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。     

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。     

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.     

基于ANSYS对比分析压力型与拉力型锚杆承载特性

基于Coulomb摩擦模型与Drucker-Prager屈服准则,建立了拉力型锚杆及压力型锚杆的非线性有限元模型,对比分析了不同荷载作用下2种锚杆的承载特性.研究结果表明,在不同的荷载作用下,压力型锚杆的轴力及其杆体剪应力随锚固深度的变化曲线与拉力型锚杆的轴力及其杆体剪应力随锚固深度的变化曲线存在着明显的差异,且2种锚杆的锚固体外侧剪应力的变化曲线同样有明显差异.拉力型锚杆的锚固体外侧剪应力峰值出现在锚固体外端,压力型锚杆的锚固体外侧剪应力峰值出现在锚固体内端;压力型锚杆的荷载-顶端位移曲线近似呈线性关系,而荷载-承载板位移曲线则呈现明显的非线性;压力型锚杆的张拉性能大大优于拉力型锚杆.两者的破坏模式一致,均为土层的剪切破坏.     

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.     

基于连续-非连续单元法复合岩土体穿层预应力锚杆受力分析

边坡工程施工过程中,采用预应力锚杆施加预紧力可约束岩土体开挖后应力重分布作用产生的过大变形,增强岩土体自身强度。本文针对某边坡工程中预应力锚杆穿过多层岩土体的荷载传递及锚固承载特征问题,基于CDEM数值模拟方法,考虑复合岩土体中岩土层理结构面之间的非连续以及块体-杆件耦合计算问题,建立二维边坡复合岩土体桩锚结构数值模型,揭示复合岩土体中穿层预应力锚杆的受力特征。研究结果表明：①岩土层与锚固体极限粘结强度标准值越大,产生的轴应变越小,轴力传递效应越弱,锚杆轴力衰减率越高。②张拉第二、三根锚杆时,其杆体作用在张拉第一根锚杆之后岩土层自平衡后的应力场内,岩土体结构面产生的错动以及剪切蠕变导致预应力快速损失,其损失率比第一根锚杆大3%~4%。③该边坡工程中锚固角度在25°左右最优,既能控制水平向受力,也能防止坡顶沉降,桩锚结构整体稳定性较好。本文耦合复合岩土体建模-桩锚结构承载-参数优化,深入研究复合岩土体中穿层预应力锚杆受力及其参数影响规律,研究成果将指导复合岩土体中桩锚结构设计与施工。     

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.     

基坑应变软化的桩锚支护数值计算

通过理论分析,建立相应基坑应变软化模型,并对桩锚支护过程中的基坑稳定情况和桩锚结构响应进行数值模拟。研究结果表明:利用FLAC3D建立的应变软化模型,能够较好地反映土的特性;基坑安全系数随锚杆长度的增大而呈线性增大;若锚杆的长度较短,则基坑的稳定性受到锚杆倾角的影响较小;锚固力沿杆体方向逐渐减小,最大值出现在锚头位置;随着锚杆长度的增大,锚固力最大值往杆体内移动,并沿杆体呈先增大后减小的趋势;支护桩主要承受压力作用,随着锚杆长度的增大,支护桩所承受的压力逐渐减小;锚杆倾角增大导致支护桩轴向压力逐渐增大。     

加筋锈蚀对氯离子侵蚀海底隧道锚固支护结构影响分析

由于长期氯离子侵蚀及干湿交替环境作用,海底隧道锚固支护结构易于加筋锈蚀,造成支护结构强度的降低.结合某海底隧道Ⅲ级和Ⅳ级围岩锚固支护结构设计,基于前人研究理论及试验成果,采用数值分析软件FLAC3D及有限元强度折减思想,探讨加筋锈蚀对锚固支护结构体系承载作用的劣化影响.研究表明,(1)锚杆锈蚀削弱了锚固支护结构的支护强度;随着加筋锈蚀的增加,隧道加锚围岩的变形逐渐增大;锈蚀对隧道加锚围岩起拱线处的收敛变形影响最明显,Ⅲ级围岩位移锈蚀影响度最大可达56.7%,Ⅳ级围岩位移锈蚀影响度最大可达62.98%.(2)锚杆锈蚀降低了锚固支护结构的锚固作用,锈蚀对锚固注浆体的黏结作用的损失影响比对锚杆应力作用的损失影响大;Ⅲ级围岩锚杆最大应力锈蚀影响度最大为11.6%,锚固注浆体最大剪应力锈蚀影响度最大达18.6%;Ⅳ级围岩锚杆最大应力锈蚀影响度最大为12.3%,锚固注浆体最大剪应力锈蚀影响度最大达20.1%;说明锈蚀对Ⅳ级围岩锚固支护结构影响比Ⅲ级围岩略大.研究结果可为海底隧道锚固支护结构运营风险评估提供一定的数据依据.     

玻璃纤维锚杆在基坑支护中的应力分布规律

为深入研究玻璃纤维锚杆(GFRP锚杆)代替传统钢筋锚杆作为支护结构应用于基坑工程的可行性,本文通过现场拉拔试验探究了GFRP锚杆应力沿杆体的分布规律,通过有限元分析研究了不同参数的影响规律,并为提高GFRP锚杆在基坑工程应用的可行性,进一步探讨了常见锚具失效的机理,开发设计了新型锚杆锚具。结果表明：GFRP锚杆在拉拔过程中,轴力沿锚杆杆体呈指数型衰减,最后趋近于零,存在一个临界锚固深度,大部分轴力作用范围为0~4m左右;剪应力分布具有峰值点,大致位于离端口0.5m处,最大剪应力峰值为2.27MPa,剪应力发挥的主要区间在0.5m~3.5m范围内;轴力分布范围扩大的速率远小于拉拔荷载增加的速率,当荷载增加到极限荷载的50%时,应力分布范围趋近于最大传递距离;上覆压力变化对锚杆轴力传递范围没有明显影响;当粘聚力和内摩擦角增加到一定值时,对锚杆轴力影响开始下降;新型GFRP锚具能有助于GFRP锚杆发挥出其强抗拉特性,具有良好的工程应用价值。     

全长黏结式锚杆拉拔性能数值分析

为了研究全长黏结式锚杆拉拔工况下的应力变形特征,利用FLAC3D建立数值模型,分析锚杆受力特征、土体响应,以及拉拔性能的影响因素。结果表明,(1)锚杆轴力分布沿杆体逐渐减小;(2)随着加载的进行,破坏沿锚杆体迅速传递,最终导致锚杆整体破坏;(3)土体受到锚杆摩阻力的影响,存在被锚杆拉出的趋势;(4)随着围压的增大,荷载-位移曲线在破坏前的线性特征更加显著,锚杆的破坏荷载也逐渐增大,采用指数方程对其关系进行拟合能得到较高的精度;(5)围压的增加能够增大锚杆与周围土体之间的黏结力,但是存在一极限值,当围压增加到一定程度后,并不能提高锚杆的锚固力。     

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.     

基于差分法的锚固体抗拔机理的分析

在岩土工程中施加各类加固锚件以改善岩体工作条件、提高岩体的稳定性已成为岩体施工中增稳的主要措施.研究了全灌浆岩锚的锚固特性.应用Mindlin问题的位移解和有限差分法研究了基于抗拔作用的拉力型和压力型锚杆荷载传递机理,利用差分法推导了锚固体与岩体之间的剪应力沿锚固长度分布规律的计算式,通过算例分析了锚固体轴力及其表面剪应力沿锚固体长度的分布规律及其影响因素,为岩土工程锚固的进一步分析和设计提供理论依据.     

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。     

基于软岩流变特性的“围岩-锚杆”系统稳定性模拟研究

针对新河煤矿-760 m软岩巷道变形大且持久的特点,采用三维数值模拟方法,分析了软岩巷道的流变特性对“围岩-锚杆”系统的影响,研究了流变软岩巷道围岩位移以及锚杆受力的发展变化特征.研究结果表明：锚杆轴应力与剪应力符合中性点理论,并且岩体弹性模量越小,锚杆剪应力越小,分布范围越大、越均匀,岩体弹性模量越大,剪应力越大,其作用范围越小、越集中,并且围岩位移会随着岩体弹性模量的减小而增大,即岩体越软,围岩位移越大.但通过锚注加固作用,该类软岩巷道围岩位移都得到了有效的控制,锚杆剪应力的分布特征研究为锚杆锚固形式在不同强度岩体中的选择提供了依据.     

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.     

基于数值模拟的锚杆锚固端力的传递机理研究

文章首先指出锚杆锚固端的剪应力是非均匀分布的,其分布是一个随锚杆破坏而变化的过程。树脂的破坏首先从锚固段的自由端一侧开始,随后随着围岩变形逐渐向锚固端一侧发展直到完全破坏。文章根据FLAC 3D的模拟结果,总结了锚固端各测点的位移、轴向应力和剪切应力随着在锚杆破坏过程中的变化规律。锚杆的拔出过程是逐渐滑移到突然整体失稳的过程。     

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。     

塑料胀壳式注浆锚杆设计及机理

塑料胀壳式注浆锚杆是针对松软围岩巷道中锚杆支护出现的锚固作用不够、漏顶、片帮等诸多问题而研制的·通过对锚杆杆体及围岩的受力分析,利用ANSYS有限元进行数值模拟,与国内外其他注浆锚杆进行比较,得到了塑料胀壳式注浆锚杆的锚固力是端锚锚杆锚固力与全长浆体粘结锚固力叠加的结果·其具有锚固力大,成拱作用范围大,安装方便,止浆密封可靠,经济合理等优点·塑料胀壳式注浆锚杆主要适用于锚固加固松软围岩,防止漏风,避免发火,堵水等