粘结型锚杆锚固理论与试验研究

论文摘要

锚固技术广泛地应用于土体加固、边坡稳定、深基坑支护和混凝土结构加固等工程中，充分理解锚固系统的力学机理对于实现有效设计是至关重要的。锚固系统构造复杂，一套完整的锚固系统包括三种介质和两个界面，这五个要素的力学性质直接决定了锚固系统的极限承载能力。本文通过试验研究、理论分析和数值模拟，着重研究了锚固系统中两个界面的粘结性能、灌浆体在承载状态下的强度和变形特性、粘结型锚杆的承载力计算与预测。具体内容如下： 1 通过对15个短埋长拔试件在单调加载下的拔出试验，研究了钢筋与灌浆体的粘结破坏全过程，分析了钢筋的表面形状、直径和灌浆的强度对于钢筋与灌浆体界面粘结强度的影响，根据试验结果计算出三个界面特征参数：界面剪切强度，界面剪切刚度和界面摩擦力。 2 对处于三轴压状态下的灌浆体进行了强度特性和变形性能的试验研究，分析三轴压状态下灌浆体的破坏形式，研究了应力比和中主应力对于三轴压状态下灌浆体强度的影响，在八面体应力空间建立了三轴压状态的灌浆体的破坏准则。 3 采用“推出”试验方法来研究灌浆体与混凝土的粘结性能。通过试验，得到了荷载—滑移全曲线，分析了灌浆体与混凝土基体粘结滑移破坏的全过程，研究了灌浆强度和钻孔直径对于界面粘结强度的影响。 4 建立了界面力学模型，得到了界面特征参数，用这些参数表征界面破坏不同阶段的粘结强度，并且与试验结果进行了比较，二者具有很好的一致性。 5 运用有限元方法计算了灌浆体被推出过程中混凝土基体中的应力分布，分析了混凝土基体发生劈裂破坏的原因。 6 提出了一种用于灌浆体从基体中推出试验的分析方法，研究了界面裂缝的扩展过程，利用这个方法可以计算出弹性阶段灌浆体中压应力和界面剪切应力沿深度方向的分布。 7 建立了灌浆体推出荷载与界面裂缝长度之间的关系模型，这个模型考虑了裂缝扩展过程中的软化和摩擦效应，并根据这个模型计算了极限推出荷载和界面裂缝长度临界值。 8 在试验的基础上建立了粘结型锚杆的有限元分析模型和理论分析模型，运用这两个模型计算了砂浆锚杆的极限荷载和破坏界面，二者具有很好的一致性。 9 采用神经网络技术描述了锚固系统承载力及其影响因素之间复杂的非线性映射关系，运用系统仿真的原理构造了锚固系统极限承载力预测的智能化仿真系统。将预测的结果与文献的试验结果进行了比较，证明了此方法的可行性和先进性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 锚杆的力学机理
• 1.2.1 锚杆的分类
• 1.2.2 粘结型锚杆的破坏形式
• 1.2.3 粘结型锚杆的拉拔力
• 1.2.4 粘结型锚固系统的力学传递机理
• 1.3 锚固技术的发展概况
• 1.3.1 岩土锚固技术
• 1.3.2 混凝土后锚固技术
• 1.4 锚固理论研究现状
• 1.4.1 锚固系统力学机理的研究现状
• 1.4.2 锚固系统极限承载力的研究现状
• 1.5 锚固系统中界面力学特性的研究概况
• 1.5.1 钢筋-基体界面粘结性能的研究概况
• 1.5.2 纤维-基体界面特性的研究概况
• 1.5.3 灌浆体-基体界面粘结强度的研究概况
• 1.6 本文的主要研究内容
• 2 钢筋-砂浆粘结性能试验研究
• 2.1 引言
• 2.2 试验概况
• 2.2.1 试验材料
• 2.2.2 试件设计与制作
• 2.2.3 试验装置和测试方法
• 2.3 试验结果与分析
• 2.3.1 光圆钢筋的试验分析
• 2.3.2 螺纹钢筋的试验分析
• 2.4 钢筋-砂浆界面剪切强度的影响因素
• 2.4.1 砂浆强度
• 2.4.2 钢筋的外形
• 2.4.3 钢筋直径
• 2.5 界面剪切刚度
• 2.6 界面残余摩擦应力
• 2.7 小结
• 3 灌浆体在三轴受压状态下的变形和强度特性
• 3.1 引言
• 3.2 混凝土多轴强度和变形的研究现状
• 3.3 试验概况
• 3.3.1 试件制作
• 3.3.2 减摩措施
• 3.3.3 试验设备
• 3.3.4 试验应力比
• 3.3.5 试验方法
• 3.4 试验结果与分析
• 3.4.1 试验结果
• 3.4.2 破坏形式
• 3.4.3 试件的显微结构
• 3.4.4 应力-应变曲线分析
• 3.4.5 中间主应力的影响
• 3.4.6 八面体应力空间破坏准则
• 3.5 小结
• 4 砂桨-混凝土界面粘结性能试验研究
• 4.1 引言
• 4.2 试验概况
• 4.2.1 试验材料
• 4.2.2 试件设计与制作
• 4.2.3 试验装置和试验方法
• 4.3 试验结果与分析
• 4.3.1 试件破坏分析
• 4.3.2 试验曲线
• 4.3.3 剪切强度
• 4.3.4 砂浆强度对于剪切强度的影响
• 4.3.5 尺寸效应
• 4.4 小结
• 5 灌浆体-混凝土基体界面力学特性研究
• 5.1 引言
• 5.2 界面粘结强度特征参数
• 5.2.1 计算模型
• 5.2.2 计算结果分析
• 5.3 小结
• 6 混凝土基体中的应力分布
• 6.1 引言
• 6.2 有限元分析模型
• 6.3 有限元分析结果
• 6.3.1 G1的应力分布
• 6.3.2 G2的应力分布
• 6.3.3 G3的应力分布
• 6.3.4 基体的径向应力场
• 6.4 小结
• 7 灌浆体从基体中推出极限荷载理论计算及试验验证
• 7.1 引言
• 7.2 理论推导
• 7.2.1 基本假定
• 7.2.2 砂浆-混凝土界面剪切-滑移模型
• 7.2.3 基本方程
• 7.2.4 界面剪切应力的解析解
• 7.2.5 界面开裂分析
• 7.3 试验验证
• 7.4 小结
• 8 混凝土后锚固极限承载力预测的神经网络模型
• 8.1 引言
• 8.2 神经网络在土木工程中的应用
• 8.3 人工神经网络原理
• 8.4 混凝土后锚固极限承载力预测的神经网络模型
• 8.4.1 神经网络模型的构建
• 8.4.2 神经网络模型的仿真过程
• 8.5 神经网络模型的验证
• 8.5.1 神经网络模型仿真效果评价
• 8.6 小结
• 9 砂浆锚杆极限承载力的数值计算与理论分析
• 9.1 引言
• 9.2 有限元模型
• 9.2.1 单元类型
• 9.2.2 材料性质
• 9.2.3 锚杆拉拔力数值计算
• 9.2.4 计算模型
• 9.2.5 计算参数
• 9.3 约束条件及加载
• 9.4 有限元计算结果
• 9.5 理论分析
• 9.5.1 计算模型
• 9.5.2 基本方程推导
• 9.5.3 计算结果及分析
• 9.6 小结
• 10 结论与展望
• 10.1 结论
• 10.2 展望
• 参考文献
• 附录 A:灌浆体和混凝土基体横截面压应力分布
• 攻读博士学位期间参加的课题和发表的论文
• 创新点摘要
• 致谢
• 大连理工大学学位论文版权使用授权书