全长粘结式锚杆受力特性以及数值仿真试验研究

论文摘要

锚杆是岩土工程中重要的支护构件。但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。明确锚固力学传递规律、建立准确的界面应力分布理论模型以及采用合理的数值计算方法都是进行锚杆锚固研究的关键。本文在现有试验、理论的基础上,针对各种荷载作用和各种工程工况,对全长粘结式锚杆的受力特性、锚固界面力学模型以及数值模拟计算等方面展开研究工作。分析单根全长粘结式锚杆在张拉荷载作用下的受力状态,根据已有试验得到的锚固界面应力分布曲线和相关结论,用比较简单的数学表达式对复杂的剪应力分布情况进行描述,建立均质岩体锚杆应力分布理论模型和节理岩体锚杆支护理论模型。同时鉴于目前数值模拟计算中存在的问题,推导考虑锚杆与灌浆体之间剪切破坏作用的三维锚杆有限元计算程序,并借助Fortran编程语言得以实现,最后进行程序验证和拉拔试验数值模拟计算。结果表明,当拉拔荷载较小时,锚固界面没有解耦发生,杆端轴力最大,大小等于作用的拉拔力,随后轴力沿杆长呈“近似负指数”分布;随着拉拔荷载的增加,杆体前端界面出现解耦,解耦段的轴力恒等于峰值拉拔力,未解耦段的轴力依然服从“近似负指数”分布;当达到极限抗拉拔力时,锚杆前端界面解耦段长度的数值模拟结果与实测结果基本吻合。推导并验证剪切荷载作用下锚杆加固节理岩体系统的两种破坏理论模型。同时借助三维有限元计算,尝试采用新型数值计算模型来模拟全长粘结式锚杆以及锚杆与灌浆体之间的相互作用,进一步揭示某些锚固参数对锚杆加固效果的影响。得出以下结论:锚杆倾斜安装可以有效减小剪切位移、缓解锚固体系中应力的增加,最终提高节理岩体整体抗剪强度;当围岩抗压强度较小时,锚固系统最终发生拉弯破坏。采用合理的锚固体-岩土体界面力学模型来模拟锚固体与灌浆体之间的相互作用。结果表明,锚固段从加载到破坏分为弹性变形阶段、滑移变形阶段和脱粘滑动阶段,每一阶段应力的分布特征和演化规律都与理论分析结果一致;不同杆长的锚杆达到极限拉拔荷载时,其轴向应力分布、锚固界面剪应力分布非常相似,且界面应力主要分布在锚杆前端“临界长度”的范围内。以洞室开挖围岩位移为参量,建立并验证洞室围岩变形引起的锚杆界面剪应力分布的理论模型。最后,以大岗山水电站为背景,将上述研究成果应用到实际工程中,具体分析锚杆锚固前后围岩稳定性的变化以及锚杆的受力状态,为实际工程提供参考。

论文目录

• 目录
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景与研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 试验研究
• 1.2.2 理论研究
• 1.2.3 数值模拟研究
• 1.3 主要研究内容和方法
• 1.4 创新点
• 第二章 拉拔荷载作用下锚杆受力特性研究
• 2.1 关系推导
• 2.2 均质岩体锚杆应力分布理论模型
• 2.2.1 较小拉拔荷载作用
• 2.2.2 较大拉拔荷载作用
• 2.3 节理岩体锚杆支护理论模型
• 2.3.1 未解耦模型
• 2.3.2 解耦模型
• 2.4 理论模型验证
• 2.5 数值模拟
• 2.5.1 三维锚杆单元有限元计算程序
• 2.5.2 基本参数
• 2.5.3 结果分析
• 小结
• 第三章 剪切荷载作用下节理岩体锚杆受力特性研究
• 3.1 理论分析模型
• 3.1.1 剪拉破坏模型
• 3.1.2 拉弯破坏模型
• 3.2 破坏模型验证
• 3.3 数值模拟
• 3.3.1 粘结单元
• 3.3.2 接触模拟
• 3.3.3 计算模型
• 3.3.4 数值结果分析
• 小结
• 第四章 锚固段界面力学特性研究
• 4.1 锚固段破坏形式
• 4.2 界面力学特性
• 4.3 界面力学理论模型
• 4.4 数值分析
• 4.4.1 应力分布演化过程
• 4.4.2 临界长度
• 小结
• 第五章 位移荷载作用下锚杆受力特性研究
• 5.1 洞室开挖围岩变形
• 5.2 锚杆交界面剪应力模型
• 5.2.1 未解耦模型
• 5.2.2 解耦模型
• 5.3 理论模型验证
• 小结
• 第六章 工程应用
• 6.1 工程概况
• 6.2 计算断面
• 6.3 开挖顺序
• 6.4 锚固参数
• 6.5 计算模型
• 6.6 材料参数
• 6.7 计算结果分析
• 6.7.1 塑性区比较
• 6.7.2 位移比较
• 6.7.3 剪应力分布图
• 小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 博士期间发表的学术论文及参加的项目
• 学位论文评阅及答辩情况表