GFRP土钉在边坡支护中的应用研究

论文摘要

土钉在边坡支护工程中应用广泛,然而,边坡工程的使用寿命一般在50年以上,要求土钉具有良好的耐久性能,但是金属土钉的抗腐蚀和耐久性能差,大大影响了土钉支护技术的应用范围,尤其是在许多特殊地层和永久性岩土支护工程的应用中受到很大限制。玻璃纤维增强塑料（Glass Fiber Reinfored Plastics,简称GFRP）,由于具有抗拉强度高、耐腐蚀、抗疲劳性能好、质量轻、抗磁性等优点,被视为代替金属土钉的一种新型边坡支护材料。我国对GFRP土钉的研究起步较晚,仍停留在理论研究阶段。对于在实际边坡工程中的应用,国内并没有见到相关报道,在国家标准或行业标准的相关设计规范也没有做出相应的说明和规定。本文以GFRP土钉在常吉高速公路K161+310～K161+440边坡工程依托,通过室内试验、现场测试、理论分析和有限元程序数值模拟和仿真研究等工作,对GFRP土钉进行了应用研究。主要取得了以下研究结论和成果:⑴通过室内试验与现场拉拔试验,研究了GFRP筋材的拉伸强度、抗剪强度、机械咬合力、拉拔破坏模式、粘结强度、拉拔承载力、锚固反应等指标,证明了GFRP土钉具有较好的力学性能。⑵通过GFRP土钉在酸碱腐蚀环境下的耐久性研究,说明了GFRP土钉具有较强的抗腐蚀性能,能够满足GFRP土钉在恶劣腐蚀环境下的长期稳定性要求。⑶在室内试验和现场拉拔试验研究成果的基础上,参考前人的研究成果,提出了GFRP土钉边坡支护设计的基本原则与思路。⑷通过GFRP土钉在常吉高速公路K161+310～K161+440边坡的应用,根据现场实测,研究了GFRP土钉的边坡支护效果、锚固质量以及土钉在工作状态下的应变情况。⑸利用MIDAS/GTS有限元程序对GFRP土钉在K161+310～K161+440边坡中的应用建立了数值模型,给出了边坡岩土体、GFRP土钉、边界条件等边坡体系各个组成部分以及初始应力场的数值模拟方法,利用强度折减法对GFRP土钉支护前后的边坡稳定性以及土钉的受力状况进行了评价。⑹通过GFRP土钉在实际工程中的应用以及现场测试、理论分析和有限元程序数值模拟和仿真研究等工作,证明该土钉支护结构应用于边坡支护当中是可行的;K161+ 330～K161+440边坡的GFRP土钉支护设计是满足要求的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 FRP 材料的应用与研究现状
• 1.3 土钉边坡支护稳定性分析的研究现状
• 1.4 本文的主要研究内容与思路
• 第二章 GFRP土钉力学性能试验研究
• 2.1 拉伸试验
• 2.1.1 试验方法
• 2.1.2 试验步骤
• 2.1.3 试验结果与分析
• 2.2 剪切试验
• 2.2.1 试验方法
• 2.2.2 试验步骤
• 2.2.3 试验结果与分析
• 2.3 与金属螺母的咬合力试验
• 2.3.1 试验方法
• 2.3.2 试验步骤
• 2.3.3 试验结果与分析
• 2.4 粘结性能试验
• 2.4.1 试验方法与试验仪器
• 2.4.2 试验结果与分析
• 2.5 现场试验
• 2.5.1 试验方法
• 2.5.2 试验结果与分析
• 2.6 小结
• 第三章 GFRP土钉耐久性研究
• 3.1 复合材料主要缺陷形式和腐蚀机理
• 3.1.1 复合材料主要缺陷形式
• 3.1.2 复合材料腐蚀机理
• 3.2 GFRP抗腐蚀性能的试验研究
• 3.2.1 酸碱腐蚀性试验
• 3.2.1.1 试验方法
• 3.2.1.2 试验结果与分析
• 3.2.2 拉伸试验
• 3.2.2.1 试验方法与试验仪器
• 3.2.2.2 试验结果与分析
• 3.2.3 讨论
• 3.3 GFRP土钉使用寿命的预测
• 3.4 小结
• 第四章 GFRP土钉边坡支护的设计与稳定性分析
• 4.1 边坡支护设计理论
• 4.1.1 锚固设计理论
• 4.1.2 锚杆的作用力对锚固体力学性质的影响
• 4.1.3 土钉支护的工作机理
• 4.2 GFRP土钉设计的基本原则与设计思路
• 4.2.1 GFRP土钉设计的基本原则
• 4.2.2 GFRP土钉的设计思路
• 4.3 GFRP土钉边坡支护的设计方法
• 4.3.1 GFRP土钉边坡支护的设计程序
• 4.3.2 GFRP土钉设计的计算方法
• 4.3.2.1 土钉锚筋的截面积计算
• 4.3.2.2 土钉的锚固力计算与锚固体设计
• 4.4 GFRP土钉边坡支护的稳定性分析
• 4.5 GFRP土钉边坡支护的有限元数值模型
• 4.5.1 MIDAS/GTS（岩土与隧道分析系统）简介
• 4.5.2 GFRP土钉边坡支护的数值模型
• 4.5.2.1 边坡岩土体单元及材料模型
• 4.5.2.2 GFRP土钉的模拟
• 4.5.2.3 边界条件与应力场的模拟
• 4.5.2.4 有限元强度折减法求解边坡支护的安全系数
• 4.6 小结
• 第五章 在实体边坡加固工程中的应用
• 5.1 工程概况
• 5.2 岩土抗剪强度指标的选取
• 5.3 边坡稳定性分析评价
• 5.3.1 赤平极射投影分析
• 5.3.2 极限平衡法分析
• 5.4 支护设计参数
• 5.5 GFRP土钉边坡支护稳定性的数值模拟和仿真分析
• 5.5.1 边坡分析模型及其参数的选取
• 5.5.2 GFRP土钉边坡支护效果的模拟分析
• 5.5.3 土钉轴力、剪力的模拟分析
• 5.6 边坡锚固质量检验
• 5.7 边坡监测
• 5.7.1 监测方法与内容
• 5.7.2 监测结果与分析
• 5.8 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 论文研究的主要成果
• 6.2 需要进一步研究的问题
• 参考文献
• 致谢
• 附录A （攻读学位期间发表论文目录）
• 附录B （攻读学位期间参与课题目录）