于采用等效线性拟合法或切线等效法获取Mohr-Coulomb抗剪强度参数而言,直接应用Barton-Bandis破坏准则计算节理面控制的岩石边坡稳定性更为直观和简便;随着结构面基本摩擦角、结构面粗糙度系数和结构面壁面有效抗压强度的增大,边坡安全系数逐步提高,且结构面基本摩擦角和粗糙度系数对边坡安全系数的影响程度更为显著;锚索锚固力越大,边坡抗滑稳定性越好,而锚索设置角度越大,边坡抗滑稳定性越低,锚索角度设置不当将明显减小锚固效应的有效性。     

压力型锚索力学机理现场试验研究

通过现场试验研究了岩质边坡中压力型锚索的受力和破坏机理。试验锚索采用130 mm孔径,6束标准钢绞线,符合实际工程的常用锚索规格。严格控制锚固段与非锚固段尺寸,设置了不同的锚固段长度用以研究锚索的抗拔力学性能。试验获得了岩质条件下足尺压力型锚索的荷载位移全曲线。用应变砖测试了锚固段注浆体在受力过程中的应变规律,测试结果与理论计算的结果吻合。对试验结果进行分析发现,在较软岩条件下,试验锚索的最佳锚固长度在2 m左右。压力型锚索的位移延性性能非常优秀,在锚索整体位移较大时还能维持较高的承载力,可以提供良好的破坏预警。根据实测的轴向应变发现,随着锚固长度的增加,应力传递长度也略有增加。提出压力型锚索的破坏要经历局部塑性,整体塑性两个阶段。     

大断面厚顶煤巷道顶板冒落破坏的上限分析

根据大断面厚顶煤巷道顶板的破坏特性,考虑了顶板围岩应力水平与支护荷载的影响,利用Hoek-Brown强度准则及其相关联的流动法则,构造出厚顶煤巷道顶板的冒落破坏机构。基于塑性力学中的上限分析方法,结合变分原理,推导得到了大跨度厚顶煤巷道顶板的冒落破坏机制,并以赵楼煤矿某巷道现场实践为例,分析了不同计算参数对顶板冒落破坏机制的影响。计算研究表明：随着岩体经验参数A、抗拉强度、抗压强度及支护荷载的增加,冒落体尺寸随之增大,而当岩体经验参数B、围岩应力及岩体重度增加时,冒落体尺寸则随之减小;冒落体尺寸代表了巷道顶板安全性能的大小,其尺寸越大,表明使巷道顶板发生冒落破坏所需外力功越多,顶板安全性能也越高;岩体经验参数B、围岩应力水平与支护荷载对顶板围岩破裂机制影响较为显著,参数B决定了冒落体的破裂形状,随着参数B的增加,冒落破裂迹线的曲率不断减小;增大支护阻力是提高顶板稳定性的有效途径,其研究结果可为大断面厚顶煤巷道支护设计提供一定的理论依据。     

基于简化力学模型的隧道锚极限承载力估值公式

悬索桥隧道式锚碇的设计理念为锚碇夹持岩体协同承载,因而承载能力远超同体积的重力式锚碇。但因目前对围岩协同作用认识尚不充分,在当前隧道式锚碇设计中仍保守地忽略锚碇和岩体间的挤压效应。为弄清锚碇?岩体协同承载的机制,揭示隧道锚承载能力提高的本质,通过分析隧道式锚碇建设至成桥全过程受力,建立隧道锚的简化力学模型,并引用Mindlin应力解分析了荷载沿锚碇轴向的传递规律以及荷载产生的作用于锚碇?岩体间的挤压应力分布,最终给出了隧道式锚碇极限承载力的简化估算方法,并通过伍家岗大桥隧道锚工程实例分析了结果的合理性。所得结论主要有：锚碇?岩体界面力主要由锚碇自重和锚碇?岩体相互挤压产生;锚碇?岩体界面附加应力自后锚面向前锚面呈先增后减的变化趋势,在距后锚面约1/3L处达到应力峰值;以容许抗剪强度为破坏判据解得的伍家岗长江大桥隧道式锚碇的极限承载力为3 504 MN,约为16倍的设计荷载,与室内试验值基本吻合。     

锚固的贯通节理岩体剪切破坏特性分析

为了研究节理对锚固岩体力学特征和失稳损伤演化的影响,采用对锚固贯通节理岩体进行室内剪切试验和PFC2D数值模拟的方法,研究不同节理倾角下锚固贯通节理岩体剪切性能的作用机制和破坏模式,研究结果表明:（1）随着节理倾角变化,贯通节理岩体呈现出不同的破坏形式,锚固贯通节理岩体的抗剪强度与剪切位移曲线并不是呈线性增长,而是呈"双驼峰"趋势。（2）锚固体系在剪切试验的过程中,节理面颗粒的接触方位角会发生一定程度的改变,主要集中在锚杆和节理倾角附近。（3）锚固体系在剪切试验的过程中,会因为颗粒间黏结键的断裂生成裂纹,裂纹数生成的越少,其抗剪强度越高,裂纹分为张拉裂纹和剪切裂纹,并且张拉裂纹的数量要远远大于剪切裂纹的数量。研究结论可用于实际工程破坏模式的预测和岩体工程稳定性评价。     

双滑块边坡锚固系统时变可靠性分析

考虑锚杆锚固段从岩体中拔出、拉杆拉断、拉杆从注浆体中拔出等失效模式,利用系统可靠性原理和极限平衡分析方法,并基于Monte-Carlo抽样原理提出双滑块岩质边坡锚固系统破坏概率的直接求解方法。同时考虑锚杆钢筋的腐蚀与软弱滑动面抗剪强度c、? 的时变性,建立了考虑锚杆多失效模式双滑块岩质边坡锚固系统的时变可靠性模型。算例计算结果表明：软弱滑动面上的强度参数c、? 的时变性和注浆体与围岩之间的抗力时变性对锚固系统的破坏概率的影响较大,而锚杆的腐蚀对锚固系统破坏概率的影响不明显。     

自适应锚索锚固岩质边坡地震动力响应分析

强震作用下常规锚索往往会因材料变形能力不足导致应力过载而被拉断,一旦锚索失效将直接危及整个锚固结构的安全。为研究自适应锚索的动力响应规律以及在自适应锚索支护下锚固边坡的动力特性,以新型抗震锚索为原型,设计自适应锚索锚固岩质边坡试验模型,并利用振动台试验系统对试验模型进行加载。试验中采用正弦波、天津波、EI波以及Taft波等4种地震波进行研究,监测锚索的应变和边坡动力响应。结果表明：锚索的轴力和地震波幅值、类型、地震激励频率等因素密切相关;锚固边坡坡面加速度及位移沿边坡高程均有不同程度的放大,相对于无锚索支护边坡,锚固边坡坡面加速度和位移峰值均有减小;自适应锚索随着预设滑移恒阻力的不同,锚索会产生不滑移、瞬间滑移、逐步滑移3种工况,对应的锚索应变时程曲线和锚固边坡动力安全系数时程具有显著不同的特征;自适应锚索滑移工况下,滑体的安全系数虽然有局部减小的阶段,但是锚固结构的安全储备较大,可适应边坡大变形和瞬态冲击荷载的作用。试验结果可为强震区路堑边坡的支护和自适应锚索抗震设计提供一定参考。