冻融循环对砂浆岩石锚杆锚固力影响的试验研究

 针对春季融雪期温度周期性变化导致砂浆岩石锚杆支护结构锚固性能劣化的现象,研究冻融循环对其锚固能力的影响。利用室内模型试验得到不同冻融循环周期下锚杆位移和锚固力的大小,以及锚杆应力、围岩应力、锚杆和砂浆交结面剪应力的变化,从锚杆荷载传递机制出发,研究冻融循环作用下锚杆的破坏模式和影响锚杆锚固性能的主要原因。研究结果表明：冻融循环使砂浆弹性模量和强度降低,加载端砂浆破坏提前,加快了荷载向锚杆深处的传递,锚杆深处应力及锚杆与砂浆交结面的剪应力增大。冻融循环作用下锚杆极限荷载降低,变形增大,且随着冻融周期的增加,荷载–位移曲线的拐点和钢筋滑移曲线的水平段出现提前,锚杆破坏时的极限荷载降低,变形增大。     

冻融循环对砂浆岩石锚杆锚固力影响的试验研究

针对春季融雪期温度周期性变化导致砂浆岩石锚杆支护结构锚固性能劣化的现象,研究冻融循环对其锚固能力的影响。利用室内模型试验得到不同冻融循环周期下锚杆位移和锚固力的大小,以及锚杆应力、围岩应力、锚杆和砂浆交结面剪应力的变化,从锚杆荷载传递机制出发,研究冻融循环作用下锚杆的破坏模式和影响锚杆锚固性能的主要原因。研究结果表明:冻融循环使砂浆弹性模量和强度降低,加载端砂浆破坏提前,加快了荷载向锚杆深处的传递,锚杆深处应力及锚杆与砂浆交结面的剪应力增大。冻融循环作用下锚杆极限荷载降低,变形增大,且随着冻融周期的增加,荷载–位移曲线的拐点和钢筋滑移曲线的水平段出现提前,锚杆破坏时的极限荷载降低,变形增大。     

锚杆张拉力无损测试原理与技术研究

基于锚杆锚固体系多接触面特征,建造室内模型研究其锚固体系振动特性。通过在锚杆无应力段顶端安装加速度传感器测试时程信号,经快速傅里叶变换获得锚杆无应力段顶端振动频谱图,其频谱图的卓越频率具有良好的可识别性,据此获得其卓越频率与锚杆张拉力、锚杆无应力长度的变化规律,其卓越频率并非锚杆张拉段横向多阶振动频率。以此为基础建立了视锚固螺母为弹性基础的锚杆弹性振动模型、锚固螺母及锚杆相对螺母与球形垫圈接触面转动的刚体振动模型,分别获得其模型频率方程,基于其识别的卓越频率求解频率方程中的刚度参数,室内与现场试验表明其刚度参数—锚杆张拉力具有良好的线性相关性和单调递增关系。进一步室内模型试验表明其刚度参数—锚杆张拉力关系特征与蝶形托盘接触不同介质、不同锚杆张拉段长度不具有明显的相关性。为此提出了锚杆张拉力无损测试原理、方法与实现的技术路线,现场小规模试验表明本文提出的方法具有可靠性。     

动载作用下圆形巷道锚杆支护结构破坏机理研究

将冲击应力波进行合理简化,建立平面P波与圆形锚固巷道相互作用简化模型。结合算例,通过分析深部围岩径向应力、巷道表面切向应力、巷道表面径向位移以及深部围岩与巷道表面径向位移差等代表性指标,确定了重点支护位置,推导了重点支护位置的锚杆受力机制并提出了相应破坏类型及判据。结果表明:迎波侧与侧向位置是重点支护位置。迎波侧锚杆总应力是静载轴应力、锚杆振动的动应力和动载下围岩变形引起的附加应力的叠加,强冲击下迎波侧支护结构的破坏类型为单次瞬间摧垮破坏,围岩受压破裂,锚杆松动失去加固作用;循环弱冲击下的破坏类型为循环累积损伤破坏,受压围岩逐渐损伤致裂,锚杆反复受压、受拉直至松动,这进一步加剧围岩的损伤破裂,当承载拱强度降低到一定值后,一次小冲击就能诱发巷道冲击破坏。侧向位置锚杆总应力是静载轴应力、动载下围岩变形引起的附加应力的叠加,锚杆始终受拉,在强冲击下可能发生拉断破坏。通过相似模拟试验,较好地验证了理论分析结果,表明理论分析结果对工程实践具有一定的指导意义。     

基于透明土的4种锚杆拔出对比模型试验

采用透明土材料和粒子图像测速法(PIV)技术,通过物理模型试验研究锚杆拔出机理。在试验中采用普通圆柱型和手榴弹型、糖葫芦型和圣诞树型3种异型共4种不同形状锚固段锚杆,测试获得各锚杆随锚杆锚固段上移对周围土体的扰动规律、锚杆位移与锚固力变化曲线,分析各锚杆锚固段的极限承载力与锚固段破坏机理。试验结果分析表明:在本文试验条件下,在锚杆拔出破坏前,除了手榴弹型锚杆外,各种形状锚杆对土体水平位移影响相对于竖向位移均较小,糖葫芦型和圣诞树型锚杆对土体的竖向位移影响范围最大,达到6.0倍锚杆半径,比普通圆柱型锚杆对土体竖向位移影响范围大1.5倍;异形锚杆可以很有效的提高锚杆极限承载力,比普通圆柱型锚杆可提高66%~91%,其中圣诞树型锚杆的极限承载力最大;锚杆锚固段的有效长度、有效横截面积、有效直径对其极限承载力有直接影响;锚杆极限承载力值是发生在锚杆锚固段与土体接触的界面开始破坏到完全破坏之间,锚杆锚固段与土体接触界面发生破坏,是从锚杆自由段部位开始逐渐往锚杆底部发展,以A型锚杆为例,当破坏发展到距锚杆底部1/3的位置时,锚杆极限承载力达到峰值。     

基于室内模型试验的锚拉式挡土墙力学特性研究

为了研究锚拉式挡土墙在非极限状态下土压力分布及墙体位移变化规律,从力学角度分析了锚拉式挡土墙的作用机理,并基于加筋原理揭示了设置锚杆具有提高墙背土体强度的作用。设计制作了室内模型试验装置,开展了一系列不同预应力水平、不同竖向荷载及二者耦合作用的室内试验。通过分析试验数据,得到了不同影响因素下的土压力合力变化规律及合力作用点位置。结果表明:锚拉式挡土墙由于锚杆的侧向约束作用,墙背土压力峰值出现在锚杆位置处; 分级施加竖向荷载,墙身呈现底部位移略大的平动模式(T模式)外倾; 分级施加锚杆预应力,墙身呈现底部位移略大的向外平动位移模式(T模式); 二者耦合作用下,墙体呈平动叠加绕墙底转动模式(T+RB模式)内倾,但位移量较小; 墙背土压力在预应力、竖向荷载及二者耦合作用下均介于静止土压力与被动土压力之间; 所得结论对工程实践具有指导意义。     

螺旋锚群锚极限荷载破坏试验及数值模拟分析

基于螺旋锚群锚极限抗拔荷载破坏试验和三维有限元数值模拟结果,研究了螺旋锚群锚在极限荷载作用下位移变化规律和螺旋锚结构的薄弱区域.螺旋锚群锚端部位移数值模拟结果和实测结果非常接近,在极限荷载作用下,螺旋锚周边土体塑性区域发展较快,土体接近破坏,不能承受更大的荷载.螺旋锚应力峰值位于锚叶与锚杆接触部位,且沿着锚叶半径方向由锚杆中心到锚叶边缘递减,因此将锚叶设计为渐变厚度较为合理,可避免锚叶在极限荷载作用下与锚杆产生裂缝甚至脱离.本研究结果对类似工程具有指导意义.     

基于能量原理的压力型锚杆数值模拟计算

根据能量原理,推导了压力型锚杆的轴力与位移计算式。其中锚固体与周围土层的黏结力计算采用弹塑性剪切位移模型,并考虑因位移过大而发生土层卸荷的情况。提出了最小势能原理在压力型锚杆问题中的应用方法,并给出了能量方程的程序求解流程。最后通过算例分析了压力型锚杆在各级荷载下的轴力、位移以及剪应力分布情况,进一步讨论了压力型锚杆的荷载–位移曲线,计算了压力型锚杆极限锚固长度。得出的结论：①压力型锚杆在大部分荷载下都处于弹性工作阶段,一旦进入塑性状态,就表明即将达到承载力极限;②考虑土层卸荷情况的锚固体能量传递理论可以解释压力型锚杆极限锚固长度的存在。     

锚-土界面力学分析及拉拔试验研究

基于弹塑性状态下锚固体与周围土体之间的变形协调,建立围压条件下土层锚杆荷载传递机理模型,推导外荷载与锚固土层塑性半径及锚杆极限拉拔力之间的理论计算式。通过拉拔试验,分析锚固体所处应力状态、粗颗粒含量及土样含水率对土层锚杆极限拉拔力的影响。结果表明：在一定范围内改善土层锚杆所处的应力状态,有利于防止土层锚杆瞬间从土层中拔出;土样粗颗粒含量为60%时,试样较为密实,拉拔过程中土颗粒间的应力分布相对均匀,锚杆的承载力相对较大;在相同围压条件下,土层锚杆的极限拉拔力随着含水量的增加呈现出先增大后减少的趋势;试样极限拉拔力理论计算值与室内试验结果吻合较好,验证了理论模型的有效性。     

膨胀土高边坡FRP类锚杆支护对比研究

膨胀土边坡在膨胀土地区经常出现,考虑采用纤维增强聚合物锚杆作为支护,即研究FRP类材料锚杆替代钢材锚杆。并制定CFRP锚杆和GFRP锚杆对比试验方案,将两类锚杆的应力、位移、极限承载力等试验结果对比分析,得出两类锚杆在三个方面的性能与效果,最终得到了有益结论。     

Experimental study and stress analysis of rock bolt anchorage performance

A new method was developed to apply pull-and-shear loads to the bolt specimen in order to evaluate theanchorage performance of the rebar bolt and the D-Bolt. In the tests, five displacing angles （0°, 20°, 40°,60°, and 90°）, two joint gaps （0 mm and 30 mm）, and three kinds of host rock materials （weak concrete,strong concrete, and concrete-granite） were considered, and stressestrain measurements were conducted.Results show that the ultimate loads of both the D-Bolt and the rebar bolt remained constantwith any displacing angles. The ultimate displacement of the D-Bolt changed from 140 mm at the0
displacing angle （pure pull） to approximately 70 mm at a displacing angle greater than 40
. Thedisplacement capacity of the D-Bolt is approximately 3.5 times that of the rebar bolt under pure pull and50% higher than that of the rebar bolt under pure shear. The compressive stress exists at 50 mm from thebolt head, and the maximum bending moment value rises with the increasing displacing angle. The rebarbolt mobilises greater applied load than the D-Bolt when subjected to the maximum bending. Theyielding length （at 0
） of the D-Bolt is longer than that of the rebar bolt. The displacement capacity of thebolts increased with the joint gap. The bolt subjected to joint gap effect yields more quickly with greaterbending moment and smaller applied load. The displacement capacities of the D-Bolt and the rebar boltare greater in the weak host rock than that in the hard host rock. In pure shear condition, the ultimateload of the bolts slightly decreases in the hard rock. The yielding speed in the hard rock is higher thanthat in the weak rock.
2014 Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences. Production and hosting byElsevier B.V. All rights reserved.     

Performance of fully encapsulated rebar bolts and D-Bolts under combined pull-and-shear loading

The performance of two types of rock bolts, fully encapsulated rebar and D-Bolt, under combined pull and shear loading were studied in the laboratory. A new test approach was developed to apply the pull and shear loads to the rock bolt at the same time so that the bolt is displaced in a direction different from the bolt axis. Five displacing angles between 0° (pure pull) and 90° (pure shear) were employed in the tests. The test results show that the linear elastic stiffness of both the D-Bolt and the rebar bolt is mobilised quickly after a small displacement. When the displacing angle is larger than 40°, grout crushing may occur underneath the bolt shank, resulting in reduction in the stiffness of the bolt. The ultimate load of the bolts remains approximately constant no matter what the displacing angle is for both the D-Bolt and the rebar bolt. The displacement capacity of the D-Bolt, however, is dependent on the displacing angle. The ultimate displacement of a 1-m long D-Bolt section varies from 140 mm under pure pull (0°) to approximately 70 mm when the displacing angle is larger than 40°. The ultimate displacement of the rebar slightly increases from 29 mm under pure pull to 53 mm under pure shear. In general, the displacement capacity of the D-Bolt is larger than that of the rebar bolt. It is approximately 3.5 times the rebar under pure pull and 50% higher than rebar under pure shear. The test results show that the displacing angle of the bolt is larger than its loading angle, which is also confirmed by the analytical solutions.     

螺栓球网架杆件在非节点横向荷载作用下承载力的有限元分析

运用ANSYS有限元程序 ,研究了在轴向力与非节点横向力共同作用下网架螺栓球节点杆件的受力性能 ,得出其应力分布状况及弹性极限承载力 ,并提出了螺栓球网架杆件在非节点横向力作用下承载力的计算公式。     

An analytical analysis of the full-range behaviour of grouted rockbolts based on a tri-linear bond-slip model

This paper presents an analytical solution for predicting the full-range mechanical behaviour of grouted rockbolts in tension based on a realistic tri-linear bond-slip model with residual bond strength at the grout–bolt interface. The full-range behaviour consists of five consecutive stages: elastic stage, elastic–softening stage, elastic–softening–debonding stage, softening–debonding stage and debonding stage. For each stage, closed-form solutions for the load–displacement relationship, interfacial shear stress distribution and bolt axial stress distribution along the bond length were derived. The ultimate load and the effective anchor length were also obtained. The analytical model was calibrated and validated against two pullout experimental studies. The predicted load–displacement curves as well as the distributions of the interfacial shear stress and the bolt axial stress are in close agreement with test results. A parametric study is also presented, providing insights into the behaviour of the rockbolts.     

波纹板螺栓连接受力性能试验研究及有限元分析

金属波纹板作为筒仓仓壁多采用螺栓搭接的连接方式。为了解这种连接方式的受力特性,将螺栓数目和波纹板板厚作为变化参数,设计了多组试验试件;通过试件的静力拉伸试验,研究了波纹板螺栓连接受剪破坏现象和力学性能;建立了包含多种接触面的三维有限元分析模型,通过对比试验和有限元分析结果,验证了有限元分析模型的有效性并以此有限元分析模型进行参数分析,研究了板厚和波高对波纹板螺栓连接受力性能的影响。结果表明：波纹板连接件的承载力较相应平板连接件下降较为明显,螺母与板件接触面上的贴合程度是二者差异的主要因素;波纹板的板厚对连接性能影响较大,而波高影响较小,但当波高减小到0 mm时即平钢板螺栓连接,受剪承载力和极限位移均发生较大变化。     

破裂围岩锚固体变形破坏特征试验研究

为了进一步揭示破裂围岩锚固体的承载机制,在自主研制的真三轴物理模拟试验系统的基础上,采用反复加卸载围压的方法预制破裂岩体,加锚后进行继续加载试验,研究破裂围岩锚固体以及锚杆的变形破坏特征。研究发现,随着锚杆预紧力的增加,锚固体变形模量随之增加,全应力–应变曲线呈现双峰特征。在锚杆预紧力较小的情况下,破裂围岩内部滑移块体主要沿原有裂隙面滑移,二次破坏较少发生且裂隙发育位置比较集中。在锚杆预紧力较大的情况下,滑移块体会发生二次破坏,破裂围岩锚固体新生裂隙倾角高、数量多且分布均匀。锚固体变形过程中锚杆控制角在空间以及时间上不断发展变化：锚杆压缩区在空间上为向围岩深部开口的喇叭形,其深度为1～1.5倍托盘直径;随着锚固体压缩变形,锚杆压缩区会发生二次甚至多次破裂。锚杆控制角在压缩区初次破裂时为50°～64°,在压缩区多次破裂后最终稳定为34°～56°。锚杆在破裂面附近受到两侧滑移块体剪切错动作用下处于压、张、剪复杂应力状态,弯曲变形严重,这反过来使破裂面两侧滑移块体出现一定程度的错动分离。     

充气锚杆循环荷载作用下的位移规律试验研究

充气锚杆是一种新型扩大头锚杆,在软弱地基区域工程建设以及海洋资源的利用过程中,有其特殊的优势。笔者设计自制了充气锚杆实验槽,利用该实验槽开展了砂土中的充气锚杆循环荷载试验,揭示了砂土充气锚杆循环荷载作用下的位移变化规律。结果表明:(1)充气锚杆抗拔过程分为3个阶段:弹性位移阶段、弹塑性位移阶段和塑性位移阶段,前2个阶段,充气锚杆的塑性位移与荷载成指数函数关系;(2)随着循环荷载峰值的增加,充气锚杆在循环荷载下的位移发展速度增加,单次循环下的残余位移量与总残余位移量增加,最终的位移量也相应地增加。(3)极限抗拔承载力随着循环次数的增加而变小。     

钢板组合墙对拉螺栓摩擦力分析研究

研究高强度对拉螺栓约束的钢板组合墙中不同表面处理的螺母与单侧钢板之间摩擦系数取值;分别制作了5个平螺母摩擦力试件和5个有止退纹螺母摩擦力试件,采用拉力试验机进行摩擦力测试并计算摩擦面的摩擦系数,试验测得平螺母与钢板的摩擦系数为0.152,带止退纹螺母与平钢板的摩擦系数为0.163。通过有限元软件建立与试验相同工况的模型进行数值模拟,数值模拟的结果与试验结果较为吻合。说明试验数据比较准确,可以为以后的工程提供参考。     

节理剪切过程中锚杆的变形分析

当锚杆与砂浆的粘结未破坏时，以指数曲线来描述锚杆的侧剪应力分布；而对于锚杆与砂浆的粘结遭到破坏的区段，采用抛物线来拟合。给出了粘结破坏和未破坏两种情况下锚杆的轴应力-轴位移关系，提出利用锚杆拉拔实验数据来反演确定计算中所用到的参数。并在缺少实验数据的情况下，给出了一些参数的估计方法。根据岩石是否遭到挤压破坏，分别给出了锚杆的横向剪应力与横向位移的关系式，分析了剪切过程中锚杆加固节理的剪应力-剪位移关系，讨论了对锚固节理剪切变形刚度有重要影响的一些参数。分析表明．高的岩石单轴抗乐强度、较大的锚固面积比有助于提高锚固节理的剪切刚度。分析还表明，倾斜锚杆加固的节理比垂直锚杆的剪切刚度更大，倾斜锚杆以较小的剪切位移调动了更大的剪切阻力；倾斜锚杆加固的节理抗剪强度比垂直锚杆大，提高锚固面积比能显著提高节理抗剪强度。