锚索预应力蠕变损失计算新模型及工程应用

锚索预应力蠕变损失持续时间长、作用机理复杂、影响因素多样,给锚固工程长期预应力的维持带来极大的挑战;为了推进锚索预应力蠕变损失变化规律的研究,基于等效应变原理,并考虑其自身松弛特性,将预应力锚索及被锚固围岩分别由松弛模型、广义开尔文体模型模拟,提出了一种可描述预应力损失与围岩蠕变之间相互作用关系的新元件耦合模型,并推导了其本构方程、蠕变方程、松弛方程,从理论上解释了预应力损失与围岩蠕变之间的计算关系;以济南市山东高速广场配套高层深基坑工程桩锚支护体系为依托,通过理论计算、现场测试、公式拟合等方法,深入分析了锚索长期预应力变化规律,验证了计算模型的适用性、可靠性;研究表明:该计算模型可较好地反映围岩蠕变对预应力损失的变化趋势,但不能体现预应力损失总体变化水平;围岩蠕变引起预应力水平变化大致历经三个阶段,即初期(0~10d)迅速减小,中期(10~20d)趋于平稳变化,后期(20~60d)保持基本不变;围岩蠕变对预应力总损失的贡献率仅为50%,是预应力设计水平的15%,因此,其他因素引起的损失同样不可忽略;研究成果为锚固工程的设计、施工及长期预应力的预测提供了理论依据和技术支持。     

膨胀土地层锚索预应力损失与流变耦合模型研究

预应力锚索在膨胀土地层中的锚固效果受地层含水率影响较大,且锚索预应力损失与土体应力松弛之间关系紧密。据此,以四川成都地区膨胀土为研究对象,通过室内模型试验研究4种不同含水率下膨胀土地层锚索预应力的损失规律;并针对膨胀土独特的黏弹塑性力学特征,建立基于应变相等的膨胀土-锚索耦合效应计算模型,得出耦合模型的本构方程和松弛方程,并与模型试验进行对比论证。结果表明:锚索预应力的衰减大致可分为快速衰减、缓慢衰减和相对稳定3个阶段;锚索预应力的衰减速度和衰减幅度都随着膨胀土层初始含水率的增大而增加;膨胀土地层中锚索的初期预应力损失可达到总损失量的80%;耦合模型的计算结果与试验测试值基本一致,可对已知物理参数土层的锚索锚固效果进行评估。     

预应力锚索锚固力损失与岩土体蠕变耦合效应研究

因预应力锚索锚固力损失而导致锚固失效的工程事故屡屡发生,锚索锚固力损失与岩土体蠕变之间存在复杂的耦合效应关系,通过理论分析和模型研究,在岩土体常用流变模型基础上建立了基于应变相等的耦合效应计算模型,并进行了模型验证。建立二者之间的耦合效应模型,确立二者之间的计算关系式,为预应力锚固工程的设计、施工、安全运行管理以及锚固力损失的控制与补偿技术提供理论基础和技术手段。     

深部地下厂房锚索预应力损失与岩体蠕变耦合分析

深部地下洞室内锚索拉力受岩体蠕变,水和化学侵蚀等多种因素影响,岩体和锚索耦合作用机制复杂,预应力损失率难以准确界定。基于锚索应力损失和岩体蠕变耦合理论,确定锚索应力变化和岩体蠕变主要参数的关系式,对比分析大型地下厂房顶拱预应力锚索监测数据和理论计算值的相似性和差异性,结合数值模拟对产生差异的原因进行分析:理论计算模型未考虑岩体的初始应力状态和变形规律是导致计算结果产生误差的主要原因。提出锚索初始张拉的优化技术方案,对地下洞室内锚索预应力损失研究具有重要的理论意义并具有广泛的工程应用价值。     

基于内变量热力学的岩石蠕变与应力松弛研究

 蠕变变形和应力松弛是岩石材料固有的时效特性,与岩石工程的长期稳定性密切相关。基于Rice不可逆内变量热力学理论对岩石蠕变和松弛本质上的一致性问题进行了研究。给定余能密度函数和内变量演化方程建立基本热力学方程,通过不同约束条件构建黏弹–黏塑性蠕变和应力松弛本构方程。黏弹性本构方程具有普遍性,能包含经典元件组合模型的黏弹性本构方程;黏塑性本构方程考虑材料变形过程中的硬化效应,更加符合实际情况。蠕变和松弛是岩石材料在不同约束下的外在表现,但两者具有相同的非平衡演化规律,本质上具有一致性。蠕变与应力松弛本构方程基于相同的基本热力学方程,可以相互转化,且方程参数相同,因此可以通过蠕变方程和蠕变试验结果对材料的松弛特性进行分析。最后通过模型相似材料单轴蠕变加卸载试验和应力松弛试验对这一思想进行了验证。     

高温下1770级φP5钢丝蠕变及应力松弛性能试验研究

鉴于高温下预应力钢丝蠕变、应力松弛及温度膨胀性能是影响预应力结构抗火性能的重要因素,以1770级低松弛预应力钢丝为对象开展了研究工作。完成了25个钢丝试件的高温蠕变试验,得到钢丝高温蠕变应变与时间的关系曲线,建立起钢丝高温蠕变应变计算公式,揭示出蠕变应变随温度升高、应力水平增长及蠕变时间延长而增大的规律;提出考虑高温蠕变影响的钢丝持久极限强度计算公式,揭示了高温下钢丝持久强度与高温下极限强度的差值随温度升高而增大的规律。完成了26个钢丝试件的高温下应力松弛试验,得到高温下钢丝应力松弛与时间的关系曲线,建立高温下钢丝应力松弛的计算公式,揭示了钢丝初应力越大,所受温度越高,松弛时间越长,应力松弛值越大的规律。完成1个钢丝试件的高温下温度膨胀试验,得到钢丝膨胀应变随温度升高而增长的规律,初步提出钢丝高温膨胀应变计算公式。     

锚杆松弛与岩体蠕变耦合预应力损失模型研究

为研究预应力锚杆作用下节理岩体的变形破坏,通过引入描述锚杆弹塑性变形的普兰特体对原有广义开尔文模型进行修正,建立起描述外荷载作用下锚杆预应力损失与围岩变形破坏的耦合模型。研究表明:(1)锚杆预应力损失分为两个阶段,且第一阶段预应力损失占总体预应力损失的比重达到92%以上;(2)通过定义松弛时间并绘制松弛曲线,利用岩石蠕变屈服强度进行分段处理,选择与室内试验最为接近的松弛曲线,从理论上说明预应力损失分段的合理性;(3)结合室内试验数据,对耦合模型进行参数识别,并通过拟合系数R²的值非常高说明该耦合模型的准确性。通过考虑锚杆的弹塑性变形,可以更好地反映围岩的变形,有利于围岩的后期支护与安全。     

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。     

基于温度历程的高强钢丝应变及应力计算方法

在已有1 770级φp5低松弛预应力钢丝高温力学性能试验研究基础之上,建立了高温下预应力钢丝考虑温度历程的应变及应力计算方法.其中的应变计算方法以钢丝应变变化为研究对象,考虑了钢丝温度变化过程中蠕变、温度膨胀、应力变化及变形模量变化对钢丝应变的影响;应力计算方法以钢丝应力为研究对象,考虑了钢丝温度变化过程中应力松弛、温度膨胀、应变变化及变形模量变化对钢丝应力的影响.通过试验验证了应变及应力计算方法的可行性,结果表明,这两种计算方法可用于预应力结构的抗火性能分析.     

软弱地层锚索预应力蠕变损失研究

多个工程实例表明:岩土体蠕变易引起锚固工程支护结构加固频繁、锚索重新张拉等工程病害,严重者导致锚固力失效,锚固工程失稳,如若处理不当,将直接危及施工人员的生命财产安全;本文以济南市某深基坑工程案例为依托,将岩土体由经典的广义Kelvin体代替,推导了其本构方程、蠕变方程、松弛方程,从理论上分析了锚索蠕变变形对预应力损失的贡献大小;并结合现场测试数据对比可知:该模型能够较好的反映蠕变变形引起的损失趋势,由数据软件拟合公式可知,理论计算结果与测试数据偏差不大,论证了上述分析的可靠性,为今后锚固工程的设计、施工提供了理论依据和技术支持。     

不同岩性条件下预应力锚索锚固力损失规律研究

There are many and complex factors that affect the anchoring effect of prestressed anchor cables, and each factor also affects each other. The loss of anchoring force is closely related to the properties of rock and soil. Through theoretical analysis, experimental research, numerical simulation, and other methods, the influence mechanism of creep deformation and compression deformation of rock and soil on anchoring force loss is studied. The law of prestressed anchor cable anchoring force loss caused by hard rock, weak rock, broken rock, and soil is studied. The research shows that the properties of rock and soil are different, The loss of anchoring force caused by prestressed anchor cables is also different: the better the quality of the rock and soil, the smaller the loss of anchoring force under the same initial anchoring force conditions. This research achievement can guide the design, construction, and operation management of anchoring engineering, which is beneficial for improving the economic and social benefits of anchoring engineering     

预应力锚索桩计算理论的研究现状和对其力学模型的探讨

尽管锚索桩在我国的边、滑坡治理工程中应用得非常多,但其设计计算理论却并不完善,远滞后于工程实践。现有的锚索桩计算模型只是在普通抗滑桩计算模型的基础上作简单修改后得到的,仅仅增加了锚索对桩的约束条件,这样虽能反映锚索桩是一种受约束的桩,却不能反映锚索桩主动式受力的特点。该文通过对桩锚协调变形机理的分析,探讨了一个合理、真实、完整的预应力锚索桩计算模型的三个重要环节,并建立了更加合理的桩锚协调变形方程。     

高速铁路红层软岩路基时效上拱变形机制研究

红层软岩地区高速铁路路基在运营期出现持续上拱变形,已成为当前阻碍我国高速铁路发展的又一关键因素,为揭示引起红层软岩地基时效性上拱变形机制,以西南地区某典型红层软岩深挖路堑路基上拱变形病害工点为依托,在现场工程地质与水文地质调查分析的基础上,结合基底地应力测试、红层软岩的吸水膨胀性试验和不同水理条件下的蠕变性试验结果,从地基岩体赋存的水、力环境、红层泥岩的时效性膨胀特性和水-力耦合蠕变特性角度,建立红层软岩地基分层变形机制模型,并系统分析地基短期、中期和长期上拱变形机制和特征。研究成果表明:(1)上拱区段属红层泥岩夹薄层砂岩的近水平地层结构,开挖法向卸荷引起浅层岩体微观裂隙松弛而视显,深层岩体仍为完整,地基岩体水平切向应力显著增大导致路基变形具有明显的结构效应;(2)侧向约束轴向自由下,红层泥岩吸水的时效性变形特征与其岩性及结构特征有关;(3)红层泥岩在低应力状态下即表现出典型的三阶段蠕变变形特征,且轴向应力越小,蠕变应变比越大;(4)水-力耦合作用下红层泥岩蠕变特性更为显著,大量级卸荷情况下上拱蠕变显著增大,蠕变稳定持续时间增长;水汽-力耦合作用下仍会出现显著的蠕变变形,蠕变稳定持续时间更长,总蠕变应变相对减小;(5)根据不同层位岩体的变形机制,将红层软岩地基划分为大气影响层(C1)、水汽-力耦合变形层(C2)、水-力耦合变形层(C3)和水-力耦合封闭层(C4)。路基短期变形主要由C1层岩体引起、中期变形由C3和C4层岩体引起、长期变形由C2层岩体引起。研究成果可为红层软岩地区高速铁路路基时效性上拱变形风险评估、预测及工程控制措施的设计提供理论支撑或参考。     

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。     

循环荷载作用下吸力锚基础变形的数值分析方法研究

张紧式吸力锚是一种重要的深水海洋浮式平台锚固基础。静荷载与循环荷载共同作用下地基土体产生较大变形,严重影响吸力锚基础的稳定性。介绍了一种能够描述饱和软黏土不排水循环应力应变响应的拟动力黏弹塑性本构模型。该模型将等效黏弹性理论和蠕变理论相结合,利用等效黏弹性模型描述土单元循环应力应变关系中的非线性和滞回性,依据蠕变关系描述土单元的循环累积性。基于拟动力黏弹塑性本构模型,提出了一种分析静荷载与循环荷载共同作用下软土中张紧式吸力锚基础变形过程的拟动力黏弹塑性有限元方法。该方法并不详细追踪土单元的循环应力应变响应,而是将循环次数视为时间,通过等效黏弹性分析确定吸力锚基础的循环变形;根据土单元静应力和循环累积应变势,采用初应变法确定吸力锚基础的累积变形。结合循环变形和累积变形,确定吸力锚基础变形随时间的变化关系,即位移时程曲线。最后,将有限元计算结果与1g条件下吸力锚模型试验结果进行比较,结果显示两者基本一致。