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。     

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。     

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。     

大型地下洞室全长黏结式岩石锚杆锚固机制研究及锚固效应分析

以大型地下洞室为背景,采用隐式锚杆柱单元模拟黏结式岩石锚杆,推导了杆体对围岩模型的附加刚度贡献模型。根据中性点理论,假定锚固体界面的剪切滑移模型,导出了锚杆与围岩相互作用下的荷载传递基本微分方程。基于三维弹塑性有限元增量法计算的围岩离散位移,采用插值拟合获得造成锚杆变形的围岩连续位移,通过求解微分方程得到锚固体界面剪应力和轴向力分布函数。将获得的锚固体剪应力采用等效附加应力模型作用于岩体,反映了锚杆的支护效应。实例分析表明,锚杆新算法能较好地模拟锚杆支护效果。获得的锚固体受力分布特征符合中性点理论,锚固体界面剪应力分为正、负两段,锚固体轴向力分布为单峰曲线。此外,新方法的计算值与实测值较为接近。     

竖向循环荷载作用下砂土中单桩承载特性模型试验研究

采用自主设计的竖向循环加载装置,通过室内模型试验研究竖向循环荷载作用下砂土中单桩承载特性和桩周土体变形机制。根据试验结果,桩体累积位移可以划分为不发展区域、渐变发展区域、破坏区域3种区域;滞回曲线的滞回圈包络面积随着循环次数的增加,呈现逐渐减小的趋势,滞回曲线由不闭合发展为闭合曲线,桩周土体由弹塑性变形逐渐转变为弹性变形。采用粒子图像测速（particle image velocimetry,简称PIV）技术对循环荷载作用下桩周土体变形进行实时量测,得到桩周土体完整的位移场和剪切应变场。结果表明：循环周期、幅值和密实度为桩周土体变形的主要影响因素,随着循环周期的增加,剪切破坏带在接近土体表面处呈现内敛趋势,剪切破坏面最终近乎平行于桩-土界面。循环荷载幅值越大,表层土体在循环荷载作用下越趋于密实,侧向土压力增大,位移影响区域减小,对应剪切应变场呈现“耳”状分布,幅值比循环周期更容易导致桩周土体出现沉陷。不同砂土密实度中的桩体累积位移随着循环周期呈现出不同的特征,松砂状态下桩周土体位移场呈现倒截锥形,密砂则呈现圆柱形。     

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。     

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。     

层状地层全长粘结型锚杆锚固力学效应分析

考虑地层分层特征,根据剪切位移法基本原理,推导了拉拔荷载作用下层状地层全长粘结型锚杆位移、轴力及锚固体周边剪应力解析解,并结合FLAC模拟算例对比验证该方法的可行性;研究发现地层间界面处锚杆周边剪应力及轴力分布分别存在突变点和折点,其变化程度与地层物理力学性质有关,对此,提出了层状地层全长粘结型锚杆布置方案的建议。     

主动侧向受荷桩桩周土的影像观测与数值模拟

在室内模型试验中对模型桩顶施加水平荷载,分别采用数字照相无标点变形量测系统及配套量测分析软件形象地再现了不同密实度砂土中桩周土体及地表土体水平位移分布规律。对双桩的地表水平位移分布情形进行观测分析,结合桩顶位移与水平荷载的关系研究了桩间距对桩与桩之间的相互作用的影响。应用颗粒流程序PFC2D模拟一定深度平面内桩周土体位移,揭示了主动桩桩周土的颗粒流动性状及桩间距对桩-土相互作用的影响。结果表明,主动受荷桩桩周砂土位移场呈两个纺锤体状;砂土密实度增加,桩前砂土变形范围增大;桩间距越小,相邻桩相互影响越明显。     

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。     

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。     

基于突变理论的单根锚杆脱黏分析

针对工程中单根预应力锚杆的脱黏失效问题,基于突变理论提出一种研究的新思路。在建立简化力学模型的基础上,推导出锚固界面的非线性剪切滑移模型;视预应力锚杆为弹性体,根据弹性理论得出锚杆的总势能;引入突变理论,将锚杆势函数化简为尖点突变模型的标准形式,构建锚杆失效的临界判据,并进行脱黏分析。结果表明：所建非线性剪切滑移模型可以合理考虑锚固界面的软化特性;拉拔荷载作用下,锚杆杆体与周围注浆体的界面剪应力分布逐渐演化为单峰曲线,直至极限状态下整个锚固界面发生软化破坏;推导出的临界松动位移理论公式简单实用,可为研究单根预应力锚杆的脱黏失效提供参考。通过对工程算例进行验算分析,证明所提方法是合理可行的。     

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。     

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。     

深部破碎软岩巷道围岩稳定性分析及控制

针对深部破碎软岩巷道围岩稳定性控制难题,以邢东矿-980车场巷道为研究对象,采用现场调研、数值模拟、井下试验及现场观测等方法分析围岩变形破坏特征,揭示其破坏机制,针对性地提出了以高强锚杆密集支护、新型喷层结构护表、滞后注浆加固为主体的多层次锚喷网注联合支护系统,详细阐明了具体支护措施的围岩控制机制,并用数值方法分析了锚杆间距、喷层厚度对于围岩应力场和位移场的影响规律。研究表明：（1）随着锚杆间距减小（0.7 m→0.3 m）,锚杆承压拱和喷层结构的承载能力呈幂函数增长趋势,锚固区围岩压应力呈线性增长趋势,围岩变形量明显降低;（2）随着喷层厚度增大,喷层结构承载能力近似线性增长,锚固区围岩压应力亦呈增长趋势,各部位围岩位移量显著降低;（3）当喷层厚度达到200 mm时,非锚固区内围岩大部分处于压应力状态,拉应力区大幅减少。基于上述研究,结合现场地质、生产条件确定试验巷道围岩支护方案,并进行现场应用。工程实践表明,多层次锚喷网注联合支护技术可有效控制深井破碎软岩巷道围岩大变形,实现深井巷道围岩的稳定性控制。     

抗浮锚杆应力-应变状态的线弹性理论分析

假定抗浮锚杆各部分贡献的位移与锚杆轴力均呈线弹性关系,运用力学原理分析锚杆轴力与锚侧摩阻力、锚-土变形之间的相互关系,推导出锚杆的摩阻力、轴力及各部分变形与锚杆各参数的相互关系。实例验证结果表明：基于线弹性模型基础上建立的摩阻力、轴力和位移公式能够较好地描述垂向抗浮锚杆在弹性变形阶段的内力和变形形态;获得了抗浮锚杆摩阻力和剪切位移沿锚固长度的分布规律;证实了锚土界面处变形为土层抗浮锚杆变形的主要部分。     

超长灌注桩桩-土界面剪切试验研究

为研究超长灌注桩桩侧与土体接触界面的剪切力学行为,采用大型界面剪切仪,开展混凝土与粉质黏土、粉细砂土接触界面剪切试验。针对钻孔灌注桩泥浆护壁施工特点及后注浆工艺的应用,在混凝土与粉细砂土界面设置膨润土泥皮或膨润土泥皮与水泥浆,以研究泥皮及存在泥皮时注浆对界面剪切性状的影响。试验结果表明：界面剪切应力随剪切位移增加逐步达到极限值,之后,剪切应力保持基本不变或出现软化现象;土体类型及法向应力大小对界面剪切力学行为具有较大的影响;粉细砂土-混凝土界面摩擦角与土体有效内摩擦角相近,存在泥皮时,界面摩擦角降低达40%,泥皮的润滑作用较大地削弱了界面的剪切性能;存在泥皮情况下,注浆后界面摩擦角较泥皮界面提高近1倍,水泥浆的注入不仅消除了泥皮产生的不利影响,也有利于进一步改善界面剪切性能,提高其抗剪强度;泥皮及注浆对界面剪切应力与剪切位移关系亦有较大的影响;界面剪切作用对土体具有一定的影响范围,并在接触界面附近土体中逐渐形成剪切破坏带,剪切过程中界面呈现出由剪切位移阶段逐步过渡至剪切滑移阶段;此外,在剪切过程中,不同界面类型的土体变形存在较大差异。