岩土预应力锚固系统长期稳定性研究

论文摘要

基于大量的文献研究和实践,籍助济南绕城高速公路现场实测资料,利用理论分析、现场试验、室内试验和数值模拟等研究手段,对岩土预应力锚固系统长期稳定性进行了全面系统的深入研究,并结合实际工程对本文的研究思想进行了应用研究,确定了实际工程司服寿命,取得了一系列有益于理论和实践的研究成果。（1）通过全面研究岩土预应力锚固系统作用机理、类型及失稳机理,从动态观点对岩土预应力锚固系统及其长期稳定性进行了全新的定义和诠释,揭示出杆体材料应力腐蚀是决定其长期稳定性的根本因素,建立了岩土预应力锚固系统长期稳定性的总体研究框架,确定了研究的基本理论方向。（2）通过长期现场跟踪监测,揭示了锚索预应力在不同时期及不同影响因素作用下的变化特征和规律,降雨、昼夜温度变化、季节温度引起预应力产生近似闭合的“大循环”、“小循环”和“附加循环”波动变化特征,波动变化长期存在且滞后于影响因素的变化。通过采用流变力学理论研究与实际监测数据分析相结合的方法,构建了反映岩土体蠕变和预应力杆体材料松弛耦合作用的四参数本构模型,首次提出了预应力变化的“平稳衰减叠加波动”机理,建立了预测预应力长期变化的经验模型P=Ae-a（t-b）+B+Dsin（w2t+φ2）+F+Ce-ctsin（w1t+φ1）。（3）通过确定应力腐蚀的主要影响因素和正交组合分析,创造性地研制了模拟岩土环境中金属杆体材料应力腐蚀的室内足尺试验方法和装置。基于室内试验,确定了应力腐蚀的发展规律,首次建立了表征杆体材料应力腐蚀特征的定量公式Cl=p1·x1p2·e-p3x2·(p4+x3p5),奠定了岩土预应力锚固系统司服寿命研究的理论基础。通过现场原位测试,首次揭示了实际工程环境中岩土预应力锚固系统应力腐蚀的典型分布和断面特征。利用现场原位试验数据对室内试验规律进行修正后,可用于预测实际岩土预应力锚固系统的司服寿命。（4）通过首次进行的在役预应力锚索现场原位足尺卸载与数值模拟的对比试验研究,揭示了单锚失效效应和岩土体内部应力调整规律,提出了不同位置锚索影响因子与间距的关系δ=f（L）。采用三维连续介质快速拉格朗日计算程序的数值模拟方法研究了群锚失效效应和稳定性丧失扩展规律,提出局部预应力锚固结构失效发展具有非单调连续性。当失效锚索达到一门槛值,岩土体纵向塑性区与临空面贯通,岩土体首先发生局部失稳。局部失稳所在的相对位置（距离）和数量对整体稳定性的影响具有显著区别。对于实际工程,得出当失效锚索多于8根或坡体表面塑性面积超过200m2时,发生局部失稳;主滑坡相邻级坡体同一纵断面同时发生局部失稳,或者发生能够相互贯通的多处（三处以上）局部失稳时将丧失整体稳定性等重要结论。（5）在提出岩土预应力锚固系统长期稳定性系统控制原理和专家预测复合控制方法的基础上,首次给出了考虑应力腐蚀并基于锚索失效数量门槛值最大的动态优化设计方法。全面分析研究了岩土预应力锚固系统稳定性的三种判据,创造性的建立了基于预应力变化规律和应力腐蚀规律的司服寿命确定方法,确定出实际工程的司服寿命为41年及不同部位的司服寿命范围。首次结合不同应力腐蚀量化特征和现场监测结果,提出了不同失效情况下的预警加固处理时机和针对不同预警失稳预应力锚固系统的加固处理方法。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• 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 岩土预应力锚固系统长期稳定性研究现状与存在的问题
• 1.2.1 预应力锚固理论及应用的研究现状
• 1.2.2 预应力变化规律及监测的研究现状
• 1.2.3 预应力锚固结构耐久性及防腐的研究现状
• 1.2.4 金属材料应力腐蚀研究现状
• 1.2.5 群锚失效效应的研究现状
• 1.2.6 岩土预应力锚固系统长期稳定性研究的综合评述
• 1.3 论文的研究思路、内容和方法
• 1.3.1 论文研究的思路
• 1.3.2 论文研究的内容
• 1.3.3 论文研究的主要方法、技术路线和手段
• 1.4 本文的创新点
• 2 岩土预应力锚固系统长期稳定性及影响因素研究
• 2.1 引言
• 2.2 岩土预应力锚固系统及其分类
• 2.2.1 岩土预应力锚固系统分析
• 2.2.2 岩土预应力锚固系统的组成和功能
• 2.2.3 岩土预应力锚固系统的分类
• 2.3 岩土预应力锚固系统长期稳定性及其影响因素
• 2.3.1 岩土预应力锚固系统长期稳定性分析
• 2.3.2 影响岩土预应力锚固系统长期稳定性因素分析
• 2.3.3 岩土预应力锚固系统长期稳定性影响因素的重要性分析
• 2.4 预应力锚固系统的失稳模式和机理
• 2.4.1 杆体材料断裂
• 2.4.2 内锚固体失效
• 2.4.3 锚固力不足的局部或整体失稳
• 2.5 预应力锚固系统杆体材料破坏的研究
• 2.5.1 杆体材料单纯的受力破坏
• 2.5.2 杆体材料的腐蚀破坏
• 2.5.3 预应力杆体材料破坏形式的可能性分析
• 2.5.4 预应力杆体材料发生应力腐蚀部位的研究
• 2.6 本章小结
• 3 岩土预应力锚固系统应力长期变化规律研究
• 3.1 引言
• 3.2 预应力锚索锚固工程概况
• 3.2.1 工程背景和概况
• 3.2.2 锚索预应力监测仪器的现场布设
• 3.3 锚索预应力变化特征及机理研究
• 3.3.1 锚索预应力初期变化特征
• 3.3.2 锚索预应力长期变化特征研究
• 3.3.3 锚索预应力变化机理研究
• 3.4 岩土锚固系统应力变化预测模型的建立
• 3.4.1 锚索应力长期衰减变化的理论预测模型研究
• 3.4.2 锚索预应力长期变化规律的经验预测模型
• 3.5 本章小结
• 4 预应力杆体材料应力腐蚀试验研究
• 4.1 引言
• 4.2 应力腐蚀机理及腐蚀因素分析
• 4.2.1 应力腐蚀机理研究
• 4.2.2 应力腐蚀影响因素
• 4.3 预应力锚杆（索）应力腐蚀试验
• 4.3.1 应力腐蚀室内试验设计
• 4.3.2 室内应力腐蚀规律分析
• 4.4 预应力杆体材料现场腐蚀试验研究
• 4.4.1 试验目的
• 4.4.2 工程概况及现场取样
• 4.4.2 现场试验研究
• 4.4.3 室内应力腐蚀试验规律的修正
• 4.5 本章小节
• 5 岩土预应力锚固系统群锚失效效应研究
• 5.1 引言
• 5.2 预应力群锚加固机理及失效特征分析
• 5.3 单锚失效效应的现场试验研究
• 5.4 数值模拟计算的基本理论
• 5.4.1 有限差分程序及建模原则
• 5.4.2 弹塑性本构模型
• 5.4.3 预应力锚索单元（Cable单元）
• 5.5 预应力锚索群锚失效效应的数值模拟研究
• 5.5.1 数值模拟方案
• 5.5.2 数值模拟计算参数
• 5.5.3 数值模型的建立
• 5.5.4 单锚失效效应研究
• 5.5.5 不同间距群锚失效效应研究
• 5.5.6 不同预应力值群锚失效效应研究
• 5.5.7 不同坡体位置的锚索失效效应比较研究
• 5.5.8 多处局部失稳对整体稳定性影响研究
• 5.6 本章小节
• 6 岩土预应力锚固系统长期稳定性控制对策研究
• 6.1 引言
• 6.2 岩土预应力锚固系统长期稳定性控制的原理和方法
• 6.2.1 岩土预应力锚固系统长期稳定性控制的原理
• 6.2.2 岩土预应力锚固系统长期稳定性控制方法
• 6.2.3 岩土预应力锚固系统长期稳定性控制的内容
• 6.3 岩土预应力锚固系统动态优化设计方法研究
• 6.3.1 动态优化设计问题的提出
• 6.3.2 岩土预应力锚固系统动态优化设计方法
• 6.4 预应力锚固系统长期稳定性监控系统研究
• 6.4.1 建立预应力锚固监控系统的意义
• 6.4.2 预应力锚固监控系统的构成内容
• 6.5 岩土预应力锚固结构长期稳定性预警判据研究
• 6.5.1 预应力锚固结构长期稳定性预警判据类型
• 6.5.2 预应力锚固结构稳定性预警的力学判据
• 6.6 岩土预应力锚固系统司服寿命研究
• 6.6.1 预应力锚固结构司服寿命的决定因素研究
• 6.6.2 预应力锚固结构司服寿命预测研究
• 6.6.3 预应力锚固系统司服寿命预测工程实例
• 6.7 预警状态预应力锚固系统的处理对策
• 6.7.1 预警预应力锚固系统处理时机研究
• 6.7.2 预警状态预应力锚固系统的处理方法
• 6.8 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集