端头锁定对锚杆受力影响的理论及数值分析

全长黏结锚杆端头是否采用螺丝垫板固定或者与钢拱架焊接将导致锚杆的受力特征发生显著差异,研究这种差异对于理论认识及工程应用这类最常规的支护措施具有重要的理论意义及实用价值.采用理论分析及数值模拟的手段,对是否采用端头锁定的两种类型全长黏结锚杆轴力/杆体表面剪切力的分布形式进行了系统研究.主要研究工作如下:①根据两种类型全长黏结锚杆与围岩不同的作用方式,分析得到杆体轴力/表面剪切力分布的边界值;②通过理论分析,建立了能够反映两种类型全长黏结锚杆的杆体轴力/表面剪切力同围岩变形关系的统一微分方程;③以有限差分软件FLAC3D中内置的pile/cable结构单元作为基础,结合link,通过fish语言建立了考虑端头锁定的全长黏结锚杆模型构建方法;④分别采用理论方程和数值模拟对同一算例的两种类型全长黏结锚杆轴力/表面剪切力进行求解,对比论证了模型构建方法的合理性,研究了两种类型锚杆受力的差异性.     

用于黏结面钢筋应变测试的表面式密布型光栅

通过在一根光纤上连续写入多个Bragg光栅制作成间距60 mm、中心波长依次排列的密布型光栅,经纵向错开分布多根光纤进一步减小了光栅测点间距,满足了高应变梯度测试中测点密集布设的需求.将裸光纤光栅直接粘贴在钢筋纵肋侧面,减少了应变传递的中间环节,并通过固化后黏结剂与钢筋纵肋形成对光栅的保护,且不影响钢筋与混凝土的黏结.经钢筋混凝土黏结滑移试件拉拔试验验证,所有光栅均未损坏且全过程工作性能良好,在钢筋屈服后测得最大应变为4×10-3,并得到了锚固区域内不同深度钢筋的拉应变分布.该方法充分发挥了光纤光栅体积小、串联分布式测量导线少的特点,布设过程操作简单且不影响黏结面黏结效果,非常适用于钢筋混凝土的黏结滑移应变测试,对其他纤维材料等的黏结滑移测试也有很好的借鉴意义.     

全长粘结型锚杆的界面元分析

利用界面元法来研究岩体中的不连续问题是非常有效的.通过构建界面元精化模型,系统分析了拉拔作用下全长粘结型锚杆的杆侧正应力分布特征及其破坏过程、灌浆体应力特征及其破坏过程及不同锚杆直径(DB)下杆侧剪应力的分布,获得全长粘结型锚杆的工作机理.     

全长黏结岩石抗浮锚杆承载性能现场试验

抗浮锚杆具有地层适应能力强、锚固力高、造价低、工期短等优点,具有广阔的工程应用前景.开展了4组13根岩石抗浮锚杆的极限抗拔承载试验,在1根试验锚杆上安装光纤光栅应变传感器进行应力测试,所有试验锚杆均加载至极限破坏状态,从荷载-锚固体顶面位移曲线、锚筋轴力分布、锚筋剪应力分布规律及界面黏结强度等方面进行了分析.结果表明,抗浮锚杆主要出现锚筋-锚固体界面剪切滑移破坏、锚固体-周围岩体界面剪切滑移破坏及锚筋拔断3种破坏形态.试验条件下,黏结长度为2.0 m的抗浮锚杆其极限抗拔承载力为240 kN,黏结长度不小于3.0 m的抗浮锚杆其极限抗拔承载力不低于320 kN,承载力高、变形小,能够满足抗浮要求.锚筋轴力自上而下逐渐衰减,锚筋在距锚固体顶面3.0 m以下范围内不受力,建议中风化花岗岩中抗浮锚杆的黏结长度设计值取3.5～4.0 m.锚筋剪应力沿深度呈先增大后减小的趋势,在距锚固体顶面0.45 m的位置达到峰值,约为2.7 MPa.锚筋-锚固体界面平均黏结强度为1.14～1.36 MPa,锚固体-岩土体界面平均黏结强度为0.28～0.37 MPa.     

地下洞室全长粘结式锚杆受力分析方法

以地下洞室全长粘结式锚杆为研究对象,分析了锚杆与围岩荷载传递机制,导出了相应的荷载传递基本微分方程.结合围岩自由变形,采用有限差分法求解方程,进而得到锚固体轴力和界面剪应力沿杆长分布.采用二折线剪切滑移模型描述锚固体界面力学特性,考虑锚固体滑移,将界面的超余剪应力转化为模型节点荷载,通过不断更新围岩位移以修正锚固体内力.基于此锚杆算法,模拟了拉拔试验,结果表明该方法合理、可行.通过对某引水隧洞特征锚杆的受力分析,计算了围岩弹模、界面剪切刚度、砂浆厚度、锚杆直径和锚杆长度对锚固体受力的影响,计算结果可为地下洞室锚杆布置优化提供理论依据.     

锚固洞室平面装药条件下模型试验

通过室内模型试验,从洞室破坏形态、自由场应力、洞壁应变、拱顶和底板位移、洞室围岩加速度5个方面,对不同锚杆支护形式洞室在平面装药条件下破坏情况和受力变形特点进行了研究。试验结果表明:在平面装药条件下,洞室破坏主要发生在拱顶及拱角附近,全长黏结式锚杆带筋板支护形式能明显减小拱顶拉应变、拱腰压应变和边墙竖向应变。弹力式锚杆带筋板支护形式能明显减小拱顶拉应变和边墙竖向应变,但会增大拱脚环向压应变;两种支护形式对边墙底部应变影响不明显。总体来看,全长黏结式锚杆加固效果较弹力式锚杆好。试验结果对锚固洞室抗爆设计具有重要参考价值。     

全长黏结岩石GFRP抗浮锚杆变形特性分析

以弹性理论为基础,研究了全长黏结岩石GFRP抗浮锚杆的变形组成和变形特征。在第二界面剪应力呈倒三角形分布模式的基础上推导出锚固体的弹性变形,因抗浮锚杆的荷载传递机理与抗拔桩一致,通过引入剪切位移模型,推导出锚固体顶端紧贴第二界面周围岩土体的变形。提出"全变形"的概念,比以往仅考虑抗浮锚杆在拉拔试验中上拔量的做法更合理,更能反映GFRP抗浮锚杆的变形全貌。结合实测结果求取抗浮锚杆全变形并与现有研究成果比较发现,工作荷载作用下,GFRP抗浮锚杆全变形较小,但在长期服役下的GFRP抗浮锚杆,其蠕变变形占全变形的比例较大,对抗浮结构的变形影响显著。研究结果可为GFRP抗浮锚杆的理论分析与工程应用奠定基础。     

考虑土体变形与界面剪切耦合作用锚杆拉拔响应

针对土层锚杆在拉拔荷载作用下的轴向变形问题,考虑锚杆周边土体变形与锚-土界面剪切的耦合作用,建立了表征锚杆锚固体荷载传递机理的有限差分物理模型。通过数值编程求解该模型,获得了不同拉拔荷载水平下的锚杆轴向变形和土体剪切变形的解答,从而明确了锚固体在拉拔过程中荷载变形曲线和沿杆体长度方向的轴力分布规律。方法与荷载传递方法和剪切位移法等对某实际工程中灌浆锚杆案例进行分析,将各方法所获解答与实测数据进行了对比分析。结果表明:考虑土体变形与界面剪切耦合的模型可以获得与实测数据更为吻合的荷载位移曲线和轴力分布,验证了该模型的优越性和准确性。     

复合材料垂尾应变测试技术研究

应变电测法是飞机飞行载荷测试最常用的方法之一,本文研究了纤维增强层合复合材料垂尾的飞行载荷应变电测方法。首先建立复合材料垂尾有限元模型,计算了在均布载荷下垂尾表面应变分布。然后根据有限元仿真应变分布结果,避开应力集中部位选取应变片粘贴位置,设计载荷测试电桥,利用载荷标定试验可测得垂尾的飞行载荷。最后对相同层数不同铺层顺序的垂尾模型进行计算,对应变片粘贴位置的表面应变进行细观分析和比较,分析了铺层顺序对表面应变的影响。计算结果表明,表层铺层角度对应变测试结果有较大影响,复合材料结构应变测试时应考虑结构的铺层顺序,而在载荷测试时选取线性应变区则可不考虑该影响。     

复合材料垂尾表面应变计粘贴技术

应变电测法是飞机飞行载荷测试最常用的方法之一。研究了纤维增强层合复合材料垂尾的飞行载荷应变电测方法。首先建立复合材料垂尾有限元模型,计算了在均布载荷下垂尾表面应变分布。然后根据有限元仿真应变分布结果,避开应力集中部位选取应变片粘贴位置,设计载荷测试电桥,利用载荷标定试验可测得垂尾的飞行载荷。最后对相同层数不同铺层顺序的垂尾模型进行计算,对应变片粘贴位置的表面应变进行细观分析和比较,分析了铺层顺序对表面应变的影响。计算结果表明,表层铺层角度对应变测试结果有较大影响,复合材料结构应变测试时应考虑结构的铺层顺序;而在载荷测试时,选取线性应变区则可不考虑该影响。     

高地应力破碎围岩隧道变形受力特征试验研究

高地应力破碎围岩地层在开挖隧道过程中极易发生大变形、钢架扭曲、局部垮塌等灾害。以天平铁路关山隧道为依托,通过监测两个试验段内的围岩压力、初期支护受力与变形、二次衬砌混凝土应力的分布特征,来探讨高地应力破碎围岩地层中不同断面形式和支护参数情况下隧道支护结构的变形与受力特征。结果表明:在以水平地应力为主的破碎围岩地层中,隧道开挖引起的变形以边墙水平收敛为主,拱顶沉降次之;高边墙小曲率断面形式的单线铁路隧道受力和变形均较大,而增大边墙曲率可有效抑制隧道开挖引起的变形,使支护结构受力更为均匀,受力状态明显改善。研究可为高地应力破碎围岩地层中隧道设计提供一定的参考。     

裂隙岩体动力特性的试验模拟研究

针对地震、爆破等动力荷载作用下裂隙岩体的动力学特性问题,采用水泥浆制作试样,模拟具有不同数量平行贯通裂隙的岩体,利用Hopkinson压杆对试样施加应变率为100,140,170的动力荷载,得出试样在高应变率下的动态应力-应变曲线.对应力-应变曲线的分析表明:裂隙岩体具有应变率敏感性;破坏岩体的最终变形随着裂隙率降低而减小.     

单向冻结条件下裂隙岩体冻胀特性试验

单向冻结条件下寒区隧道围岩不均匀冻胀性是产生隧道冻胀力的主要原因之一.为研究寒区隧道含裂隙围岩不均匀冻胀特性,进行了单向冻结条件下裂隙岩体的冻胀试验,分析了裂隙岩体在单向冻结时的冻结过程及变形规律.试验表明,裂隙处冻胀与岩石自身冻胀存在明显差异,裂隙岩体在冻胀过程中表现出明显的不均匀冻胀特性.在裂隙较深的工况下,随裂隙宽度的增加,裂隙法向的线冻胀率增加.对于含裂隙饱和砂岩,岩石自身线冻胀率随冻结温度的降低明显增大,而裂隙法向的线冻胀率明显减小.凝灰岩孔隙率较小,岩体的冻胀变形以裂隙处的冻胀变形为主,岩石自身在低温条件下表现为冷缩.根据试验结果,在岩体不均匀冻胀系数中考虑了裂隙的影响,计算了含裂隙饱和砂岩的不均匀冻胀系数.裂隙平行于温度梯度方向时,随裂隙宽度的增加,含裂隙饱和砂岩的不均匀冻胀系数有所减小.随温度梯度的增加,含裂隙饱和砂岩的不均匀冻胀系数增加,且增幅相比岩石不均匀冻胀系数明显增大.试验初步反映了裂隙岩体的不均匀冻胀特性,为寒区隧道裂隙岩体冻胀变形计算提供了试验依据.     

中部锁固岩桥脆性断裂特征试验研究

锁固型岩桥的脆性断裂是带裂隙岩体失稳的主要原因,具有较强的突发性和隐蔽性。针对“三段式”、“挡墙式”两种典型的中部锁固岩桥类型,开展端部开裂砂岩试件的单轴压缩试验研究。基于能量散耗理论及声发射(AE)频度-能级指数关系,结合高速工业相机记录信息,探究了岩体受压过程中岩桥脆性断裂机理及其前兆信号特征。研究结果表明：(1)与“三段式”锁固岩桥相比,“挡墙式”锁固岩桥峰值强度和弹性模量降低,但其脆性断裂特征更加明显;(2)“挡墙式”锁固岩桥应变能耗散速率明显高于“三段式”锁固岩桥,其声发射平静期与塑性变形阶段持续时间较短,但AE事件率及声发射能量释放更高,岩桥内部裂纹扩展活动更频繁;(3)“三段式”、“挡墙式”锁固岩桥整体频度-能级的关系分别可表示为 与 ,脆性破坏程度越剧烈,声发射b值(斜率)越小;(4)声发射b值的快速下降可作为岩桥脆性断裂的前兆信号。锁固岩桥的存在形式与赋存位置影响着裂隙岩体的脆性断裂倾向,研究所得可为端部开裂岩体突发脆性失稳提供理论依据及科学预测方法。     

岩石、岩体的动力强度与动力破坏准则

就岩石与岩体变形与破坏的时间特性进行了理论研究.研究了岩石及岩体的强度对于应变率的依赖关系及其机理,给出了考虑强度对于应变率依赖关系的莫尔库仑准则,确定了岩体的破坏尺寸与应变率之间的关系.讨论了若干时间性破坏准则,揭示了它们之间的内在联系.最后讨论了动力强度理论的应用.     

NPR锚杆/索围岩动力响应数值模拟分析

为了解决深部开采造成的冲击地压、大变形和常规锚杆/索破断失效等问题,本文以某煤矿釆区为研究试验段,基于高地应力软岩大变形破坏机理,采用FLAC3D-PFC3D耦合建模方法首次开展NPR锚杆/索动力学数值模拟研究,建立PR和NPR锚杆/索两种支护方案的数值模型,对比分析动荷载下硐室围岩以及锚杆的受力、位移情况.结果表明:25MPa冲击荷载下,25根PR支护锚杆/索中21根已失效,围岩大面积失稳,耦合墙出现严重变形,硐室呈现内凸弧形变形破坏.而相同条件下,NPR锚杆/索均未失效,硐室围岩稳定性保持良好.     

基于数字图像的复合岩石试验与损伤模型研究

为研究层状复合岩石破坏过程和形态,采用相似理论制作出层状复合岩石相似模型,在单轴压缩条件下观测岩石的破坏特征,结合三维数字图像相关技术(3D Digital Image Correlation,以下简称DIC)对试件的整体变形及破坏进行全过程的观测,得到复合岩石三维场的位移和应变,同时基于试件表面应变场的变化,建立了表面损伤程度与损伤因子D之间的量化关系,进而得到基于DIC表征的层状复合岩石损伤演化模型,研究结果表明：(1)层状复合岩石的破坏形态与脆性岩石特征相似,以拉伸劈裂破坏和Y型剪切破坏为主;(2)DIC试验记录的表面应变与损伤因子之间的量化关系可有效反应岩石破坏的全过程,以此为基础建立的损伤演化方程与实验数据拟合效果较好,证明了模型的合理性。     

注浆锚杆对围岩加固作用机理及应用案例分析

不良地质条件下进行隧道开挖时,隧道围岩原有应力平衡状态遭到破坏,若控制不当,可能会引起隧道大变形等不良现象的发生。为进一步研究注浆锚杆在隧道开挖过程中的支护作用机理,以圆形隧道开挖过程为例,对其围岩塑性变形区域、围岩潜在破裂面等进行了分析计算,同时对锚杆阵列布置、锚杆有效长度等进行了优化设计,推导出了对应的计算公式。结合一个圆形开挖隧道的锚杆布设方式实例,考虑三种锚杆加固方案,对理论研究成果进行了验证,研究结果表明：(1)隧道围岩的拉应力会通过注浆锚杆向周围进行转移,以增强其开挖隧道围岩的抗压强度和弹性模量;(2)提高隧道围岩的抗压强度、弹性模量,可以有效地降低隧道的土压力和沿径向的变形,且可提高隧道开挖效率;(3)注浆锚杆对围岩的加固作用,受到锚杆材质、长度、抗拉强度、直径以及布设方式等多种因素的影响。     

江油至北川一带石炭系灰岩构造变形分析

笔者对江油、北川一带地区出露的石炭系中下统所谓瘤状灰岩进行了构造成因与变形机理分析,并通过对岩石中变形体所进行的有限应变测量及显微构造分析,阐述了该区域内的构造变形特征,初步确定了这类位于特殊部位上的构造岩的变形机制,同时为进行龙门山断褶带的构造特征研究。提供了部分资料和依据。     

多结构面控制边坡锚固动力简化分析

锚固是边坡支护中的一种重要方法,目前的理论模型大都不考虑地震过程中边坡的响应状态,在边坡锚杆的锚固抗震机理方面存在一定欠缺。本文基于边坡及锚杆在地震作用下力的传递过程分析,提出了一种边坡锚杆动力简化分析模型;利用锚杆荷载分布解析解,分析了不同响应地震动、围岩属性等参数对锚杆受力的影响,从理论上进一步阐述了锚杆的抗震锚固机理。得到了如下结论：岩体的弹性模量和泊松比不是锚杆锚固能力的关键性因素,软岩对硬岩同样可以起到锚固支护的效果;锚杆能够提高岩体的整体性和自稳能力,对多结构面控制岩石边坡,应混合使用贯穿长锚杆和单结构面锚杆的优化锚固方式。