GFRP土钉的特性及加固机理研究

论文摘要

土钉支护技术在岩体加固工程中应用广泛,土钉作为支护结构的核心应具有足够的安全度和耐久性。由于钢材易腐蚀,钢筋土钉的耐久性受到质疑。GFRP(玻璃纤维增强塑料,Glass Fiber Reinforced Polymer)筋材是一种由树脂和玻璃纤维复合而成的新型加固材料,具有较好的力学性能和耐腐蚀性能,用其替代传统钢筋用于边坡加固可以很好地解决土钉的永久性问题。目前,对于GFRP土钉的研究和应用相对较少,相关的试验数据与研究成果有限。本文研究设计了系列GFRP筋杆体拉伸试验、抗剪切试验、螺纹与螺母之间的承载力试验以及GFRP筋材与砂浆间的拉拔试验,评价了GFRP杆体的抗拉强度、弹性模量及抗剪切强度,结合修正的混合定律模型和引入的尺寸修正因子,建立了GFRP杆体的抗拉强度和弹性模量的预测公式;在拉拔试验的基础上,对GFRP筋材与砂浆的拉拔承载力、平均粘结强度随杆体直径的变化和砂浆强度等级的变化进行分析评价;并基于Mindlin位移解,推导了弹性状态内在荷载作用下锚固体的轴力分布函数和粘结界面应力分布函数,分析了锚固体加筋杆体轴力和粘结界面应力的分布形态;以围岩强化理论对GFRP土钉加固机理进行了理论分析,分别研究了土钉对锚固复合体轴向、横向弹性模量和泊松比,以及抗拉强度的影响变化规律。建立GFRP土钉锚固系统轴对称有限元模型,应用有限元软件ANSYS模拟了锚固体锚固界面应力的分布规律,并分析了在不同岩体的弹性模量和不同围压下,锚固界面应力的变化规律等。最后通过GFRP土钉在边坡工程中的应用实例,分析了GFRP土钉的工程经济性,监测了土钉的应力变化,评价了土钉和边坡的工作状况,实践证明GFRP土钉替代钢筋土钉用于边坡支护是可行的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.1.1 传统钢筋的缺陷
• 1.1.2 FRP 筋材概况
• 1.2 FRP 土钉研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 目前存在的问题
• 1.4 本文主要研究内容和方法
• 1.4.1 本文主要研究内容
• 1.4.2 本文创新点及主要研究路线
• 1.5 本文研究的目的和意义
• 第二章 GFRP 筋材的主要物理力学性质试验研究
• 2.1 GFRP 筋材的拉伸强度
• 2.1.1 拉伸试验
• 2.1.2 数据处理
• 2.1.3 拉伸强度及弹性模量预测
• 2.1.4 筋体破坏分析
• 2.2 GFRP 筋材的剪切强度
• 2.2.1 剪切试验
• 2.2.2 结果与分析
• 2.3 GFRP 筋材的螺纹承载力
• 2.3.1 螺纹承载力试验
• 2.3.2 结果与分析
• 2.4 GFRP 筋体的其他物理力学性质
• 2.4.1 GFRP 筋体的热膨胀性及耐火性能
• 2.4.2 GFRP 筋体的抗老化性能
• 2.4.3 GFRP 筋体的长期力学性能
• 2.5 本章小结
• 第三章 GFRP 土钉粘结特性研究
• 3.1 GFRP 筋体与水泥砂浆的粘结强度试验
• 3.1.1 试验概况
• 3.1.2 试验结果及分析
• 3.1.3 粘结机理及破坏形式
• 3.2 粘结强度理论分析
• 3.2.1 全长粘结式土钉受力的理论解
• 3.2.2 最大粘结应力及粘结应力沿杆长的分布规律
• 3.3 粘结应力分布规律的数值模拟
• 3.3.1 ANSYS 有限元简介
• 3.3.2 有限元模型的建立
• 3.3.3 结果分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 GFRP 土钉加固机理研究
• 4.1 锚固理论概况
• 4.1.1 围岩强化理论
• 4.1.2 悬吊作用
• 4.1.3 组合梁理论
• 4.1.4 组合拱理论
• 4.2 GFRP 土钉改善锚固体力学性能分析
• 4.2.1 弹性模量增强分析
• 4.2.2 泊松比增强分析
• 4.2.3 锚固体轴向抗拉强度分析
• 4.3 GFRP 土钉加固机理的数值模拟
• 4.3.1 模型的建立
• 4.3.2 围岩弹模对锚固效果的影响
• 4.3.3 围岩压力对锚固效果的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 GFRP 土钉在边坡工程中的应用
• 5.1 GFRP 土钉设计施工建议及一般原则
• 5.1.1 设计施工建议
• 5.1.2 GFRP 土钉设计一般原则
• 5.2 工程概况
• 5.2.1 边坡工程地质条件
• 5.2.2 GFRP 土钉加固边坡设计
• 5.3 工程经济性分析
• 5.3.1 土钉材料造价对比
• 5.3.2 造孔进尺及灌浆造价对比
• 5.3.3 其他因素评价
• 5.4 GFRP 土钉受力性能分析
• 5.4.1 监测方案设计
• 5.4.2 监测成果分析
• 5.5 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
• 附录 A（攻读学位期间发表论文目录）
• 附录 B（攻读学位期间参加的科研课题项目）