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。     

抗浮锚杆荷载-位移特性及极限承载力预测

GFRP（玻璃纤维增强聚合物）抗浮锚杆因其布置灵活、分散应力、耐腐蚀性强、绿色环保等优点,成为钢筋抗浮锚杆的良好替代品。为进一步研究GFRP抗浮锚杆的承载性能,本文基于青岛某基坑抗浮工程中的6根GFRP筋和钢筋锚杆开展现场拉拔破坏性试验。试验结果表明：钢筋锚杆与GFRP锚杆平均破坏荷载分别为324 kN、394 kN,锚固强度利用率均达到92%。在相同直径、相同锚固长度条件下,GFRP锚杆能够承受更大的拉拔力,且发挥了更大的黏结强度。在荷载-相对滑移曲线分析中,GFRP抗浮锚杆整体呈缓“S”型,钢筋锚杆整体呈“L”型,表明GFRP锚杆抗浮性能优于钢筋锚杆。根据二次多项式回归分析,当锚杆杆体位移量小于20 mm时,预测精度较高,最高可达96.15%。研究结果对实际抗浮工程应用具有一定的借鉴和参考价值。     

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.     

抗浮锚杆受力特性试验研究进展

随着基础埋深不断加大,建(构)筑物的抗浮问题愈加严重,抗浮锚杆在城市建设中得到了广泛应用。充分掌握抗浮锚杆的受力特性并厘清抗浮锚杆在长期荷载作用下力学性能的动态演化规律是保证抗浮结构安全、可靠的前提。为此,围绕抗浮锚杆的工作原理、应力传递机制、承载特性以及蠕变性能等方面分析和评述国内外的相关研究现状。首先从抗浮锚杆的工作原理、破坏形式出发,分别对纤维增强复合材料(fiber reinforced polymer, FRP)抗浮锚杆和钢筋抗浮锚杆应力传递机制进行讨论和对比分析;从理论计算、试验研究与数值模拟三个方面对抗浮锚杆的承载特性进行阐述;进而对抗浮锚杆处于长期荷载、循环荷载作用下的蠕变性能进行归纳总结。最后梳理了抗浮锚杆在工程应用中存在的不足,同时为非金属抗浮锚杆在侵蚀环境中的服役性能提出了研究与发展方向。     

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。     

树脂锚杆锚固段剪应力分布及其损伤模式分析

为了分析树脂锚杆锚固段剪应力分布及其承载、损伤机理,提高树脂锚杆支护在煤矿现场应用的有效性,首先根据煤矿树脂锚杆的围岩环境和受力特点,基于集中载荷作用于半无限体表面和无限体内部的弹性力学解得到了树脂锚杆在非锚固段围岩破碎和完整时的锚固段锚固界面剪应力计算式,分析了锚杆杆体拉力在锚固段锚固界面的剪应力形成机理;然后采用FLAC数值模拟软件模拟了树脂锚杆锚固段的承载及变形,得到了树脂锚杆在一定载荷和围压作用下锚固界面塑性发展趋势;最后以混凝土试块模拟围岩,并在混凝土试块预留孔中锚固了树脂锚杆进行实验室拉拔试验,得到了树脂锚杆锚固段剪应力分布及其增加趋势.结果表明,树脂锚杆剪应力开始时呈负指数形态分布,随着锚杆拉应力的增大,锚固起始端剪切破坏剪应力降低,无围压时峰值剪应力迅速向较深部锚固界面移动并锚固失效,有围压时锚固界面在锚固起始端剪切破坏后仍有较大的锚杆拉应力发展范围.     

GFRP筋及钢筋抗浮锚杆与基础底板锚固性能试验研究

采用倒置锚杆-基础底板体系,通过现场拉拔破坏性试验,研究GFPR筋和钢筋两种材质抗浮锚杆与基础底板的黏结锚固性能.试验结果表明:GFRP筋和钢筋抗浮锚杆均产生两种破坏形态-滑移破坏与拔断破坏;弯曲处理对两种材质锚杆极限承载力影响效果相反,钢筋锚杆极限承载力随拉拔荷载增大而增大,GFRP锚杆极限承载力随拉拔荷载增大而减小;钢筋抗浮锚杆的Q-S曲线为双折线型,存在明显的拐点,产生拐点的原因是拉拔荷载达到材料屈服强度,而GFRP锚杆无明显屈服阶段,故其Q-S曲线近似线性分布;在分析比较3种描述锚杆Q-S曲线的数学模型的基础上,发现指-幂函数模型能较好地拟合两种不同材质抗浮锚杆的Q-S曲线,能够精准预测GFRP筋及钢筋抗浮锚杆与基础底板的极限抗拔力和滑移变形.研究成果将为GFRP筋在抗浮工程中推广应用奠定基础.     

可回收式锚杆拉拔试验的数值模拟与影响因素分析

为了分析影响可回收式锚杆抗拔力的因素,在对可回收式锚杆现场拉拔试验研究的基础上,建立可回收式锚杆三维有限元模型.通过数值模拟分析,探讨可回收式锚杆的受力机理和破坏形式,得到可回收式锚杆的锚固体与周围土体之间的界面剪应力分布和传递规律.分析表明,可回收式锚杆的破坏主要是由于锚固体与周围土体之间的界面剪应力大于界面粘结力而引起的,而且界面剪应力分布不仅与外荷载、锚固长度和锚固体半径有关,锚固体也存在着临界长度和临界半径.     

压力型和拉力型锚杆承载性状对比试验研究

基于现场试验,对比研究了压力型、拉力型锚杆的承载性状.研究结果表明,压力型、拉力型锚杆的破坏形式为锚固段砂浆体与岩土层间的粘结滑移破坏,两者的极限承载力主要取决于锚固段与周围岩土体的粘结力.在相同条件下,压力型锚杆极限承载力标准值较之拉力型锚杆提高了近70%.张拉荷载与锚头位移的关系具有明显的非线性特征,采用双曲线模型进行拟合,具有较好的吻合性.采用高强钢筋作为杆体材料的压力型锚杆的承载性状较之于普通拉力型锚杆有明显改善.     

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。     

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。     

全长粘结岩石锚杆拉拔数值模拟

岩石锚杆已经在岩体边坡和隧道开挖加固中得到了成功的应用,但锚杆锚固段内的具体受力分析仍然没有得到清楚的解决.从锚固段受力连续性理论出发,采用界面剪应力重分布假设,定义出剪切刚度的软化曲线,并利用ABAQUS软件自带的弹簧模型,对典型拉拔试验进行了数值分析,表明多种因素通过改变砂浆层的尺寸和强度对锚杆最大拉拔荷载产生影响.与实际试验结果相比,数值解和实测值有相当的一致性.     

组合荷载作用下平板锚承载能力的数值预测

为预测组合荷载作用下平板锚的承载力,假设锚-土之间不脱离,在ABAQUS下建立了法向力、切向力和弯矩共同作用的平板锚运动变形数值模型。与极限理论解对比,证明了上述数值模型的正确,并利用其计算了法向力、切向力和弯矩组合荷载作用下板锚的极限承载力,利用Murff模型拟合了组合荷载作用下板锚的极限承载力包络面。结果表明,Murff模型能较好地拟合组合荷载作用下板锚的极限承载力包络面。     

金能煤矿软岩掘进巷道变形破坏特征及控制技术研究

针对软岩巷道围岩在掘进过程中呈现出的顶板下沉量大、两帮收敛严重等特点,为解决巷道围岩稳定性控制的难题,以金能煤矿二采区1201工作面的运输顺槽为研究对象,基于工作面巷道工程地质条件,采用现场实测、数值模拟和工业性试验等方法,阐述了软岩巷道的变形破坏特征,提出了3种不同的围岩控制方案,利用FLAC3D软件模拟了该巷道围岩水平位移、垂直位移和塑性区分布情况,并进行现场测试。工程应用结果表明：“锚索+W钢带+U型钢+注浆”的支护方案效果明显,提高了围岩的承载能力,实现了巷道围岩的稳定性控制。     

抗拔桩在抗浮工程中的研究进展

随着城市地下空间的大规模开发,基础埋深不断增大,地下水的浮力也随之加大,易导致施工过程中基坑上浮或影响地下结构正常使用。抗拔桩因施工时对桩周岩土体扰动较小,工艺简单,施工便捷,抗浮效果好等优势,被广泛应用于抗浮工程中。目前,抗拔桩的力学特性、承载能力和变形特征等是现阶段抗拔桩在抗浮工程中的研究热点。主要从抗拔桩的作用机理、常见的破坏形式及极限承载力等方面进行了归纳分析,梳理了抗拔桩在数值模拟方面的研究进展,提出了抗拔桩在抗浮工程中存在的一些问题,并为抗拔桩在地下结构抗浮领域的未来发展提供了新的思路。     

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。     

基于光纤技术和有限元计算的灌注桩承载特性

为了掌握灌注桩的承载力及桩身受力分布和传递规律,本文开展了灌注桩现场静载试验,并使用光纤传感器对灌注桩桩身变形进行了测试,获得了桩身应变信息。采用有限元软件ABAQUS,开展了灌注桩承载特性数值模拟研究。结果表明,静载试验得到的桩基Q-S曲线和数值模拟测得的桩基Q-S曲线基本一致;光纤传感器所得结果显示桩身轴力在桩头处是最大的,随着桩长增加而逐渐递减,整体变化规律与数值模拟结果规律一致;灌注桩实测桩身侧摩阻力沿桩长变化规律与数值模拟得到的受力分布和传递基本一致,验证了有限元计算模型中选取的参数是合理的。考虑了桩长、桩径和桩土界面摩擦系数对桩基Q-S曲线、桩身轴力分布和侧摩阻力分布的影响,桩径和桩土界面摩擦系数对桩基的Q-S曲线、桩身轴力分布和侧摩阻力分布的影响很大,而桩长的影响较小。     

不同材质腰梁对锚索预应力损失的影响研究

为研究不同材质腰梁对锚索预应力损失的影响规律,依托青岛海天中心桩锚支护深基坑工程,结合现场实测和ABAQUS有限元数值模拟,阐明了3种不同材质腰梁作用下锚索预应力变化规律,并将模拟结果与实测结果进行对比分析。结果表明：模拟结果与实测结果变化规律基本一致;锚索预应力随时间的变化趋势较平缓,分为快速下降、稳定变化和基本稳定3个阶段;加载过程中,锚索应力由自由段向锚固段传递,逐渐传递到支护桩及桩后土体;影响锚索预应力损失的主要因素为突然卸荷引起的锚索回缩、土体蠕变和岩土体流变变形。最后对比分析了玻璃纤维增强聚合物(glass fiber reinforced polymer, GFRP)腰梁、混凝土腰梁和钢腰梁作用下锚索预应力损失规律,整体损失率分别为6.89%、14.74%、16.84%,表明GFRP腰梁具有控制锚索预应力损失的绝对优势,研究成果可为类似深基坑工程的设计提供参考和借鉴。