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。     

岩体锚固效应及锚杆的解析本构模型研究

利用Mohr-Coulomb、Hoek-Brown以及Duncan-Chang理论分别分析了块状和碎块状岩体锚固后的物理效应,通过分析认为,岩体锚固后可以有效地提高岩体的凝聚力和软弱结构面的抗剪强度,增强岩体的弹性模量,改善岩体的力学性质。通过对拉拔试验测试结果分析,在一定的假设条件下,推导了锚杆与注浆体或岩体耦合情况下的解析本构方程,并对其进行了参数分析,认为提高拉拔力、增大锚杆直径和锚固段长度可以有效地改善其锚固效果,并提出了锚固临界值的概念。在前人工作的基础上,利用提出的耦合解析本构模型建立了非耦合状态下锚杆的解析本构模型,通过计算认为,该解析模型是合理的。     

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。     

楠竹加筋复合锚杆内部界面黏结滑移模型

楠竹加筋复合锚杆已经应用于中国西北丝绸之路上留存的古代土遗址保护加固工程中。该锚杆截面积大,可以获得足够大的锚固力。针对现场拉拔试验中钢绞线从内黏结剂中拔出的破坏形式,设计了专门的试件及夹具,试验研究了钢绞线与内黏结剂间的力学行为。试验结果表明,钢绞线与内黏结剂的黏结滑移分为指数上升阶段、软化下降阶段和残余应力阶段3个阶段,可以用简化模型和精确模型描述。试验还表明,钢绞线与内黏结剂接触界面上应力分布不均匀,靠近加载端的应力较大,且有应力峰,应力峰随荷载的逐渐增大向远离加载端的方向移动;钢绞线与内黏结剂间平均剪切应力随锚杆的长度增大呈指数衰减。通过理论分析,给出了界面黏结滑移微分方程及相关曲线,结果表明,钢绞线轴力及界面相对滑移沿钢绞线均呈不均匀分布,且随着距加载端的距离增加其值急剧下降,该规律可以指导锚杆设计及工程应用。     

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。     

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。     

多重防腐锚杆抗腐蚀性试验研究

针对地下工程中锚杆防腐性能存在的不足,介绍了多重防腐锚杆的构造和防腐机制。通过模拟不同的腐蚀环境,进行双重和多重防腐锚杆的抗腐蚀性试验研究,观察腐蚀后锚杆的表观变化并测试其抗拔力,分析比较两者锚筋与水泥砂浆之间的粘结强度与滑移位移的关系。分析结果表明：多重防腐锚杆由于在水泥浆中设置了套管,在不同腐蚀环境中其拉拔力始终高于双重防腐锚杆,且随时间更加明显;硫酸盐的结晶作用和腐蚀因子间的牵制效应会使防腐锚杆拉拔力有短暂的提高;多重防腐锚杆产生相同滑移位移对应的粘结强度更大,粘结强度超过极值后的残余强度高于双重防腐锚杆。以上成果能够用于地下结构中防腐锚杆的设计和后期服役期间的耐久性分析,为实际工程中防腐锚杆的抗腐蚀性能研究提供了宝贵的基础资料。     

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。     

锚杆锚固体系中的波系特征研究

采用凝固过程中的混凝土模拟不同物理力学特性的锚固介质,用数值模拟和试验的方法研究了锚固锚杆中的波系及锚固锚杆中界面波的形成过程。数值模拟和试验模拟都表明随着锚固介质力学性质的改变锚杆中传播的波的特性发生改变。锚杆中传播的P波对锚固介质的力学特性非常敏感,随着锚固强度的增加,界面波产生,P波逐渐衰减消失。锚杆中传播的波由原来的P波占主导成为界面波占主导,波在锚固段的传播速度也由杆速度成为界面波波速。界面波的波速与锚固介质的力学性质相关,因此可以用界面波的波速来评价锚杆锚固质量以及计算锚杆锚固段长度。     

横肋对螺纹钢树脂锚杆荷载传递的影响

螺纹钢横肋的外形及尺寸显著影响树脂锚杆的锚固能力。为分析横肋对螺纹钢树脂锚杆荷载传递的影响,将拉拔条件下的螺纹钢树脂锚杆简化为轴对称模型,基于剪切-位移原理导出了关于剪切位移的二阶周期间断变系数齐次微分方程,对周期间断变系数进行Fourier变换,基于MATLAB求解出横肋影响下螺纹钢树脂锚杆剪切应力分布规律,并与圆钢锚杆进行对比分析;采用ABAQUS对螺纹钢锚杆受力进行模拟分析,并与理论分析结果对比验证;提出横肋应力集中因数F,对横肋的影响范围与影响程度进行了分析。研究表明,螺纹钢锚杆剪切应力沿锚杆轴向呈锯齿状递减分布;锚杆有效锚固承载区域内横肋应力集中因数F范围为[1.875,2.156];300 MPa拉拔荷载条件下横肋附近剪切应力峰值可达36 MPa,预示着锚固系统易从横肋附近损伤破坏。     

隧道围岩全长黏结式锚杆界面力学模型研究

分析围岩弹塑性介质中全长黏结式锚杆的锚固界面层应力分布和变化特征,对研究隧道工程初期支护系统的力学效应具有重要意义。根据全长锚杆微段的受力平衡以及锚固界面层剪应力的传递机制建立了关于锚杆轴向位移的微分方程,通过求解锚杆轴向位移的微分方程可得到锚杆与围岩相互作用下的轴向载荷和锚固界面剪应力的分布函数。然后将锚杆界面剪应力对围岩的支护反力转化为圆形隧道轴对称径向体积力,进而求解有锚喷支护作用下圆形隧道围岩塑性区半径。在此解析模型基础上,可对隧道围岩-支护系统进行详细的分析和评判。算例分析表明,初期支护时机的选择对锚固效应和围岩稳定性有较大影响;适当增加全长黏结式锚杆的锚固层厚度能明显降低锚杆端部剪应力的应力集中度,能有效改善锚杆的锚固效果。     

夹? 22 mm钢筋体复合锚杆原位锚固特性分析

加钢筋体复合锚杆在土遗址载体锚固得到了较为成功的应用,但研究该类型锚杆机制刚刚起步。选择交河故城开展了夹? 22 mm钢筋复合体锚杆现场锚固测试,包括锚固性能测试和锚杆各界面层应变监测。锚固性能试验表明,3 m长复合锚杆极限锚固力可达190 kN,而且杆体表现出较强塑性变形。锚杆各界面层应变监测结果表明,钢筋-复合材料界面层轴向应变远大于其他界面层,锚固失效在该层;由于杆体的非均直性,楠竹-复合材料界面表现出轴向应变的非规律性,局部出现受压状态;楠竹-浆体界面剪应变与荷载变化一致,在较高荷载下出现剪应变向锚固末端的传递特征;鉴于杆体的多圈层构造,受力过程中出现明显的横向传递和剪胀特征。其研究成果可为复合锚杆的优化与工艺完善奠定基础。     

锚固节理直剪力学行为的颗粒流数值分析

为探究锚固节理在直剪加载作用下的细观力学响应,利用颗粒流数值计算方法建立不同锚固角度下的锚固节理数值模型,并进行不同法向荷载下的直剪试验。之后,通过分析和对比剪切-位移曲线和峰值剪切强度来对锚固节理宏观力学性质进行研究。与此同时,基于微裂纹分布规律,从细观角度揭示了剪切荷载下不同锚固角度的岩石节理面的破坏特征;研究结果显示。（1）不同于非锚固节理,锚固节理的剪切-位移曲线在剪切后期呈现出一定的增长趋势,且粗糙度不同曲线变化特征存在一定的差异。（2）不同锚固角度下,锚固节理的破坏模式存在着较为明显的差异。当锚固角为90°时,锚固节理模型的破坏主要集中于锚杆与上下节理面接触位置,且破坏主要为挤压式破坏。随着锚固角度的减小,接触位置的破碎区域不断减小,节理破坏主要表现为沿着锚杆的轴向拉伸变形破坏及内部的拉伸破坏。（3）锚固角度的变化对锚固节理的抗强度的影响程度与节理面的粗糙度存在一定关联。具体而言,较为平直节理抗剪强度随着锚固角度的增大,增长趋势明显,而粗糙节理面随着锚固角度的增大峰值抗剪强度的变化趋势相对较为平缓。     

锚固体应力分布规律的数值模拟分析

采用非线性有限元法,分析了全长粘结式锚杆在荷载作用下剪应力的分布规律,同时研究了被加固岩土体的性质对锚固体剪应力分布规律的影响。并将数值模拟的结果与理论计算以及试验结果进行了对比分析。分析表明,锚固体剪应力的分布非常不均匀;当荷载不大时,锚杆所受的剪应力分布范围较小,而最大剪应力数值较大;随着荷载的加大,剪应力的分布范围有向下扩展的趋势,但扩展的速度比较慢;锚固体所受的剪应力的大小和分布与岩体性质有密切的关系,岩石越坚硬,剪应力分布越集中,最大剪应力的数值越大;而岩体越松软,剪应力分布就越均匀,最大剪应力的数值就越小。     

试验条件对土工格栅与膨胀土界面拉拔性状的影响

采用高密度聚乙烯（HDPE）单向土工格栅,以及南水北调中线工程新乡段的膨胀性泥灰岩风化土,在填土尺寸为600 mm×600 mm×600 mm的大型叠环式剪切试验机上进行一系列拉拔试验,研究了土工格栅与试验箱侧壁距离、拉拔速率、上覆荷载大小等试验条件因素对筋土界面拉拔性状的影响。结果表明：不排水条件下,土工格栅与试验箱侧壁的距离,对峰值拉拔力、界面强度与切向刚度的影响不大;拉拔速率较大时,拉拔力增长较快,其拉拔力峰值和界面强度较大;上覆荷载和拉拔力不同,格栅的变形量及筋土相对位移量不同,不同上覆荷载下界面摩阻力沿格栅埋入长度分布的非均匀程度不同,并可导致较小上覆荷载下界面平均摩阻力反而较大的反常行为。     

土工格栅筋土拉拔界面的弹性-指数软化模型与性状

土工格栅被广泛应用于路堤、边坡、挡土墙等加筋土工程,而筋土界面分析是研究加筋作用机理的关键。根据土工格栅拉拔荷载下的受力状态,分析了拉拔试验实际剪应力与位移关系,发现界面软化阶段剪应力与位移近似呈指数分布,已有计算模型大多高估了界面剪应力,提出了能够考虑界面渐进破坏及非线性特性的弹性-指数软化模型。通过筋土界面基本控制方程,得到了土工格栅拉拔荷载下不同阶段受力状态的计算模型。对界面剪应力发展历程及分布规律展开了较为细致的研究,同时进行了参数分析,包括剪切刚度、抗拉刚度、加筋长度、软化指数衰减特征系数等。结果表明,土工格栅拉拔过程中,当筋土界面处于弹性阶段时,界面剪应力不均匀性及界面最大剪应力随剪切刚度增大而增加,弹性模量则相反;软化阶段内,加筋长度越长,界面软化现象越明显,加筋长度较短时,可近似认为界面剪应力呈均匀分布;软化指数衰减特征系数越大,界面剪应力波动越大,其峰值往拉拔端移动;进入残余阶段后,界面剪应力由拉拔端向自由端增大且逐渐趋于残余应力。研究成果可为加筋土工程土工格栅选取提供理论指导。