全长黏结GFRP抗浮锚杆拉拔特性分析

通过非线性有限元软件ABAQUS中的Cohesive黏结单元模拟锚杆杆体-灌浆体界面、灌浆体-周围岩体界面之间的接触,建立玻璃纤维增强聚合物(GFRP)抗浮锚杆杆体-基岩的轴对称数值计算模型,探究全长黏结GFRP抗浮锚杆的拉拔特征和变形规律。研究结果表明:本文建立的有限元模型能够较好地反映GFRP抗浮锚杆的荷载-位移关系、轴应力及剪应力沿锚固深度的分布规律。随着拉拔荷载的增加,灌浆体的应力逐渐增大并沿锚固深度向下传递,灌浆体应力的影响范围也逐渐扩大;周围岩体的应力持续增大,GFRP抗浮锚杆对周围岩体的横向作用范围也相应增大。锚筋弹性模量越小,轴应力与剪应力传递深度越浅;GFRP锚杆轴应力的衰减速率比钢筋抗浮锚杆的衰减速率快。随着GFRP抗浮锚杆的锚固长度的增加,轴应力衰减速率加快,轴应力传递深度减小,剪应力峰值点与地表的距离增大,剪应力峰值和传递深度变小。     

全长黏结GFRP抗浮锚杆荷载分布函数模型研究

基于荷载传递法理论与Kelvin问题的位移解,进一步推导全长黏结GFRP(glass fiber reinforced plastics)抗浮锚杆在轴向拉拔荷载作用下轴力沿锚固深度的分布函数。为验证该理论应用于GFRP抗浮锚杆的合理性,借助植入式光纤光栅传感技术,对2根同型号GFRP抗浮锚杆进行现场拉拔破坏性试验。研究结果表明:根据荷载传递法与Kelvin位移解得到锚杆轴力与剪应力分布函数曲线形式与试验结果相近,说明该理论合理;孔口锚固体的开裂导致锚杆轴力及剪应力分布曲线试验值主要分布范围比理论值的更大;由于试验过程中岩土体位移较小,锚杆的剪应力分布曲线形式较理论值呈现"矮胖"的特点。此外,对锚杆轴力、剪应力理论分布函数曲线进行修正后的结果与试验结果吻合度显著提高。     

基于统计损伤理论的锚杆受力全历程分析

基于统计损伤理论,假设锚杆剪切滑移界面各微元的剪切强度服从Weibull概率分布,建立了考虑残余强度的锚杆界面统计损伤本构模型,并选取微元建立锚杆锚固端的受力平衡,确立了锚杆各锚固深度下剪切滑移、轴力、侧阻力以及损伤的数值解法。基于室内拉拔试验确定本构方程,以工程实例进行了验证。同时对锚杆拉拔荷载传递的全历程进行探讨。结果表明:随着拉拔荷载的增加,锚杆顶部的侧阻力增长至峰值点后衰减,最终稳定至残余强度,剪应力分布单峰曲线进一步向锚固深度内传递,锚杆界面应力软化的本质是损伤积累并传递的过程。参数m能够反映剪切滑移曲线的峰后软化速率,减小m可以降低接触面软化和损伤积累传递的速率,从而降低锚杆整体刚度的退化速度,在一定荷载范围内减少锚杆滑移。     

加载速率对锚杆及其锚固效应影响的实验研究

研究加载速率对锚杆及其锚固效应意义重大.对金属锚杆杆体进行了不同加载速率的室内拉伸实验,并用PFC2D颗粒流软件模拟加载速率对锚固效应的影响.结果表明：锚杆杆体强度随加载速率的增加而增大,有效检测锚杆杆体强度的加载速率应在0.5 mm/s左右;拉拔荷载随加载速率的增加而增大,且锚固体的破坏拉拔荷载与加载速率为线性关系,有效测试拉拔力的加载速率为10 mm/s;随着加载速率的增加,破坏形态最终会向锚杆拔出及产生大范围破碎区转变;根据加载速率对锚固强度的影响,可将其分为弱影响范围（v＜ 10 mm/s）、中等影响范围（10 ＜v＜ 100 mm/s）和强影响范围（v＞100 mm/s）,强影响范围内加载速率对轴应力及剪应力大小有着明显影响,易造成锚固段上部应力严重集中.     

夹双筋体复合锚杆锚固性能与界面力学传递特征

在世界最大的生土遗址-交河故城开展现场试验,选用2种长度的锚杆按照基本试验的要求开展拉拔试验,同时在各界面层布设应变监测点。结果表明:8 m长锚杆锚固力达408 kN,满足大体量土遗址锚固的需求;随着长度增加,极限锚固力增长,但平均锚固力减小;复合锚杆各界面剪应力沿着杆长呈现单峰值或多峰值的空间分布特征,随着荷载的增加,界面各点剪应力增加并且向锚固末端传递,峰值剪应力亦同时向锚固末端偏移;试验过程中在较高荷载下出现界面剪应力状态转化的现象。     

GFRP锚杆锚固特性研究

通过玻璃纤维增强塑料（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．包括不同强度等级砂浆对粘结强度的影响和GFRP锚杆直径对锚杆拉拔性能的影响．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．     

粘结式GFRP锚杆边坡锚固机理与实用设计方法

研究了粘结式GFRP锚杆的荷载传递机理与岩石边坡加固机理,提出了GFRP锚杆设计的原则、设计主要内容与流程、结构设计基本方法,并将之应用于工程实践.研究结果表明:GFRP锚杆的荷载传递取决于GFRP筋与砂浆之间的粘结性能,GFRP锚杆黏结力主要由化学胶结力、握裹力、机械交合力与机械锚固力组成,光圆锚杆与变形锚杆的粘结性能存在较大的差异;锚杆通过悬吊锚固、改变岩体应力状态、组合梁作用、阻滑抗剪等作用加固岩石边坡;由于GFRP锚杆对横向荷载有较强的敏感性,应加强对端部锚具的设计,建议采用钢套粘结式和楔形粘结式锚具.     

风化岩地基中玻璃纤维增强聚合物抗浮锚杆体系受力特性数值模拟

基于ABAQUS非线性有限元软件,在考虑多界面接触的情况下建立基础底板-GFRP抗浮锚杆体系的一体化轴对称计算模型,分析浮力作用下GFRP抗浮锚杆体系的变形性能和受力特征。研究结果表明:抗浮体系的竖向位移和锚筋的应力分布规律与试验结果较吻合,抗浮体系的竖向位移以内锚固变形为主。不考虑基础底板与地层的黏结作用时,GFRP抗浮锚杆体系中内、外锚固段锚筋的轴应力和剪应力的分布规律与各自独立的分布规律一致。锚筋在基础底板与地层界面出现轴应力峰值,随地下水浮力的增加,轴应力分布范围逐渐增大,轴应力峰值也相应增大,轴应力在基础底板中的衰减速率要比在地层中的快。锚筋的剪应力在抗浮体系中出现2个峰值点,且锚筋在基础底板中的剪应力峰值为地层中剪应力峰值的4.2～5.0倍;随着地下水浮力的增大,锚筋剪应力的分布范围逐渐变大,内、外锚固段剪应力峰值也相应增大。     

深基坑预应力锚杆锚固段应力分布规律与应用

基于凯尔文问题的位移解,推导了用于深基坑支护中的预应力锚杆锚固段剪应力与轴力的分布规律.对岩体与土体两种不同介质条件下预应力锚杆的受力分析表明,不同岩土体介质条件下,预应力锚杆破坏方式不同,要以最薄弱环节作为锚杆设计控制标准;锚杆剪应力沿锚固段呈对数螺旋曲线型分布,最大剪应力往往发生靠近锚固段初始位置处;锚杆轴力沿锚固段逐渐衰减,单纯通过提高锚固段长度来增加锚杆的极限拉拔力有一定的限度.通过对一工程实例的理论与试验对比分析,其弹性范围内的理论解与试验数据基本相吻合,从而为预应力锚杆的设计提供了理论依据.     

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。     

玻璃纤维增强聚合物抗浮锚杆的临界锚固长度计算

考虑到抗浮锚杆的工作机理与抗拔桩相似的特性,基于理想同心薄壁圆柱体剪切模型及抗浮锚杆剪应力分布简化模型,推导出GFRP抗浮锚杆的临界锚固长度的解析式,并以工程实例检验该方法的合理性。研究结果表明：本文提出的GFRP抗浮锚杆临界锚固长度解析计算方法是可行的,将理论临界锚固长度的2/3作为GFRP抗浮锚杆实际锚固长度参考值,可以在保证承载性能的前提下提高材料利用率。GFRP抗浮锚杆临界锚固长度理论值随锚杆杆体-岩土体弹性模量比值的增大而增大,但在该比例逐渐变大的过程中,临界锚固长度增长幅度逐渐降低。此外,增加杆体半径亦可提高理论临界锚固长度。研究结果可为GFRP抗浮锚杆的推广使用提供理论依据与实践参考。     

玻璃纤维增强聚合物腰梁受力性能试验与有限元模拟

为探究基坑支护工程中玻璃纤维增强聚合物(glass fiber reinforced polymer, GFRP)腰梁的应力分布规律和变形特性,结合GFRP腰梁力学性能试验及数值模拟,依托于青岛某深基坑工程,利用ABAQUS有限元软件对不同工况下双腹板GFRP腰梁进行了有限元模拟。研究结果表明,与钢材相比,GFRP材料具备较高的抗弯强度,但弹性模量较低;最大加载至700 kN时,双腹板GFRP腰梁变形的室内试验结果和数值模拟结果的变化规律相似,随着荷载水平的增加,呈线性变化,说明GFRP腰梁始终处于弹性工作状态,整体稳定性强。明确了预应力锚杆轴力为300 kN时GFRP腰梁在两端自由、两端约束以及一端约束一端自由3种情况下的应力分布规律和变形特征;对于两端自由的GFRP腰梁,预应力锚杆轴力为150 kN时的应力、位移约为预应力锚杆轴力为300 kN时的50%。研究结果可为类似工程提供借鉴与参考。     

GFRP锚杆在锚固工程中握裹力的研究

锚杆作为岩土工程的主要支护材料,广泛应用于边坡、基坑、隧道等工程中。目前在工程中最为常见的锚固技术,是有变形钢筋与水泥砂浆经钻孔注浆而形成。在实际应用中,因钢筋易腐蚀,耐久性差的特点,成为锚固工程中的一大隐患。GFRP锚杆强度高、质量轻、耐腐蚀性强、低松弛等优点,可以替代钢筋作为锚杆应用于锚固工程中。但GFRP筋作为脆性材料,其与水泥砂浆之间的握裹力能否满足要求,将会直接影响到锚固效果。通过对不同锚固深度的GFRP锚杆与水泥砂浆室内拉拔试验,发现握裹力随锚固深度增加而增大,握裹强度随着锚固深度的增加呈现减小的趋势,同时水泥砂浆凝固时间对握裹强度有较大影响,7天初凝时握裹强度仅有28天终凝时的60%左右。通过与同等直径钢筋锚杆与水泥砂浆握裹力对比发现,GFRP锚杆与水泥砂浆握裹力能够达到钢筋锚杆的要求。     

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.     

深基坑桩锚支护的数值模拟

对利用FLAC3D进行深基坑数值模拟时经常遇到的一个关键而又常被忽视的结构单元连接问题进行了详细探讨,阐述了结构单元的连接方法、种类与性质,利用结构单元连接理论对某一采用桩锚联合支护的深基坑开挖工程进行了模拟分析,研究了桩的最大水平位移、弯矩、内力以及锚杆轴力、附近建筑物基础底面沉降随施工过程的变化规律。指出桩的最大水平位移并不是发生在桩顶处,而是在基坑开挖到的位置附近;桩的弯矩在整个桩长范围内正负交替出现;桩的受力主要为压力,而且最大值也是出现在基坑开挖到的位置附近;锚杆轴力在端部最大,然后逐渐减小,在尾部几乎为零;附近建筑物基础在靠近基坑一端有被抬升的趋势,而另一端则有下降的趋势。     

基于能量法的GFRP管与混凝土板组合梁轴向力计算

GFRP管与混凝土组合梁能够共同工作是通过剪力连接件来实现,而工程中应用的连接件一般为柔性件.连接件在传递GFRP管与混凝土界面上的水平剪力时,会产生变形,从而在GFRP管与混凝土板的界面上引起滑移,这种滑移会导致GFRP管、混凝土翼缘板、连接件的受力性能发生变化.针对这一问题,基于最小势能原理并结合组合梁实际受力特征,建立了考虑组合梁界面相对滑移影响的轴向力微分方程,给出对称集中荷载下组合截面中GFRP管和混凝土板的轴向力理论计算公式.计算结果表明,组合梁的轴向力随着连接刚度的增大和外荷载增加而增大,随着GFRP管壁厚度增加而减小.组合梁跨中截面轴向力最大,从跨中到梁端按非线性逐渐减小,梁端部轴向力近似为零.     

地铁站深基坑桩撑支护开挖变形

以济南地铁邢村站基坑开挖支护为工程依托，通过理论分析，数值模拟和监控测量相结合的方法，首先在理论方面阐明基坑变形的理论依据，然后利用有限元软件ABAQUS对邢村站基坑开挖的全过程进行了模拟，并结合现场的监测结果，对基坑开挖过程中围护结构的水平与竖向位移和基坑周边的地表沉降以及支撑结构的轴力变化进行了分析，研究结果表明：随着基坑的开挖，基坑顶部呈现出逐渐向坑内运动的趋势，并且随着开挖过程中支撑结构的施加，围护结构整体呈现出向坑内变形的“弓”形分布，在支撑施加的部位，变形值明显减小；由于基坑开挖土体的卸荷，围护结构出现隆起变形；地表沉降曲线呈现“U”形分布，并且随着基坑开挖深度的逐渐增加，地表沉降最大值逐渐增大，基坑开挖的影响范围基本在0-20m内；各道支撑的轴力呈现出逐渐增加的趋势，下部的支撑发挥作用的效应更明显，并且下部支撑轴力大于上部支撑的轴力。     

全长粘结式砂浆锚杆的力学特性数值分析

目前,对岩石锚杆的锚固机理和锚固效果的研究大多是通过现场试验的数据来进行,本文在总结现有研究的基础上,采用有限元软件对岩石锚杆的作用机理进行模拟研究,分析了在拉拔荷载作用下锚固段的应力、岩体内的位移及锚杆轴力的分布特点和衰减规律.研究发现,锚固段界面上的应力、位移及锚杆轴力主要分布在锚固段顶端以下一定范围内,随锚固深度的增加逐渐衰减并趋于零.本文的数值模拟研究对岩石锚杆的支护设计和提高施工水平具有重要的意义.     

地铁深基坑围护结构安全监测与数值模拟分析

为了研究地铁基坑开挖过程中围护结构的安全性,以广东省某地铁车站为工程实例.介绍了基坑开挖方法,利用MIDAS/GTS对基坑开挖过程进行了模拟,并与不同工况下的桩身位移变化和支护轴力监测进行了比较.结果表明,围护桩顶和桩底位移较小,围护桩的最大位移位置随开挖深度的变化而移动,最大位移位置逐渐下降,最大位移接近第三梁内支撑的顶部.模拟轴力结果显示:标准段距离盾构井约50 m内冠梁呈受拉状态.模拟和现场轴力监测数据显示:第一道标准段内支撑轴力大于盾构井内支撑轴力,随着开挖深度的增加,轴力最大值内支撑位置也在下移,最终出现在盾构井第三道内支撑上.