预应力锚杆锚固段剪应力分布规律研究

预应力锚杆广泛的应用于地下工程中,但是对于其作用机制的研究还存在许多问题.本文基于锚固体与孔壁界面的剪切滑移本构模型,采用荷载传递甬数法,对预应力锚杆锚固段剪应力沿长度方向的分布规律进行理论研究,得到了剪应力沿锚杆锚固段轴向的分布曲线,为预应力锚杆设计提供理论依据.     

预应力锚杆作用机制的进一步分析

针对预应力锚杆作用机制研究方面存在的问题,以文章《预应力锚杆作用机制研究》[7]中提供的锚杆在完全粘结条件下界面剪应力分布公式为基础,在考虑界面本构关系的情况下,分析了锚束体界面剪应力的分布规律和影响因素。并在进一步理论分析的基础上,研究了在允许脱粘情况下,特定锚固长度锚杆体系的极限承载力和特定承载力锚杆的最小锚固长度问题。结果显示,特定长度锚杆存在极限承载力,并且其大小与锚固体系的性质直接相关。     

地震作用下锚固参数对岩体边坡锚固界面剪应力分布影响分析

基于FLAC3D软件,以含软弱层的锚固岩质边坡为研究对象,通过修正的cable单元建模和改进剪应力提取方法,利用数值模拟方法系统地分析研究了地震作用下锚固参数对含软弱层岩体边坡锚固界面剪应力分布的影响。研究发现:随砂浆层厚度增加,砂浆–岩体界面脱黏增长,杆体–砂浆界面脱黏减小;随锚杆横截面积增大,锚固界面剪应力向锚头和锚根转移,脱黏增长;适当增加锚固段长度和减小锚杆间距均有利于边坡稳定;一定的锚固段长度下宜适当增大锚杆倾角。揭示了地震作用下锚固参数对边坡锚固界面剪应力分布和锚固机理的影响,对边坡锚固的设计施工具有重要参考价值。     

考虑锚固体不均匀及杆体脱黏效应的GFRP抗浮锚杆杆体荷载分布函数

基于荷载传递理论及Kelvin位移解,推导得出理想条件下GFRP抗浮锚杆杆体与锚固体的剪应力、轴力沿锚固深度的分布函数,并通过对2根同型号GFRP抗浮锚杆的拉拔试验进行验证。试验结果表明:试验锚杆杆体轴力及剪应力分布曲线与理论值形式相似,证明提出理论方法应用于求解GFRP锚杆杆体荷载分布函数的可行性。但由于锚固体成型后的不均匀性及杆体的脱黏效应,导致试验剪应力值低于理论值且实际曲线主要分布范围较深,同时造成轴力下降较慢,消失深度较深的现象。通过固定脱黏长度下的平均剪应力衰减法及下移弹性段起点的方法对理想条件下的杆体剪应力分布函数进行修正,并利用杆体轴力分布与剪应力分布之间的函数关系,对理想条件下的轴力分布函数进行修正,修正后剪应力及轴力分布曲线精度大大提高。     

基于锚固剂环裂纹扩展的全长锚固脱黏失效机制研究

为了探究全长锚固系统的脱黏失效机制，达到构建高质量锚固体的目的，建立锚杆–锚固剂界面力学模型，分析锚杆拉拔滑动导致锚固剂环裂纹扩展的3个阶段以及锚杆–锚固剂、锚固剂–围岩界面环向围压随锚杆滑动的变化，推导最大轴向力与剪应力的位置，揭示锚杆–锚固剂界面的脱黏失效机制，提出锚杆–锚固剂界面、锚固剂–围岩界面脱黏失效的判据，并通过工程实例及实验进行验证。研究结果表明：在围岩发生变形时锚杆–锚固剂界面脱黏失效按照黏结、机械互锁和摩擦顺序依次失效。围岩围压直接影响锚固剂环径向裂纹完全开裂的外周诱导围压，锚固剂的抗拉强度决定了锚固脱黏发生的界面。当围岩抗拉强度大于锚固剂环抗拉强度时，锚杆–锚固剂环界面脱黏，锚固剂环在锚杆轴向最大拉力处萌生裂纹，向两侧脱黏；当围岩抗拉强度小于锚固剂环抗拉强度时，锚固剂环–围岩界面脱黏或围岩脱出，锚固剂环与围岩界面脱黏从锚杆加载端开始并向锚杆尾部转移。抗拔锚固力发挥作用的方式与锚固剂环完整形态有关，即完整时的黏结作用和机械互锁作用，裂纹萌生后的部分黏结和机械互锁作用，完全破碎后的摩擦作用。全长锚固锚杆–锚固剂界面脱黏失效随中性点转移呈循环扩散式脱黏。     

拉力型锚杆锚固性能与界面力学传递试验分析

锚杆锚固段界面剪应力的传递规律是锚杆设计和锚固性能评价的重点。通过采用不同锚固参数进行拉力型锚杆的拉拔试验,分析在不同类型围岩中各界面及围岩中距锚固体表面2 cm处的应变片的实测值,得到了锚固系统在不同围岩条件下沿锚杆轴向和径向的应力传递规律和第二界面剪应力传递规律。结果表明:1)锚固系统各界面的剪应力衰减过程沿杆体和径向两个正交方向衰减,分布不均匀;合理选择锚固段长度可以提高锚固系统的承载能力;2)围岩强度降低后,第一界面剪应力沿锚杆轴向的分布相对更加均匀,同时也使锚杆的作用范围增大。     

压力分散型预应力锚杆的力学机理研究

通过对压力分散型预应力锚杆锚固段的受力分析,推导出了该类型锚杆的剪应力和轴力分布的解析解。在此基础上,对比了压力分散型锚杆与压力集中型锚杆的受力性能,结果表明,压力分散型锚杆的剪应力和轴力都大幅下降,避免了应力集中。讨论了岩土体的力学参数和预应力对剪应力和轴力的影响,结果表明,岩土体弹性模量和内摩擦角越大,则剪应力峰值越高,轴力衰减越快,且剪应力和轴力分布越集中;预应力越大,则剪应力和轴力越大;黏聚力越大,则剪应力有所增大而轴力有所减小,但影响不大。     

预应力锚索锚固段的剪滞–脱黏模型

 基于预应力锚索锚固体从岩土体中拔出计算模式,通过锚固体与灌浆材料的界面界面层变形–破坏过程分析,将锚固段分为弹性区、塑性滑移区和脱黏区,建立锚固体–岩土体界面力学模型,采用与Coulomb条件关连的流动法则,导出界面应力分布的理论解;同时,构造具有剪胀和滑移特性的新型有限元界面单元,采用数值模拟的方法与界面应力分布的理论解进行相互验证,为锚固体受力的计算、分析与锚固体的设计提供理论依据。分析表明,锚固体的弹性区和脱黏区的受力较小,主要受力部分是塑性滑移区。因此,锚固体荷载的主要工况是塑性滑移状态,在研究或进行锚固体设计时应该主要基于这种变形状态。提高滑移区脱黏前的最大剪应力和增大滑移区的范围是提高锚固体的锚固力的实质。     

全长注浆岩石锚杆双曲线模型的建立及锚固效应的参数分析

根据局部变形理论,通过将岩体对锚固体界面的剪切作用简化为一系列独立作用的切向弹簧,通过锚固体的受力平衡,建立注浆岩石锚杆界面剪应力和轴向载荷的计算方程,并在此基础上对影响锚杆锚固效果的参数进行分析。通过建立的剪应力和轴向载荷的计算公式,得到全长注浆岩石锚杆的界面剪应力和轴向载荷的分布函数,即双曲线分布函数,在对影响其锚固效果参数分析的基础上,得出影响全长注浆锚杆锚固效果的参数有锚固体（锚杆）的直径、弹性模量以及注浆体和围岩体的综合参数,为正确理解注浆岩石锚杆的锚固机制提供一定的依据。     

岩体离层作用下锚杆受力特性全历程分析

 针对岩体离层作用下锚杆受力特性全历程分析问题,基于锚固界面的双指数曲线模型,采用荷载传递方法,建立离层作用下锚杆受力特性的非线性解答,分析离层发展全历程过程中锚杆轴力和界面剪应力分布,以及岩体离层–锚杆轴力曲线的特性,并采用模型试验数据进行对比验证。结果表明：锚杆轴向应变的计算值与实测结果基本一致。离层发展过程中,锚杆轴力呈现先增大后减小的特性,且在离层发展后期具有明显的非线性特征。离层产生的锚杆轴力和界面剪应力均呈现明显的不均匀分布和非线性特征,且二者均随着离层的发展向两端传递。离层位置对锚杆的受力特性有很大影响：离层位于锚杆中心时,其两侧的锚杆轴力与界面剪应力均成对称分布,且随着离层发展的演变规律相同;离层偏离锚杆中心时,两侧锚杆轴力与界面剪应力分布则明显不同,界面剪应力在离层位置处存在着跳跃点,且锚固长度较小一侧的锚固界面先产生塑性变形直至整体滑移破坏,决定了锚杆所能承受的离层和抗拔荷载大小。研究结果为岩体离层作用下锚杆的受力分析提供了理论参考。     

顺层岩质边坡锚杆支护机制研究

 全长黏结型锚杆作为一种有效且经济的加固手段,在边坡工程中得到广泛的应用,但其锚固机制尤其是考虑岩体结构特征的锚固理论需要进一步的研究和完善。基于顺层边坡的地质结构特征,考虑边坡岩体与锚杆的相互作用,运用弹性力学和结构力学对全长黏结型锚杆加固顺层边坡的机制进行研究,提出新的锚杆加固顺层边坡的力学模型。分析结果表明,顺层岩质边坡的锚固抗力由锚杆轴力与抗剪力共同提供,锚杆抗剪作用提供的抗滑力与锚杆轴力提供的抗滑力可以用线性关系来描述。运用有限元软件ABAQUS对这一力学模型进行建模,分析这一力学模型的正确性。     

Effect of grout properties on the pull-out load capacity of fully grouted rock bolt

This paper represents the result of a project conducted with developing a safe, practical and economical support system for engineering workings. In rock engineering, untensioned, fully cement-grouted rock bolts have been used for many years. However, there is only limited information about the action and the pull-out load capacity of rock bolts, and the relationship between bolt–grout or grout–rock and the influence of the grout properties on the pull-out load capacity of a rock bolt. The effect of grout properties on the ultimate bolt load capacity in a pull-out test has been investigated in order to evaluate the support effect of rock bolts. Approximately 80 laboratory rock bolt pull-out tests in basalt blocks have been carried out in order to explain and develop the relations between the grouting materials and untensioned, fully grouted rock bolts. The effects of the mechanical properties of grouting materials on the pull-out load capacity of a fully grouted bolt have been qualified and a number of empirical formulae have been developed for the calculating of the pull-out load capacity of the fully cement-grouted bolts on the basis of the shear strength, the uniaxial compressive strength of the grouting material, the bolt length, the bolt diameter, the bonding area and the curing time of the grouting material.     

Composite element method for the bolted discontinuous rock masses and its application

This paper presents a composite element method (CEM) for discontinuous rock masses reinforced by fully grouted bolts. This element allows one to generate mesh without considering exactly the existence of bolts and joints, which further allows for an important simplification in the pre-process work. The sub-elements of rock, grout, bolt, joint, rock/grout interface and bolt/grout interface are defined using corresponding mapped nodal displacements at the composite element. The mapped nodal displacements can be determined using the governing equations established by means of the virtual work principle. Based on the mapped nodal displacements deformation and stress in each sub-element can be further obtained. The comparative study of the CEM and the conventional finite element method (FEM) has been carried out for the preliminary verification example. The numerical study for the rock bolt crane girder of an underground powerhouse by FEM and CEM is presented as the engineering application example, in which the attention has been paid to the portion of the contact face between the girder and surrounding rock masses, the contact faces between the bolts and surrounding rock masses, as well as to the portion where the rock bolt penetrates the contact face. The comparative and application studies show the validation and advantages of the CEM.     

地下工程岩体剪胀与锚杆支护的相互影响

 探讨隧道开挖边界附近的岩体剪胀对全长黏结式锚杆轴力分布的影响,区分依赖围压和塑性剪切应变的岩体剪胀与恒定的岩体剪胀对锚杆支护作用影响的差异性,分析锚杆对岩体膨胀的抑制作用。研究结果表明,对于恒定的剪胀角值,锚杆轴力随着剪胀角的增加而增加,且梯度亦随之增加,但其不能反映剪胀对隧道围压和岩体塑性变形的依赖关系,从而低估锚杆在低围压区域内遭受的张拉荷载,并高估高围压区域的所受的张拉荷载。由剪胀角模型计算得出的锚杆轴力分布突显锚杆在低围压环境下承受的较大张拉荷载状态,以及围压增加导致其轴力快速降低的行为趋势,能够合理反映锚杆在地下工程应用中的力学行为。由于锚杆支护增加岩体围压,抑制高剪胀区的扩展,从而减小隧道围岩的变形。在地下工程支护设计中,应重点支护紧邻开挖面低围压环境的岩体以有效地控制其破坏和膨胀变形。     

岩质反倾边坡局部锚杆加固分析方法研究

全长黏结型锚杆作为一种有效且经济的加固手段,在边坡工程中得到广泛的应用。基于最新提出的岩质反倾边坡弯曲倾倒破坏分析方法和极限平衡理论,建立锚杆局部加固后该类边坡的力学模型和稳定性分析方法,给出加固后的边坡安全系数计算公式,并将理论分析结果与离散元(UDEC)计算结果进行对比分析。研究结果表明:理论解与UDEC计算的数值解具有较高的一致性,两者相互得到了验证;用全长黏结型锚杆加固岩质反倾边坡时,最优加固位置位于叠合倾倒区内,具体位置与边坡的物理力学参数、锚杆锚固参数有关;减小锚杆与层面的夹角,能够充分发挥锚杆对层面的阻滑作用,进而提高加固效果。     

新型玻璃纤维增强塑料砂浆锚杆的黏结性能试验研究

锚杆广泛应用于隧道、边坡、地下硐室开挖及支护工程中。通过锚杆的支护加固，岩土体的强度和稳定性能够得到显著的改善和提高。传统的钢锚杆在不良地质条件下存在锈蚀严重的缺点，给支护结构的安全性和耐久性带来严重威胁。玻璃纤维增强塑料具有轻质、高强、耐腐蚀等优良特性，是代替钢筋制作锚杆的理想材料之一。在经典拉伸试验模型的基础上，结合锚杆本身的受力特性，建立一种改进的拉伸试验模型，并且根据此试验模型，对直径分别为10，13，16mm的表面经过喷砂和缠绕纤维束处理的玻璃纤维增强塑料锚杆，以及直径为25mm的螺纹钢进行拉伸试验，试样的总数量为24组。试验采用强度等级为C60的混凝土模拟岩体，并采用强度等级分别为41．5，55．5MPa的砂浆作为锚固剂。在试验结果基础上，对玻璃纤维增强塑料锚杆的拉拔破坏模式、临界黏结长度、拉拔承载力、平均黏结强度以及与钢锚杆拉拔性能的比较进行研究讨论，对砂浆锚固玻璃纤维增强塑料锚杆的黏结性能进行系统全面的分析评价，为推广玻璃纤维增强塑料锚杆的工程应用、相关规范的制定，以及进一步研究工作提供一定数据储备和理论支持。     

Laboratory investigation into effect of bolt profiles on shear behaviors of bolt-grout interface under constant normal stiffness (CNS) conditions

Rock bolts have been widely used for stabilizing rock mass in geotechnical engineering. It is acknowledged that the bolt profiles have a sound influence on the support effect of the rock bolting system. Previous studies have proposed some optimal rib parameters (e.g. rib spacing); unfortunately, the interface shear behaviors are generally ignored. Therefore, determination of radial stress and radial displacement on the bolt-grout interface using traditional pull-out tests is not possible. The load-bearing capacity and deformation capacity vary as bolt profiles differ, suggesting that the support effect of the bolting system can be enhanced by optimizing bolt profiles. The aim of this study is to investigate the effects of bolt profiles (with/without ribs, rib spacing, and rib height) on the shear behaviors between the rock bolt and grout material using direct shear tests. Thereby, systematic interfacial shear tests with different bolt profiles were performed under both constant normal load (CNL) and constant normal stiffness (CNS) boundary conditions. The results suggested that rib spacing has a more marked influence on the interface shear behavior than rib height does, in particular at the post-yield stage. The results could facilitate our understanding of bolt-grout interface shear behavior under CNS conditions, and optimize selection of rock bolts under in situ rock conditions.     

张拉荷载下砂浆锚固岩石锚杆的力学分析

砂浆锚固岩石锚杆在张拉荷载下的轴向应力和剪应力分布非常复杂,为了研究这一问题已经进行了大量的试验,根据这些试验得到的应力分布曲线和相关结论,用比较简单的数学表达式对锚杆交界面上的复杂的剪应力分布情况进行理论描述。在交界面已经破坏的部分,剪应力近似为0,随着锚杆埋深的增加剪应力由0线性增加到其抗剪强度,然后再呈指数形式衰减到0。根据上述数学描述进行实例计算,计算得到的轴向应力和剪应力分布曲线与实测应力分布曲线基本吻合,表明用数学表达对锚杆交界面上的剪应力分布情况进行比较准确的描述是切实可行的。     

加锚节理面抗剪性能研究

本文通过室内模拟试验和理论分析,着重探讨了锚杆对节理面抗剪性能的影响,以及杆体阻止节理面发生相对错动的“销钉”作用机制,提出改进了的估算加锚节理面抗剪强度公式。试验结果表明:加锚节理面的抗剪强度随剪切位移的增加而增大。试验和理论分析都表明,即使不大的剪切位移就已使杆体的抗剪作用得到充分发挥。试验研究还充分显示出锚杆倾角对加锚节理面抗剪强度的重大影响。 本文在给出了用于描述加锚节理面抗剪性能的分析模型和理论分析方法的基础上,导出了计算锚杆最佳安装角的公式。用此算式求得的最佳安装角与实验结果十分吻合。本文还分析了当前在有限元分析中经常使用的一些锚杆单元模型的不足之处,并指出了改进的方向。