土钉支护季节冻土区边坡冻胀效应耦合模型建立及求解

为了研究季节冻土区边坡冻胀效应下土钉支护结构沿土钉长度方向的剪应力和轴力分布变化规律，首先，基于传热学理论及固液两相共存的导热微分方程得到冻结锋面移动变化规律，结合冻胀率公式进一步推导得到寒区边坡自由冻胀变形计算公式；其次，将土钉对边坡的支护作用视为无穷多个沿着土钉长度方向上的剪切分布力，考虑到边坡冻结时冻结层与未冻土层的刚度差异性，通过坐标变换后将刚度当层法与Mindlin解相结合推导双刚度层边坡内部有剪切集中力作用时钉土相互作用接触面上任一点的位移解析解；最后，基于钉土二者相互作用位移协调条件，建立关于土钉长度方向剪切分布力的黎曼积分方程，通过闭Newton-Cotes法的复合梯形积分公式及MATLAB软件编程对算例求解分析，获得土钉轴力分布规律，并利用数值解和实测值进行对比验证，此外还分析冻胀率、初始含水量等参数对土钉长度方向剪应力及轴力分布影响。结果表明：本文耦合计算方法得到土钉轴力分布形式与现场实测、数值模拟结果在总体趋势上基本一致，表明耦合计算法是合理可行的；土钉长度方向的剪应力及轴力分布规律符合中性点理论，轴力曲线呈现出两头小中间大的抛物线状，其最大值对应出现在剪应力为零...     

隧洞中全长粘结式锚杆的受力分析

以隧洞围岩位移为参量,推导出仅有围岩变形而产生的锚杆界面剪应力,然后根据现场监测资料获得的锚杆界面的剪应力特性,把地下洞室中的全长粘结式锚杆所穿过的围岩依次分为3个部分:变形区、过渡区和稳定区。在每一个围岩区域,锚杆界面剪应力有其特点,根据其特点提出松动区的锚杆界面剪应力模型,进而得到锚杆中性点的位置。以中性点的轴力为集中力,由半无限体受集中力作用的Mindlin解导出中性点以内锚杆界面剪应力的分布。综合中性点前后的剪应力分布,给出了全长粘结式锚杆的轴力分布。     

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。     

大型船闸闸墙锚杆的分析与设计

结合三峡船闸衬砌式闸墙的设计研究工作,提出了采用具有自由长度的锚固新方案。此方案在结构与岩体间保持一段可以自由剪切和弯曲的锚杆段,该锚杆段的长度称为自由长度。通过对闸墙受渗透压力、闸墙自重和温度等荷载的分析,发现锚杆自由长度对锚杆轴力的影响较小,而对锚杆剪力的影响很大。当自由长度增大时,锚杆的剪力迅速减小。由于自由长度的采用,解决了三峡船闸闸墙锚杆在一些荷载作用下的高剪应力问题。     

确定椭圆形隧洞端头锚固锚杆轴力的解析方法

岩石锚杆作为一种简单有效的支护手段,已被广泛应用于隧道和采矿等工程中。目前利用解析方法只对圆形隧洞端头锚固锚杆进行了力学分析,基于深埋椭圆形隧洞围岩内任意点作用有集中力的解析函数,推导出应力和位移的精确解析解,并给出显式表达式。通过叠加原理获得多个集中力作用下的应力和位移显式表达式,并考虑隧洞开挖引起的位移,根据变形协调条件建立了求解端头锚固式锚杆轴力的线性方程组,获得锚杆无预紧力和有预紧力2种情形下每根锚杆所承受的轴力分布规律。并使用ANSYS有限元软件对所获得的解析解进行对比验证。分析了锚杆刚度、锚杆长度以及预紧力对锚杆轴力的影响。     

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。     

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。     

地下洞室全长黏结式锚杆动力有限元模拟

基于锚固体基本受力方程,推导了锚杆与围岩荷载传递控制方程,并采用有限差分格式将其转化为线性方程组,结合围岩自由变形位移,考虑锚固体界面的损伤进行修正,通过迭代求解获得锚固体位移,进而得到锚固体正应力和界面剪应力沿杆长分布规律,形成了一种考虑地震作用下锚固体界面剪切损伤的锚杆动力算法。首先通过静力算例计算,验证了该算法的合理性;然后应用于工程实例的动力计算,结果表明,该算法能较好地模拟锚杆支护效果,锚固体受力符合中性点理论,地震过程中锚杆正应力随时间呈不断增加的趋势,锚头附近部位的界面剪应力较大,地震作用下最易损伤破坏。     

地下洞室全长黏结式锚杆动力有限元模拟EI北大核心CSCD

基于锚固体基本受力方程,推导了锚杆与围岩荷载传递控制方程,并采用有限差分格式将其转化为线性方程组,结合围岩自由变形位移,考虑锚固体界面的损伤进行修正,通过迭代求解获得锚固体位移,进而得到锚固体正应力和界面剪应力沿杆长分布规律,形成了一种考虑地震作用下锚固体界面剪切损伤的锚杆动力算法。首先通过静力算例计算,验证了该算法的合理性;然后应用于工程实例的动力计算,结果表明,该算法能较好地模拟锚杆支护效果,锚固体受力符合中性点理论,地震过程中锚杆正应力随时间呈不断增加的趋势,锚头附近部位的界面剪应力较大,地震作用下最易损伤破坏。     

中风化砂页岩中抗浮锚杆极限抗拔力和有效锚固长度的研究

为了探究辽宁西部地区抗浮锚杆的极限抗拔力和有效锚固长度的取值,以辽宁阜新玉龙时代广场抗浮锚杆为工程背景,对抗浮锚杆进行现场抗拔试验,通过6根抗浮锚杆在连续荷载作用下的破坏性抗拔试验,测试锚杆杆体的抗拔力,并进一步利用公式推算锚杆轴力和剪应力,并绘制出锚固深度与轴力、剪应力的变化曲线。分析结果表明,注浆体与锚杆杆体间的轴力、剪应力分布是不均匀的,自孔口到杆底端呈逐渐递减的分布模式;当锚杆杆体的内力(轴力和剪应力)达到某一临界值时,锚杆杆体变形由弹性变化为塑性,这一临界值接近于杆体的极限抗拔承载力,锚杆抗拔时并非全长同时受力,而是分阶段受力;经分析此项目中抗浮锚杆极限抗拔力为270～330kN,抗浮锚杆的有效锚固长度约3. 6m,可为辽宁西部地区的中风化砂页岩中抗浮锚杆的使用提供参考依据。     

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。     

剪切荷载作用下锚杆抗剪作用理论分析

为了分析剪切过程锚杆轴力和横向剪切力相对结构面换算的抗剪贡献影响程度,在经典梁理论的基础上,推导了锚杆抗剪力计算公式,并采用加锚结构面直剪试验验证了计算公式的可靠性。在此基础上,通过正交试验设计方法研究影响因素对锚杆轴力、横向剪切力相对结构面抗剪贡献的敏感程度。结果表明:锚杆抗剪理论计算与室内试验结果吻合较好;锚杆倾角是影响锚杆轴力相对结构面换算抗剪力的主要因素;锚杆需要一定变形才能调动起直径对轴力抗剪效应的影响;锚杆倾角是影响横向剪切力相对结构面换算抗剪力的最主要因素,围岩强度次之,剪切后期结构面剪胀系数的影响程度又大于围岩强度;直径对锚杆横向剪切力相对结构面换算抗剪力的影响程度最小。     

早强锚杆在高地应力层状软岩隧道中的应用研究

以在建的成都-兰州铁路杨家坪隧道为工程依托,选取条件基本相同的30m典型围岩区段为试验段,对普通锚杆、早强锚杆支护时的洞周位移、围岩与初支接触压力、型钢拱架应力及其锚杆轴力进行实测对比分析,探讨了早强锚杆在高地应力陡倾层状软岩隧道中的作用机制。结果表明：高应力软岩隧道中锚杆轴力为拉力,早强锚杆比普通锚杆轴力更大,可以使隧道洞周位移减小40%|早强锚杆使隧道边墙围岩压力和钢架拱顶应力减小,围岩压力分布和钢架受力趋于均匀|早强锚杆通过注浆材料深入围岩,可以提高围岩层面强度|及时发挥锚固作用,抑制了围岩渐进破坏过程,从而减小围岩塑性区|加长了锚杆的拉拔长度,减小围岩与初支接触压力,改善隧道支护的受力状况,有效地控制隧道变形。     

Biot固结理论在单桩负摩擦研究中的应用

利用Biot固结理论和积分方程方法研究了桩在表面圆形载荷作用下的负摩擦问题。首先应用积分变换方法得出了半空间内部以及表面作用圆形载荷时的基本解 ,基于基本解得出了单桩在圆形分布载荷作用下在时间域内的第二类Fredholm积分方程。运用Laplace变换对上述积分方程进行简化 ,求解上述积分方程并进行相应的数值逆变换即可得单桩在表面载荷作用下桩的变形、轴力以及桩侧摩阻力随时间的变化情况。     

按共同变形原理计算地锚粘结型错头内力分布

本文对地锚粘结型内锚头承受拉拔力引起的围岩变形进行了分析,给出了考虑锚杆、浆体和围岩间相互作用的锚头内力分布和传递规律的积分方程表达及其数值解,为正确地分析地锚在岩土体中的锚固特性,发展锚固工程的设计方法提供了工具。     

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。     

预应力锚索锚固段的应力分布规律及分析

锚杆的锚固形式可以分为表面锚固型和内部锚固型两种。根据 Kelvin 问题的位移解,导出了内部锚固型锚固段的剪应力和轴力分布规律,经比较发现,其与已有表面锚固型锚固段的剪应力和轴力具有相同的分布形式,只不过参数不同,说明这两种锚固类型的受力特征是一致的。在此基础上讨论了拉力分散型锚杆锚固段的应力分布及其受力特征,并指出了其优缺点及其适应条件。     

弹塑性围岩砂浆锚杆支护问题的估算法

本文从现场量测资料出发,拟定锚杆应变深度曲线的数学模型,据此求解锚杆的应力与位移。将锚杆对围岩的反力简化为轴对称径向体积力,根据莫尔-库仑屈服条件求解锚固区径向应力。将锚固区视为承载结构,按照传统支护的围岩变形公式确定锚杆支护的围岩变形。以轴对称解为基础,考虑围岩的周向非均匀变形,从锚杆与其轴线处围岩的应力应变关系入手,建立锚杆与围岩的变形协调条件,提出了求解砂浆锚杆支护问题的基本方程。     

GFRP锚杆粘结特性研究

通过GFRP锚杆与水泥砂浆之间的粘结强度试验,研究了GFRP锚杆的锚固特性,采用理论分析方法研究了GFRP锚杆表面沿锚固长度方向的应力分布,获得了锚杆轴力和粘结应力沿杆长的分布规律,并采用数值模拟方法对结果进行了验证。     

基于局部变形假定的锚固类结构锚固段剪应力分布研究

根据模型试验所得锚杆体轴应变试验结果,在局部变形假定的基础上,通过简化假设,推导了全长粘结锚杆锚固段受力的理论解和锚杆体轴力和第一、第二界面剪应力分布解析公式。研究分析了不同强度类型介质中锚固类结构内锚固段应力、轴力及交界面的剪应力传递、衰减规律,探讨了介质强度对锚固段剪应力的影响,并将其与模型试验结果进行了对比分析。结果表明:解析解与试验结果基本吻合。本文分析了以锚杆为代表的锚固类结构第一、第二界面剪应力分布,对工程实践具有指导参考价值。