土遗址用变径木锚杆锚固机理数值模拟研究

基于室内拉拔试验的物理模型,利用FLAC3D建立变径木锚杆拉拔数值计算模型,分析了变径木锚杆锚固系统的荷载传递规律、界面剪应力分布和传递规律、浆体土体应力场和位移场,并通过数值试验研究锚孔直径、锚杆直径和锚固长度对锚固效果的影响。研究结果表明:数值试验结果与室内拉拔试验结果较为吻合,证明数值模拟木锚杆拉拔过程的可行性和科学性;木锚杆浆体界面剪应力沿锚固段分布不均,主要集中在锚固段顶端和末端的0.1m范围内,末端界面剪应力呈增大的趋势与其变径的结构特征有关,其变径的特点在一定程度上提高了木锚杆的抗拔力;变径木锚杆同时具有拉力型和压力型锚杆的特征,径向具有剪胀作用;锚固影响因素中锚孔直径、锚固长度对木锚杆抗拔力影响显著,而锚杆直径对其影响相对较小;提出了木锚杆极限抗拔力计算公式。     

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。     

刚性与柔性顶部边界下筋土界面特性的细观数值研究

土工格栅拉拔试验被认为是研究土工格栅与土相互作用行为最直接有效的方法。在土工格栅拉拔试验中,常采用刚性或柔性顶部边界条件施加竖向荷载。为了研究刚性与柔性顶部边界条件对拉拔试验结果的影响,基于离散元数值模拟,从细观层面深入分析了刚性与柔性顶部边界条件下土工格栅与土的力学响应。研究结果表明:在拉拔位移较小的情况下,刚性与柔性顶部边界条件对拉拔试验结果几乎没有影响;随着拉拔位移的增大,顶部边界条件对拉拔试验结果的影响逐渐明显,刚性顶部边界条件下的最大拉拔阻力略大于柔性顶部边界条件下的最大拉拔阻力;土工格栅张力与试样内部土颗粒间接触力分布情况、试样内部土颗粒旋转情况以及顶部加载板颗粒的竖向位移分布规律直观地展现了顶部边界条件对拉拔试验结果的影响。本研究结果有望为规范土工格栅拉拔试验方法提供科学依据。     

充气锚杆力学性能的非线性有限元分析

采用非线性有限元分析方法,对充气锚杆的室内模型试验进行数值分析。探讨在特定充气压力(100 kPa)、埋设深度(20 cm)、土体密度(1 500 kg/m3)、橡胶膜长度(20 cm)、厚度(2 mm)等条件下充气锚杆的力学性能。在数值模型中对充气锚杆施加不同等级的拉力,并记录不同拉力时锚杆顶端的位移,绘制荷载–位移曲线,并得出不同拉力下的位移、应变云图。这些图形直接清晰地显示出拉力增加过程中,充气锚杆及砂土土体内的位移及应力变化,得到充气锚杆失效的临界状态。确定在3种不同状态时,土体的应力形式及应力分布;并给出锚杆失效时土体的破坏模式。将数值模拟所得到的荷载–位移曲线与室内模型试验所得到的荷载–位移曲线进行对比,得出两者的结果基本一致,说明模拟结果真实可靠。     

岩石抗浮锚杆ANSYS有限元法数值模拟研究

本文针对一般岩石锚杆拉拔试验中的不足,采用ANSYS有限元分析软件对拉拔试验过程中锚杆的应力、应变分布及锚杆的变形情况进行模拟研究。     

拉力型锚杆锚固段拉拔受力的非线性全历程分析

针对拉力型锚杆锚固段拉拔受力的非线性全历程分析问题,从锚杆荷载位移关系的指数曲线模型出发,建立锚杆锚固段的双指数曲线剪切滑移模型及其拉拔荷载传递解答,分析拉拔全历程中锚杆锚固段的荷载传递与荷载位移曲线特征,并采用实测数据进行对比验证,结果表明：双指数曲线剪切滑移模型反映了锚固界面的非线性和软化特性,且轴力分布和荷载位移曲线的理论计算值均与实测结果吻合得很好,验证了解析解的有效性。拉拔全历程中,锚杆锚固段荷载传递依次经历加载和滑移破坏2个阶段,锚杆锚固段剪应力分布在加载阶段逐渐从一条最大值在张拉端的单调曲线演变为一条单峰曲线且峰值不断向远端传递,而进入滑移破坏阶段后,则进一步演变为一条最大值在远端的单调曲线且最大值不断降低直至锚杆被拔出。在剪应力的演变过程中,锚杆的荷载位移曲线则相应地表现为一条单峰曲线,锚固长度较大时,该曲线存在近似平台段。该研究成果可为拉力型锚杆锚固段拉拔受力分析和设计提供理论参考。     

拉力型锚杆锚固体应力分布规律的现场试验研究

对于拉力型锚杆的锚固体应力分布,理论模型显示其轴向应力随锚索深度单调递减,而锚固体岩土体界面的粘结应力则具有单峰性,杆体张拉荷载的增加可使得峰值平移或增长。然而,通过对不同长度拉力型锚杆进行粘性土层中的多循环加卸载极限试验,并采用分布式光纤传感技术进行应力测量后发现,真实的粘结段锚固体应力分布和变化模式,与理论模型相差甚远。实测的锚固体轴向应力先升后降,这是由于工程中拉力型锚杆在一定程度上实为拉压复合型锚杆。实测的粘结应力如理论模型一样具有单峰性,但张拉荷载的增加主要使粘结应力的峰值增长,并使有效发挥粘结应力的范围扩大。同时,试验还发现拉力型锚杆的锚固长度与极限抗拔承载力成正比,并指出"临界锚固长度"这一概念的问题。     

平板载荷试验关键实施技术探讨

本文对采用相对较大面积的承压板进行平板载荷试验时采用的相关关键实施技术进行了探讨,对支墩荷载、承压板荷载对基准桩变形的影响进行了分析,并对位移测量误差控制存在的问题进行了阐述,提出了平板载荷试验位移测量系统。     

风化岩地基GFRP抗浮锚杆力学与变形特性现场试验

利用光纤光栅传感技术,对10根GFRP抗浮锚杆进行现场拉拔破坏性试验,研究了风化岩地基中GFRP抗浮锚杆的承载性能与变形特性。试验结果表明:发生滑移破坏的锚杆杆体、锚固体荷载-位移差曲线高于同型号发生断裂破坏的锚杆;锚固长度接近临界锚固长度的试验锚杆荷载-位移差曲线上升较平稳;增加杆体直径有助于提高锚杆承载能力、限制杆体位移并且降低杆体、锚固体的位移差。此外,杆体横截面轴应力沿锚固深度呈"反S型"分布,由孔口沿锚固深度方向递减;锚杆轴向界面剪应力沿锚固深度呈先增大后减小的趋势,且剪应力在锚固体内按斜向上方向由第一界面传递至第二界面。最后,利用剪应力分布简化模型求得杆体、锚固体位移差与发生滑移破坏的锚杆试验结果较为一致,可为GFRP锚杆的推广应用提供理论基础。     

抗浮锚杆现场拉拔试验及数值模拟研究

对选定的四根抗浮锚杆按照设计承载力进行了现场拉拔试验,并进行了数值模拟,从而得到了锚杆的荷载-位移曲线,分析了锚杆的变形和受力特征。结果表明,所有检测锚杆的抗拔承载力均达到了设计要求。锚杆最大锚头位移和最大锚头位移平均值均较小,分别为12.46 mm和10.12 mm,卸荷后b1锚杆的残余锚头位移最小。不同锚杆之间卸荷后残余锚头位移与最大锚头位移呈非线性增长趋势,并在b2锚杆出现陡增现象。各级荷载作用下,锚杆各位置轴力随锚杆埋深增加均相应减小,锚杆底部轴力接近于零。     

拱顶端部加密锚杆支护洞室抗爆加固效果模型试验研究

采用抗爆模型试验方法,研究了在集中装药爆炸应力波的作用下,拱顶端部加密锚杆支护洞室抗爆效果。通过分析压力时程曲线,证明测试数据规律性合理,数据可靠。分析和比较了拱顶端部加密锚杆支护洞室与不加密锚杆支护洞室所造成的洞室围岩拱顶位移、洞壁应变、顶底板加速度和洞室宏观破坏形态,得出拱顶端部加密锚杆支护洞室抗爆加固效果不佳。     

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。     

宜兴抽水蓄能电站地下厂房锚杆承载力现场试验研究与计算方法

简要介绍了一次大型洞室锚杆支护设计现场拉拔试验的研究成果，内容包括所采用的拉拔试验方法和主要试验结果。给出了锚杆体轴应变测试方法及其测试结果、岩体层面夹角对锚杆受力状态的影响、岩体表面及杆端位移特征、锚杆注浆体与孔壁之间的粘结力等试验结果，并根据试验结果提出了锚杆承载力峰值剪应力计算方法。与传统方法相比，所提出的方法建立在现场试验测试结果基础上，计算中考虑了锚杆体上剪应力不均匀分布的特点，锚杆长度按张拉段与锚固段之和计算，锚杆承载能力按杆体上的峰值剪应力计算，计算结果可较好地反映锚杆的实际受力状态。     

抗浮岩石锚杆新型锚固剂锚固性能的模型试验研究

针对目前抗浮岩石锚杆常用锚固剂锚固性能差,单位锚固长度上提供的有效抗拔力低等不足,设计了一种新型的锚固剂.为了对该新型锚固剂的锚固能力进行测试,采用三种不同类型锚固料的岩石锚杆进行了抗拔力测试的模型试验研究.试验结果表明:该新型锚固剂的锚固性能远远好于其他两种,并且该锚固剂的成本较低,是一种具有良好应用前景的新型锚固剂.同时还对影响锚杆锚固力的其他相关因素进行了分析.     

边坡工程中锚杆抗拔计算过程简化的研究

为节省边坡工程设计计算工作量,针对锚孔直径为90～150mm、锚筋直径为18～32mm、砂浆厚度为15～40mm、锚筋根数为1～3根的常规情况确定了可不做锚筋抗拔计算和可不做锚固体抗拔计算的锚杆范围。研究表明：当岩土层与砂浆极限粘结强度标准值小于460.8kPa时,锚杆设计可不做锚筋抗拔计算;当岩土层与砂浆极限粘结强度标准值大于1599.6kPa时,锚杆设计可不做锚固体抗拔计算。当岩土层与砂浆极限粘结强度标准值按相关规范取经验值时,锚固在土层与极软岩中的锚杆设计可不做锚筋抗拔计算,锚固在坚硬岩中的锚杆设计可不做锚固体抗拔计算。     

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。     

Effects of transverse members on geogrid pullout behavior considering rigid and flexible top boundaries

Geogrid pullout tests have been regarded as the most direct and effective way to describe the interfacial behavior between geogrid and soil. To investigate the coupled effects of geogrid transverse members and top-loading boundaries on the geogrid-soil interaction, numerical simulations of geogrid pullout tests using the Discrete Element Method (DEM) were carried out in this study. The rigid top boundary was simulated by a rigid wall, while the flexible top boundary was modeled with a string of bonded particles that could rotate and move up and down freely. The coupled effects of geogrid transverse members and top boundary conditions on the geogrid-soil interaction under pullout loads were visualized not only by the force distributions along the geogrids and in the specimens but also by the displacements of soil particles and geogrids. Additionally, the quantitative geogrid force and strain distributions along the geogrids, the lateral force distributions on the front walls, and the vertical displacements of top boundaries also showed the influence of transverse members on the geogrid pullout behavior considering the rigid and flexible top boundaries. The DEM investigation results of this study may provide helpful guidelines for regulating the geogrid pullout test apparatus and methods.     

A numerical model of fully grouted bolts considering the tri-linear shear bond–slip model

A numerical model of fully grouted bolts is proposed in this study by implementing the tri-linear bond–slip relationship of bolts into the numerical framework presented by Hyett et al. (1996). The bond–slip relationship of bolt–rock interface is simplified and represented by the tri-linear model. The proposed numerical model is characterized by (1) its ability in modeling decoupling mechanism of bolt–rock interface, i.e. the degradation of the interfacial shear bond stress along bolts; (2) its easy implementation in a numerical code. The proposed numerical model is verified with the pullout tests, and good agreements with the experimental results can be observed in terms of axial stress distributions in the bolt, shear stress distributions along the bolt and load–displacement relationship. The proposed model also gives a reasonable prediction on the behavior of bolts installed in the field.     

Distinct analysis of fully grouted bolts around a circular tunnel considering the congruence of displacements between the bar and the rock

This paper presents a new calculation procedure for the analysis and dimensioning of fully grouted radial bolts in tunnels. This procedure is based on the principle of congruency of the displacements, imposing the conditon that the lengthening of the bolt, added to the displacements due to the shear strains in the bolt–rock interface, is equal to the expansion in the radial direction of the reinforced rock annulus. A comparison of the results obtained using this procedure with those obtained using the traditional numerical modelling method, which is more costly in computational terms, has led to satisfactory results.The application of the procedure to a real case has given results that are comparable with the in situ measurements. The proposed instrument is able to analyse the stress and strain state in rock in detail, in the presence of a bolting intervention, and to proceed with its correct dimensioning with the objective of improving the degree of stability of the rock around the tunnel.     

三种本构关系条件下锚杆摩阻力力学对比分析

为了研究锚杆体系的受力应力应变过程,提高锚杆的锚固效果,结合三种摩阻力本构模型完全弹性本构,弹性-理想塑性本构,弹性-软化塑性本构,建立了锚杆微观分析模型,对锚杆与岩体的相互作用力学过程进行了讨论。对于完全弹性本构给出了沿轴向分布的应力、应变和摩阻力,以及给出理论上的极限作用力;弹性-理想塑性本构存在一定范围内的屈服阶段,得到了屈服范围内的应力、摩阻力分布表达式,给出了对应作用力的屈服范围;弹性-软化塑性本构条件下,随着作用力的增大摩阻力呈现三个阶段,即完全弹性阶段、软化阶段以及残余阶段,并分析对应的应力、应变、摩阻力和分布范围。本文是基于锚杆摩阻力的不同模型条件下的力学分析,对于实际中的材料力学行为需要更多的实验工作。