锚杆—锚固剂—岩体界面力学特性实验研究及其有限元分析

论文摘要

本论文提出了一种新型材料锚杆技术,即“用玻璃钢复合材料制作的锚杆代替传统的钢锚杆”,为了更好的解决岩土工程中的安全问题,本文通过实验的方法和有限元数值模拟的方法对锚杆最大承载力和界面上的剪应力进行了分析,通过改进的拉拔实验方案进行实验研究,同时提出了一种锚杆—锚固剂—岩体之间界面力学特性的数值模拟方法,利用有限元软件ANSYS分别对锚杆界面上应力分布特征和锚杆在长期载荷作用下进行的蠕变松弛现象做了数值模拟与理论分析,通过改变玻璃钢锚杆的蠕变系数和锚杆直径来观察对锚杆蠕变松弛的影响,最后得到优化设计的目的。论文研究结果表明:(1)通过对锚杆进行的拉拔试验得到锚杆最大承载力,然后由实验所得结果数据利用理论计算得到锚杆界面上平均剪应力,峰值剪应力的计算是通过徐景茂在《锚索内锚固段注浆体与孔壁之间峰值抗剪强度试验研究》中提出的剪应力分布为近似高斯型正态曲线的方法,最后把实验得到的数据代入公式得到最大剪应力。把实验结果、理论计算结果与数值模拟结果进行对比,进一步验证了数值模拟的正确性。(2)对锚杆—锚固剂—岩体之间的界面力学特性的数值模拟得出锚杆界面上的应力分布规律及其最大承载力。通过以上得到的结果可以为岩土工程中的安全问题提供可靠的设计方案。(3)影响锚杆蠕变松弛的因素有多种,本文主要通过改变玻璃钢锚杆的蠕变系数和锚杆的形状尺寸来对锚杆的蠕变与应力松弛进行了数值模拟,分析锚杆上轴向应力随时间变化的情况,通过模拟分析得到不同因素对锚杆轴向应力和时间关系的影响,这样就能对这种蠕变松弛现象进行充分利用或控制,更好地为岩体工程服务。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 岩土工程锚固技术的发展及研究现状
• 1.1.1 锚固技术主要解决问题
• 1.1.2 国内研究进展
• 1.1.3 国外研究进展
• 1.2 新型锚杆材料的研究与应用现状
• 1.2.1 传统锚杆的不足
• 1.2.2 玻璃钢复合材料锚杆基本概述
• 1.2.3 玻璃钢复合材料在工程中的应用
• 1.2.4 下世纪复合材料发展的机遇
• 1.3 锚固工程问题的理论研究及数值模拟现状
• 1.4 问题的提出及本文研究内容
• 1.4.1 研究背景
• 1.4.2 研究意义
• 1.4.3 本课题所做的工作内容
• 第二章 锚杆粘结性能试验研究
• 2.1 锚杆粘结试验概述
• 2.1.1 试验背景
• 2.1.2 实验目的
• 2.1.3 实验要求
• 2.2 实验原理描述
• 2.2.1 实验材料
• 2.2.2 试件设计
• 2.2.3 实验装置
• 2.2.4 实验步骤
• 2.3 实验结果与分析
• 2.3.1 平均剪应力计算
• 2.3.2 峰值剪应力的计算
• 2.4 小结
• 第三章 数值模拟基本理论
• 3.1 界面力学原理
• 3.1.1 界面力学的研究对象和任务
• 3.1.2 界面力学的发展
• 3.1.3 界面力学的研究方法
• 3.2 界面的力学模型
• 3.2.1 界面形成的机理
• 3.2.2 界面问题的力学研究
• 3.2.3 界面力学模型
• 3.3 界面的其他力学模型
• 3.3.1 弹簧模型
• 3.3.2 界面单元模型
• 3.4 锚固系统界面层的载荷传递
• 3.4.1 锚杆剪应力沿深度方向的分布规律
• 3.4.2 锚杆载荷传递计算过程
• 第四章 锚杆—锚固剂—岩体界面力学特性有限元分析
• 4.1 有限元方法概述
• 4.2 常用的锚杆有限元计算模型
• 4.2.1 全长粘结的锚杆的弹性受力分析
• 4.2.2 粘结锚杆单元
• 4.2.3 其他计算模型
• 4.3 锚杆—锚固剂—岩体界面力学特性有限元分析
• 4.3.1 模型的建立及基本参数
• 4.3.2 单元类型的选择
• 4.3.3 约束与载荷的施加
• 4.3.4 结果处理与分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 锚杆蠕变松弛
• 5.1 应力松弛理论分析
• 5.1.1 蠕变
• 5.1.2 应力松弛
• 5.1.3 实用松弛模型
• 5.2 蠕变理论分析
• 5.2.1 蠕变曲线
• 5.2.2 蠕变率
• 5.2.3 锚杆的蠕变的特殊性
• 5.2.4 锚杆蠕变模型
• 5.3 锚杆蠕变松弛特性有限元分析
• 5.3.1 几何模型
• 5.3.2 有限元模型
• 5.3.3 锚杆蠕变松弛力学特性数值分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间所发表的论文及研究成果
• 个人简介