基于损伤理论的预应力锚索荷载-变形特性分析

根据损伤理论的基本原理，分别定义了岩休剪切损伤变量和受拉浆体材料的损伤变量，确定了各自相应的损伤演化方程；推导了基于浆体材料损伤的锚索锚固段荷载传递控制微分方程：并将岩体剪切损伤理论与常规剪切位移法相结合，研究了拉力型预应力锚索锚固段的荷载．位移特性、侧阻力分布特性以及轴力分布特性等。将一工程实例的计算结果与实测结果进行了比较，结果表明，该方法是可行的，特别适合描述预应力锚索处于较高应力水平时的工作特性。     

边坡–锚固结构受力特性与预应力损失研究

预应力锚索是边坡加固中最常见的支护手段,揭示其预应力时程变化规律对开展加固边坡的长期稳定性研究具有重要意义。首先以剪切滞模型为基础,研究预应力锚索锚固结构三要素(锚筋、砂浆体及围岩)的受力特性及荷载传递机制,得到锚固结构界面剪应力及锚筋轴向应力分布的计算公式。进一步地根据锚筋–砂浆体界面剪应力是否超过两者接触界面黏结强度,提出预应力耦合模型与预应力解耦模型;其中,预应力解耦模型是基于剪切滞模型建立,可计算锚索预应力最终平稳值。最后,以水布垭水电枢纽马崖高边坡锚固工程为实例,探究预应力时程变化规律并提出预测公式。研究结果表明：锚固结构界面剪应力分布及锚筋轴向应力分布曲线均呈负指数型衰减的特征;实际监测数据的拟合结果证明该预测公式的合理性;理论计算平稳值与实际预应力平稳值误差最大值仅为2.17%,验证预应力解耦模型的准确性。     

胶结式预应力锚索锚固段荷载传递特性研究

在边坡工程中大量使用胶结式预应力锚索，但对其作用机制方面研究还很少，特别是关于锚固段的荷载传递特性还存在很多模糊认识。为此，以胶结预应力锚索锚固段与围岩体界面特性、锚固段极限黏结强度以及侧阻力分布规律为基础，给出预应力锚索锚固段合理长度的计算方法，研究岩体特性、灌浆材料特性、束体材料以及三者之间相对刚度等因素对预应力锚索锚固段荷载传递特性的影响等机制问题，为合理进行预应力锚索设计提供了依据。     

基于组合模型法的贯通节理岩体动态损伤本构模型

针对贯通节理岩体动态变形特点并结合已有岩石动态本构模型的相关研究成果,将贯通节理岩体变形过程中的动态应力视为贯通节理岩体静态应力分量与相应动态应力分量的叠加。其中贯通节理岩体静态应力分量采用考虑岩石细观损伤的非线性元件、节理面闭合及剪切变形元件等3个基本元件的串联来模拟,动态应力分量采用黏性元件来模拟,从而建立了贯通节理岩体动态单轴压缩损伤本构模型。其次,根据贯通节理岩体在单轴压缩荷载下往往会沿节理面发生剪切破坏的特点,在前述已建立的损伤本构模型中引人节理剪切破坏准则对该模型进行修正,从而更好地考虑了节理剪切强度对该模型的影响,最终建立了考虑节理剪切强度的贯通节理岩体单轴压缩损伤本构模型。最后利用该模型对贯通节理岩体在压缩荷载作用下的力学特性进行了分析计算,重点讨论了节理倾角对岩体单轴动态压缩峰值强度的影响规律。研究结果表明随着节理倾角的变化,节理岩体将发生岩块张拉或剪切破坏、沿节理面的剪切破坏及上述两种破坏模式的复合破坏,相应地节理岩体的单轴压缩动态峰值强度也随之有较大变化。     

考虑断裂韧度劣化的非贯通节理岩体损伤模型研究

岩石断裂韧度参数对节理尖端裂纹的起裂扩展及止裂都至关重要。文中综合考虑节理岩体宏细观损伤，构建节理岩体损伤模型，从理论上分析断裂韧度与抗拉强度之间的相互影响，得到断裂韧度细观演化方程，对节理岩体损伤模型进行修正。通过岩体相似材料模型试验，得到模型计算结果与试验结果吻合较好，证明了模型的合理性。     

锚索预应力变化影响因素及模型研究

 岩土体在预应力锚索作用下的压缩变形、锚索自身松弛、周围环境条件的变化等都能引起预应力的变动或损失,这种变化对加固效果和岩土体的稳定性具有十分重要的影响。在综合分析锚索预应力阶段变化特点的基础上,将影响锚索预应力变化的因素归结为可补救、长期作用和周期波动三类,并分别进行了定量和定性分析。根据岩土材料蠕变特性和金属材料松弛特性,采用四参数组合模型反映其相互作用影响。通过实际工程现场长期监测数据,验证了模型的合理性,并建立了考虑波动因素的预应力长期变化峰值预测公式,以用于分析预应力锚固工程的长期稳定性。     

坝肩高边坡层间错动带剪切蠕变特性与模型研究

高坝工程坝肩边坡岩体深部层间错动带的蠕变力学特性与蠕变损伤特性,直接影响着水电工程的长期稳定性与整体安全性。以某坝肩高边坡岩体层间错动带的剪切蠕变力学试验为基础,研究了层间错动带的剪切蠕变力学特性,分析了层间错动带的长期剪切强度参数和加速蠕变特性及蠕变速率变化特征;通过对层间错动带加速蠕变过程中损伤演化特性的分析,研究了考虑层间错动带岩体力学参数弱化和伴随加速蠕变变化的蠕变损伤效应,并基于西原流变模型和蠕变损伤演化方程,建立了能够反映高边坡层间错动带蠕变损伤演化过程的本构模型;而后通过对比数据拟合结果与试验结果,对提出的本构模型进行验证,显示所建立本构模型的正确性与合理性。     

预应力锚索破坏特性及极限抗拔力研究

以众多试验资料为研究基础，提出了一个描述预应力锚索破裂面形状的双参数方程。在此基础上，根据极限平衡原理及岩体的Hoek-Brown准则，研究了预应力锚索的极限抗拔承载力，并提出了一个极值原理，最后给出一个计算实例。结果表明：锚索极限抗拔力取决于锚索破裂面形状、岩体种类、无侧限抗压强度、风化程度以及灌浆材料和灌浆压力等。     

类土质边坡特性及其锚固设计理论研究

对类土质边坡的性质、锚固特性及锚固边坡稳定性计算方法进行了系统研究。首先通过大量的现场调研完善了类土质边坡的地质模型，给出了该类边坡的分类和破坏方式及破坏机制；对锚索加固边坡的离心相似模型进行了研究：在离心模型试验中对锚索预应力进行了测量，并对其扩散进行了研究。通过现场试验与离心模型试验相结合，对锚索框架的受力模式进行了研究：对预应力锚索加固边坡的稳定性计算方法分锚固体与坡体的耦合和解耦两个阶段进行了研究：最后采用FLAC^3D对类土质边坡锚固效应、铺索预应力的损失、框架梁的内力分布及类土质边坡的开挖效应进行了数值模拟，取得了以下主要结论和成果：（1）提出了类土质边坡较为完善的概念，即由岩体风化而成的保留或部分继承了原岩的结构面等其他岩体特征且未经二次堆积的土体物质或破碎岩体物质构成，稳定特性明显区别于均质土边坡及岩质边坡的一类边坡。并将类土质边坡按风化前原岩的软硬程度及其组合情况划分为3种类型：软岩全～强风化边坡、软、硬岩相间的全～强风化边坡、硬岩全～强风化边坡。分析了类土质边坡的破坏方式及破坏机制。（2）采用离心相似模型试验对预应力锚索及锚索框架加固类土质边坡进行了系统研究，为此类试验提供了理论依据。研究了离心模型试验中锚索力及框架弯矩、锚固力自坡面向坡体内传递规律的测试方法。通过花岗岩残积上边坡的离心模型试验研究，得出在无结构面时，边坡的坡角与极限边坡高度的关系与马斯洛夫给出粗粒土边坡的坡度与稳定坡高的关系基本一致，可以用马斯洛夫方法指导此种边坡的设计。（3）在研究现有锚固段锚上界面模型的基础上，阐述了基于锚固段土体位移的交界面模型，随着锚固力的逐渐增大，锚固段土体位移可以分为3个阶段：土体颗粒间的相对移动，土体的剪切应变，土体的整体移动。以此模型为基础，分析了锚固预应力的损失机制。（4）针对无框架和有框架两种情况，分别推导了锚固力的传递范围，为锚索间距的大小提供了依据。并进行了离心模型试验及现场试验，得出的结果与理论推导的结果基本一致。（5）推导了框架梁内力的变形梁法计算方法，进行了现场试验和离心模型试验。由结果可以看出，变形梁法能使框架的设计得到较大的优化。变形梁法计算模式能较好地反映锚索框架的实际工作状态，可以认为该计算模式计算锚索框架的内力比较合理。（6）将预应力锚索加固类土质边坡的稳定性计算分为铺固体与坡体的耦合和解耦两个阶段进行。给出了耦合阶段将锚索预应力作用点移至坡面的边坡稳定性计算方法。针对解耦阶段的边坡稳定性分析，提出了以岩土体沿潜在弱面位移为基础的边坡稳定性计算方法。将该阶段边坡所受的锚固力分为原锚索预应力的剩余值和岩土体与灌浆间的剪切阻力，并给出了后者的计算公式。（7）对类土质边坡的锚固效应、锚固力的损失规律、框架梁的内力分布以及类土质边坡的开挖效应进行了数值模拟。通过对类土质边坡开挖效应的模拟，得出多级边坡在开挖过程中将对已开挖坡面产生附加应力和附加位移，在边坡的岩土工程支挡设计中应充分考虑这一点，应使支挡结构的承载能力可以满足多级边坡开挖形成的附加应力的要求。     

锚固力损失与岩土体时效变形耦合模型研究

预应力锚索的锚固力损失是造成锚固工程失效的关键因素,研究锚固力时效变化规律至关重要。锚索与岩土体长期相互作用时,两者受力相等而变形不同,锚固力的损失需要同时考虑锚索自由段和锚固段分别与岩土体相互作用的影响。采用胡克体和广义开尔文体分别模拟锚索和岩土体,考虑锚索自由段与相应的岩土体并联,锚固段与岩土体串联,建立锚索与岩土体蠕变的耦合模型,推导其本构方程、松弛方程和蠕变方程。对比已有计算模型和试验值,验证该模型的合理性和精准性,分析锚索和岩土体的参数对锚固力损失率的影响。结果表明：锚固力损失率随锚索等效弹性模量增大而增加,随岩土体的滞后弹性模量和黏滞系数增大而减小;自由段和锚固段岩土体的瞬时弹性模量或黏滞系数等量变化时,引起的损失率改变量相等;自由段的岩土体滞后弹性模量等量变化引起的损失率改变量比锚固段更大。该模型能更真实地反映锚固力损失规律。     

压力分散型锚索设计中应考虑的几个问题

 在分析压力分散型锚索锚固机制的基础上,提出该类锚索设计中应考虑的3个问题,即单元锚固段长度的计算问题、承压板处浆体的变形问题和工后坡体变形引起钢绞线的不均匀荷载问题,认为该类锚索较拉力型锚索的锚固力有所提高,是因为浆体受压时径向的膨胀变形受到岩土体约束,岩土体越坚硬约束作用越强,锚固力提高值越多,反之则小。由此提出物理概念清楚、计算简单的单元锚固段长度计算公式。按照承压板处浆体的变形特征,提出变形量的计算公式,由此可进行浆体的变形验算。为消除工后坡体变形引起钢绞线的荷载不均匀问题,建议采用基于工后允许位移的张拉法,给出详细张拉顺序和计算公式。     

小湾拱坝坝体裂缝加固措施研究

 针对小湾坝体出现的裂缝,通过建立2种状态的锚索模型模拟锚索张拉和二次灌浆后的应力状态,利用整体网格和局部子模型相结合的方法,研究坝体内部加锚的可行性以及对锚固区域应力状态和裂缝面性能的影响,并分析化灌对裂缝抗剪强度提高的作用。计算结果表明：400 t加锚方案优于100 t加锚方案;400 t加锚方案中,锚索张拉时在内锚段附近最大拉应力约0.2 MPa,与当前应力相叠加形成新的裂纹的可能性较小。加锚及化灌对裂缝面的抗剪性能有一定的提高,随着水位的升高,其作用越明显。在高水位作用下,部分裂缝出现压剪屈服,建议此区域加大吨位或者采取其他措施。     

预应力锚索的非线性分析

首先，将预应力锚索锚固段离散化，并将预应力锚索体系分解成承受侧阻力荷载作用的岩土体部分及锚固段部分并分别加以研究：然后，基于Mindlin应力解及应力叠加原理计算岩土体内任意点处的应力分布，根据修正分层总和法计算预应力荷载下锚固段稳定岩土体内任意点处的变形值，根据锚索锚固段荷载传递特性来计算其变形量：最后，根据两者荷载、变形协调关系建立联立方程组，采用迭代法求解，可以获得各锚索锚固段的侧阻力分布及荷载、变形特性。     

软弱破碎岩体中锚杆抗拔受力机理及试验研究

为深入了解锚杆的锚固机理及其在软弱破碎围岩中的加固效果,开展了一系列针对不同材质、不同锚固刻距的锚杆抗拔力试验。通过对试验结果的分析和研究,得出了如下结论:在软弱破碎围岩中,锚杆的失效主要是灌浆体与岩土体之间的剪切破坏所致;当外荷载较小时,锚杆、灌浆体和岩土体协同受力,但当荷载增大到一定程度后,锚固体与岩体之间就会进入剪切屈服状态,并在达到峰值强度后破坏;锚杆体的线性刚度值越大,对应的抗拔力也就越大;在模型试验中,合理选择锚杆的线性刚度和间距对于准确模拟锚杆的锚固效果至关重要。     

软岩巷道开挖面承载结构研究及分层支护设计

通过研究深部软岩巷道开挖面围岩力学承载结构的形成机理和演化规律,指导巷道结构性失稳支护工艺设计。基于软岩力学模型和统一强度准则,考虑“开挖面效应、时间效应”,推导围岩弹塑性解。在算例分析中,建立围岩力学承载结构,提出围岩结构性失稳的梯次支护的原理,发现围岩力学承载结构对巷道破坏特征有一定影响,并分析“面效应、时间效应”影响下的围岩力学承载结构稳定性。据此设计“短锚杆全长注浆-端头锚注-短锚索”梯次支护方法;经数值计算,可知改进后的梯次支护能够确定合理的锚注有效范围,该支护能使围岩形成稳定的承载结构,并及时减小围岩松动圈范围。     

压力分散型锚索单元锚体间的应力影响

压力分散型锚索中作用在各单元锚体上的应力会相互影响,应力影响表现之一是在荷载传递方向会出现应力叠加现象。应力叠加程度因孔壁岩体对注浆体的侧向变形约束力的强弱而不同,坚硬岩体中这种约束力较强,应力叠加现象不显著,软弱岩体中这种约束力较弱,应力叠加现象较为显著。其二,这种影响还表现在承载体处诱发了拉应力,即张拉荷载通过承载体的承压板给单元锚体施加压力的同时,也给相邻锚体施加了拉力。该拉应力若达到了该处材料的抗拉强度,会在该处出现张拉裂纹,对锚索防腐不利。为克服应力影响对工程的危害,建议在坚硬岩体中优化单元锚体长度,以免出现张拉裂纹;在软弱岩体中应根据应力叠加效应最严重的单元锚体上的应力来验算浆体强度,以避免浆体的受压破坏,并控制剪应力在浆–岩界面的容许抗剪强度范围内。     

预应力锚索锚固段应力分布影响因素分析

采用有限元法,研究预应力锚索锚固段应力分布的影响因素。讨论荷载作用下预应力锚索锚固段应力分布规律,分析荷载大小、被加固岩土体性质、锚固段长度、锚固体直径等因素对预应力锚索锚固段应力分布规律的影响。分析表明,预应力锚索锚固段应力分布非常不均匀;岩石越坚硬,锚固段应力分布越集中,岩石越松软,应力分布越均匀;锚固长度达到一定数值时,再增加锚固长度,只能导致锚索材料的浪费,而对承载能力的提高帮助不大;锚固体的直径越小,锚固段应力分布的峰值越大,应力分布越不均匀,锚固体的直径越大,应力的峰值越小,应力分布越均匀;锚固较硬的岩体,宜选用直径较粗锚固长度较短的锚索,而锚固较软的岩土体,宜选用直径较细锚固长度较大的锚索。     

双锚固段新型锚索锚固机理数值分析及应用

为了探究双锚固段新型锚索的锚固机理,从结构形式入手,分析受力模式与设计计算方法,采用有限差分数值软件进行数值模拟,建立不同外锚固段长度、自由段长度及内锚固段长度双锚固段新型锚索数值模型。在外锚头段锚固力不断损失时,新型锚索三段长度变化对锚索各段轴力、灌浆体与孔壁之间接触面上的剪应力影响规律研究,并通过工程实例验证。研究结果表明:(1)当外锚头锚固力损失时,外锚固段轴力自外锚头处开始逐渐降低,外锚固段灌浆体与孔壁间剪应力自外锚头处开始逐渐发展;(2)将外锚头锁定的预应力进行卸载的过程中,量测内锚固段注浆体的应变基本保持稳定,表明外锚头施加的预应力已完全由外锚固段与孔壁间粘结力承担,避免了因外锚头失效导致的锚索预应力损失,整个锚固系统实现了反向自锁的功能;(3)外锚头锚固力损失相同时,外锚固段长度越短,自由段锚索轴力变化越大;(4)新型锚索自由段长度大4 m。研究结果对正确分析双锚固段新型锚索加固作用机理和锚固工程设计具有一定的参考价值。