土层缺陷锚杆锚固特性与参数影响分析

基于界面黏滑本构模型假定,推导土层锚杆锚固力学微分方程及其解析解,给出土层缺陷锚杆锚固迭代计算方法与求解步骤,并结合已有锚杆拉拔试验资料,通过计算对比分析,验证该方法的可行性;对缺陷锚杆锚固特性进行分析,同时,对土层缺陷锚杆分别从空腔大小、空腔位置以及拉拔荷载3方面进行锚固特性的参数影响分析。结果表明:空腔的存在对缺陷锚杆前段锚固段影响较大,而后段则影响较小;土层缺陷锚杆锚固特性分析及其参数影响规律研究可为锚杆锚固质量后评价提供理论指导。     

锚杆锚固质量的超声导波检测技术研究

采用低频超声纵向导波检测了锚杆的锚固质量.首先研究了调制波类型及激励信号周期数对信号频谱的影响,优选出汉宁窗调制的正弦波信号作为检测信号,然后数值模拟研究了20~100 kHz纵向导波在锚杆锚固段上界面的反射情况,进行了纵向导波在锚杆底端与锚固段上界面反射回波的时间差确定锚固锚杆的脱锚长度,进而确定锚杆的粘结密实度的理论与试验研究,结果表明:随着频率的增大,锚固段上界面的反射回波系数逐渐减小.锚固段上界面反射回波系数的试验与数值模拟结果变化趋势差异较大,原因为传感器具有谐振频率及传感器与锚杆接触面耦合存在能量损失.粘结密实度测定的试验与理论结果吻合较好.      

锚杆拉拔过程中力学特性试验

锚杆杆体-黏结剂界面是锚杆锚固作用演化的核心,是研究锚杆支护系统力学传递机制的基础,对于揭示锚固作用机理有着重要的工程实际意义。以杆体-树脂界面为研究对象,基于弹性力学中厚壁筒原理开展了室内试验,采用聚氯乙烯塑料套筒模拟了两种低刚度围岩条件下的套筒拉拔试验,以研究不同法向刚度和肋间距条件下杆体-树脂界面力学特性的演化规律。试验结果表明,两种低刚度围岩条件下的峰值剪切应力对应的最优肋间距为20 mm,耗能值对应的最优肋间距为30 mm;基于厚壁筒原理修正了法向应力测量值,以减弱套筒拉拔试验中的泊松效应,根据拉拔试验结果阐述了界面切向和法向力学特性的演化过程。研究成果为进一步揭示锚杆杆体-黏结剂界面力学演化规律提供参考。     

扩大头锚杆研究进展综述

笔者从扩大头锚杆类型、适用性、承载特性、破坏模式、参数研究五个方面综述了近年来扩大头锚杆的主要研究成果，得到如下认识：（1）新型扩大头锚杆的类型较多，大部分不依赖扩孔技术，施工便捷，但新型扩大头锚杆的适用范围相对较窄，一般仅适用于软土地层。（2）常规扩大头锚杆的适用性相较于普通锚杆要广泛，在软弱土地层中也能发挥较好的支护效果，但在黄土、膨胀土和冻土等特殊土地层中的适用性还有待研究。（3）极限承载力是扩大头锚杆承载特性方面的核心内容，但已有理论存在经验值过多、经验系数取值范围大、计算公式尚未形成统一认识的缺陷，同时关于扩大头锚杆轴力、剪应力的研究仍属于扩大头锚杆承载特性的研究空白区。（4）对于扩大头锚的破坏模式，已有研究多是对试验现象的阐述说明，缺乏对现象背后力学机理的解释。（5）扩大头锚杆本身具备较多的可研究参数，目前研究主要集中在扩大头长度和直径，缺乏如扩孔段数、锚固角等各参数以及参数之间的组合研究。     

锚杆形态参数对杆体-砂浆界面剪切力学行为的影响

为了研究锚杆形态参数对杆体-砂浆界面剪切性能的影响,开展了杆体-砂浆界面二维等效侧限剪切试验,探究了不同法向应力下各锚杆形态参数对界面峰值剪切强度τ_(max)、剪切耗能值E的影响,基于逐步回归分析的结果表明:对峰值剪切强度而言,肋间距和肋高度是最主要的影响参数,而且这两个参数之间存在明显的耦合关系,肋角度对峰值剪切强度的影响与法向应力大小有关,而肋宽则影响微弱;对剪切耗能值而言,在低法向应力时,其与肋高度有关,而在高法向应力时,其与各形态参数均不显著。除此之外,基于爬坡比K和剪胀角β提出了破坏模式定量分类标准,得到了不同法向应力下锚杆的临界肋间距和肋角度,通过临界值可以判断界面的破坏模式。当肋间距小于临界值时,界面以切齿破坏为主,当肋角度小于临界值时,界面以滑移破坏为主,当肋间距和肋角度均大于临界值时,界面则会出现剪胀滑移破坏或剪切破碎破坏。试验结果为螺纹钢锚杆的形态优化提供了参考,同时为进一步揭示锚杆杆体-砂浆界面的破坏演化过程奠定了基础。     

多界面复合锚杆荷载传递机制的数值模拟

采用Abaqus对复合锚杆拉拔试验进行模拟,针对复合锚杆的破坏形式多为界面破坏,应用改进的Cohesive单元对复合锚杆4种界面材料进行模拟,并建立轴对称弹塑性有限元模型对复合锚杆的拉拔试验进行分析.研究成果主要包括:①钢绞线轴向应力及界面剪应力均服从指数分布,且随着荷载的增大,锚杆近端的握裹力被克服,剪应力峰值向后转移.②南竹-复合材料、南竹-水泥砂浆界面剪应力峰值随着主控面剪应力峰值的转移而转移.③南竹管材受周围刚度较大的复合材料及水泥砂浆的约束,其轴向应力峰值分布在南竹的中部.④水泥砂浆-土体界面因边界条件不同于其他界面,其剪应力沿锚杆轴向从近端至远端不断增大.数值模拟结果与现场试验测量结果符合较好,验证了该数值方法的有效性.     

宽频磁耦合谐振式无线电能传输系统谐振器设计

为提高谐振式无线电能传输系统的工作频率范围并定量化设计谐振器的参数,首先根据谐振式无线电能传输原理,建立电路模型方程,研究了系统传输特性与谐振器线圈参数之间的关系,在指定谐振频率、传输距离、负载和接收功率情况下,实现线圈半径及匝数等参数的选取方法.同时在谐振器参数给定情况下,仿真分析了负载功率、发射线圈电流、传输效率等传输特性随传输距离的变化特性.最终,结合所设计研制的宽频磁耦合谐振式无线电能传输系统,通过试验对理论推导和仿真计算进行了进一步验证,试验结果与理论分析和仿真结果相吻合.      

拉拔工况下全长粘结锚杆工作机理

采用一种能够真实模拟锚杆和岩土体界面闭合、滑移及张开等实际变形性能的摩擦-接触型界面单元, 对照实测工程, 建立拉拔工况下全长粘结锚杆的数值模型, 并验证了模型的精度;对拉拔工况进行全过程仿真分析, 再现锚杆、界面以及岩土体的力学特性随施工全过程发展的变化规律, 定量揭示这一工况下全长粘结锚杆的工作机理;对典型岩土介质中的拉拔锚杆进行数值对比试验, 由锚杆轴力和界面剪应力不同的衰减速度反映岩锚和土钉不同的有效锚固长度, 得出： 岩体锚杆长度为1.5～2.0 m, 而土钉长度达到10.0 m左右. 所以, 土体中采用较长的土钉可以充分发挥作用, 而岩体中选取适当有效锚固长度的锚杆可充分发挥锚杆作用, 又节省成本.     

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.     

基于空气、冰和水电阻特性差异进行河冰冰厚检测方法的研究

针对内蒙额尔古纳河试验现场环境温度低于-26℃时,无法用已知的冰情检测理论知识判断空气和冰的分界面这一问题,在实验室环境下对室温～-55℃温度范围内的空气、冰和水的电阻特性进行了模拟实验和分析研究.试验结果表明:通过改变系统的电路参数,确定了新的空气和冰的电阻特性理论阈值,据此可判断出空气和冰的分界面,进而计算出冰层厚度值.这一结果可以为基于空气、冰和水的电阻特性差异检测原理设计的冰层厚度传感器关键参数值的确定提供了理论依据.     

基于弹性理论的拉力型锚杆锚固段应力分布规律研究

视锚杆和周围介质为弹性材料,在弹性半空间里,利用Mindlin位移解,根据拉力型锚杆实际工作状态,推导出拉力型锚杆锚固段轴向应力和弹性粘结应力分布的方程．并分析相关岩土参数对锚固段轴向应力和剪应力的分布的影响,得出影响较大的几个因素,为拉力杆的力学分析和工程设计提供理论依据．     

青岛土岩复合地层地铁隧道初支结构参数

为了对青岛地区土岩复合地层地铁隧道初支结构参数进行研究,依托青岛地铁1号线隧道工程,结合正交试验设计方法,采用FLAC3D进行数值模拟,就施工方法、锚杆长度、初支刚度、初支厚度对隧道变形的影响程度、最优初支结构参数及锚杆受力进行了分析.通过现场实测与数值计算对比,验证了数值计算的正确性.结果表明:当隧道位于强风化花岗岩地层中时,施工方法对隧道变形影响最显著,锚杆长度变化引起隧道变形不明显;采用全断面法施工,最优初期支护结构参数组合为锚杆长为2 m、初支厚度为30 cm,混凝土强度等级采用C25;拱顶上方锚杆轴向受压,可能影响锚杆发挥支护作用,主要原因是地层-锚杆间产生的相对滑移变形.研究结论对重庆、厦门等"上软下硬"地区具有一定的理论研究意义和工程使用价值.     

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.     

地下厂房岩壁吊车梁的力学分析及设计

针对刚体极限平衡法的不足,利用非线性有限元方法,分析了岩壁吊车梁与围岩的相互作用,研究了锚杆的受力机理,并利用超载和强度储备法研究了岩壁吊车梁的安全裕度.结果表明,按刚体极限平衡法假设所设计的锚杆偏保守,与实际受力状况有很大差别,接触面不发生破坏时锚杆中的应力不大,即锚杆承受的载荷很小,接触面单元接近全部破坏时锚杆中的应力才会迅速提高.     

考虑横向约束作用的锚杆锚固参数优化

为了探究锚杆不同锚固参数对顺层岩质边坡稳定性的影响,基于综合考虑锚杆轴向作用力和横向作用力的锚杆数值模型,嵌入离散元软件UDEC(universal distinct element code)中的局部加固单元LOCAL REINFORCE单元,针对某顺层岩质边坡,分析了锚杆长度、锚固角、锚杆间距和布设方式对边坡稳定性的影响,并基于正交试验提出了锚固优化方案.结果 表明:锚杆存在有效长度,在有效长度内,锚杆长度和边坡安全系数存在线性关系;锚杆存在最优锚固角,且锚杆长度越大,最优锚固角越小;锚杆间距越大,边坡安全系数越小,且安全系数下降速率随间距的增大逐步减小;以边坡安全系数和锚杆用量为评价指标,通过正交试验对等长支护锚固参数进行了优化设计,得出了较佳的两个锚固试验方案;各锚固参数对边坡稳定性影响由大到小分别为:锚杆间距、锚杆长度、锚固角;锚杆布设方式对边坡稳定性的提升由大到小分别为:由长到短型、等长布置型、由短到长型.在考虑锚杆布设方式时,应使锚杆穿越的岩层与边坡位移情况相匹配.     

铜单晶铸过程中固液界面位置和形状的数值分析

为了准确地控制工艺参数,获得表面光洁、高质量的连铸铜单晶,采用数值分析方法研究铜单晶连铸时固液界面的位置和形状.发现铸型温度(TM)、连铸速度(v)、冷却位置(L)和熔体温度(TL)影响固液界面的位置和形状,并且铜单晶连铸时固液界面向熔体呈凸出形状.当固液界面位于铸型内距出口端2～3mm时,可获得表面光洁、晶体取向度小于10°的连铸铜单晶.为了获得高质量的单晶,固-液界面面必须平滑,甚至是平界面.计算结果与实验结果吻合很好,可用数值分析方法确定连铸铜单晶的工艺参数,为铜单晶连铸提供理论依据.     

大断面隧道穿越层状围岩段初期支护优化研究

在层状类围岩中进行开挖施工易造成边墙弯曲-溃曲、底鼓以及顶板弯曲等现象的产生。为此,依托重庆市某层状围岩隧道工程,基于该隧道的工程地质特征及地层岩性分布,着重考虑岩层与锚杆夹角之间的关系,采用ANSYS静力有限元数值分析程序,对该隧道层状Ⅴ级泥岩段的受力变形特征进行模拟分析,并优化了初期支护参数。数值模拟结果显示当取消与岩层夹角为30°以下的锚杆,衬砌及锚杆的受力变化幅度较小。该研究方法及成果建立于实际工况的基础上,运用数值的方法还原现场支护受力状态,相应的分析方法及研究结果可为类似隧道、矿山巷道工程的设计、施工提供一定的借鉴和参考。     

垫蹬(板)式锚杆支挡结构设计计算方法探讨

在现有理论和方法的基础上,针对锚杆支挡结构中的一种垫蹬(板)式支护结构建立起了一个计算模型,并通过受力分析和理论推导,给出了该支护结构的设计计算方法和一系列公式,可以用来确定该类型支护结构的设计参数或指导工程实践。     

热-湿-应力耦合作用下框架锚杆支撑的边坡冻融特性分析

为探究季冻区框锚支护边坡的冻融规律，根据传热传质理论，给出了土体在冻融过程中温度场、水分场和应力场的数学模型方程，使用有限差分法对温度场和水分场进行分析，在每个时间步长内使用有限单元法对应力场进行分析。同时，针对土体与结构的协同作用，提出了零宽度四节点单元作为二者的联结单元，来体现二者的联结关系。基于MATLAB软件平台编制了计算程序，并结合室外试验验证了程序的可靠性。结果表明：边坡顶部受温度影响较大，地表温度在冻结和融化时对土体最大影响深度分别是2.0m和1.5m；冻结时的剪应力大约是融化时的2.5倍，在坡面上分布较均匀，边坡处于稳定状态；融化时的剪应力在坡脚处出现应力集中，在融化区和未融化区交界面发生剪应力突变，边坡处于不稳定状态；3种工况下冻结时锚杆轴力最大，大约是初始工况的2.4~2.5倍，融化时锚杆留有残余轴力，大约是初始工况的1.1~1.3倍，表明冻融过程中的冻胀变形对锚杆内力影响较大，一旦超过其抗拉极限，就会发生锚杆被拔出的现象致使防护失效，边坡失稳。因此由冻结引起的变形会对锚杆内力产生不可忽略的影响，此类边坡工程中需要加以重视。     

预应力锚固提高锚杆的极限抗拔力

锚杆随着锚固长度的增加,极限抗拔力并不是线性增加的,而是增加得越来越不明显。为此,本文提出了预应力锚固这一概念,预应力锚固可以在锚固长度不增加的情况下增加极限抗拔力,而且对锚固长度长的锚杆更有效,并用理论和试验证明了这一结论。分析了预应力锚固和预应力锚杆的区别。提出了预应力锚固的锚杆的施工方法,分析了与其相应的握裹力分布和极限抗拔力。对比了预应力锚固的锚杆与非预应力锚固的锚杆的不同。