不同类型岩层中锚杆轴向应力及其周边上剪应力的理论分析

本文根据有限元计算及以往的试验，提出了一种考虑岩层特后锚杆锚固段应力的理论计算方法，而且得出的结果与有限计算规律相当吻合，并建议在试验测取现场参数的基础上，对不同类型的岩层选取不同的锚固深度，这个深度可由本文提出的公式绘图得出，具有一定的现实意义的理论价值。     

拉力型锚索锚固段周边岩体的应力分布

采用弹性空间体内部一点受集中力的Kelvin解,推导了拉力型锚索锚固段的附加应力和位移分布的理论公式,并依此推出了锚固段周边的剪应力分布公式。在此基础上,讨论了锚固体、岩土体的力学参数对附加应力、位移和剪应力的影响。结果表明,锚固段周边岩体中的正应力场和位移为锥形,在锚固段的起始点上部形成了压应力场,下部为拉应力场,并以力的作用点为中心快速衰减。锚固段周边剪应力形成了一个锥面,并随远离作用点快速衰减。     

压力型和拉力型锚杆工作性能对比研究

通过压力型和拉力型锚杆各自的荷载传递模型,对比分析了岩层中压力型和拉力型锚杆的受力机制、摩阻力分布特征,并采用剪切变形系数与锚固体等效变形模量的比值衡量了锚杆的承载力和变形性能。压力型和拉力型锚杆现场试验和理论分析结果表明:岩层中压力型锚杆工作时,锚固体受压后径向体积膨胀,加大了锚固体与岩层间的摩阻力,α值相对较大,压力型锚杆承载能力和变形性能均优于拉力型锚杆,进而说明了采用剪切变形系数与锚固体等效变形模量的比值来衡量锚杆的承载力和变形是可行的,为压力型锚杆的进一步理论研究和工程应用提供了有益的参考。     

压力型锚杆锚固段的应力分布规律研究

根据Kelvin解,推导了压力型锚杆锚固段的弹性黏结应力和正应力分布方程。在推导过程中,考虑了三向应力状态对锚固段黏结应力的提高作用。经过与现场试验实测数据的对比分析,验证了理论计算公式的可靠性。采用软质岩体条件下的参数,对锚固段应力分布进行了计算,总结了岩石条件下锚固段应力分布特点,并分析了各种岩土参数变化对锚固段应力分布的影响,为压力型锚杆的进一步理论研究和工程实践提供了基础。     

拉力分散型锚杆工作机理的试验研究

拉力分散型锚杆的现场拉拔试验表明,与普通锚杆相比,该类型锚杆不仅工艺简单,又能大幅提高承载能力,可在基坑工程中广泛应用。结合沿杆体布置的应变片测试结果,分析得出了拉力分散型锚杆受拉时的应力分布规律。     

压力型与拉力型锚杆工作性状的室内足尺模型对比试验研究

基于室内足尺模型试验对比研究压力型和拉力型锚杆的工作性状,给出锚固体轴向应变的分布特点,验证基于Mindlin问题位移解推导出的压力型锚杆锚固段应力分布理论解的可行性,分析了在试验条件锚杆的极限承载力及破坏形式。试验结果表明,拉力型锚固段处于受拉状态,轴向应变值最大值发生在张拉端附近,距离张拉端越远应变值越小;压力型锚杆的锚固段处于受压状态,轴向应变值最大值发生在承载体附近,距离承载体越远应变值越小;拉力型锚杆破坏形式为锚固段注浆体与岩土层间的粘结滑移破坏,压力型锚杆的破坏形式为承载体附近锚杆周围土体剪胀破坏;压力型锚杆极限承载力较之拉力型锚杆在相同条件下有明显提高;实测值与基于Mindlin问题的位移解推导出的压力型锚杆锚固段应力分布理论解较吻合。     

预应力岩石锚杆锚固段应力分布模式分析

在对传统剪滞模型基本原理及受力特点进行分析的基础上,提出一种改进的剪滞模型,并利用该模型对预应力岩石锚杆作用机理进行分析,得到了浆体材料与岩体间的剪应力、钢筋与浆体材料间的结合应力分布模式及荷载-位移特性;并对该模型进行了受力分析,得到一些有实际意义的结论。     

偶应力对层状岩体结构面边界层效应的影响

在压剪载荷作用下,层状岩体结构面附近的剪切变形梯度非常显著。基于偶应力理论,研究层状岩体结构面边界层效应。利用有限单元方法进行数值计算,并将偶应力理论的计算结果与经典弹性理论的结果进行比较。采用Serendipity单元（S单元）,导出S单元内的插值函数及位移插值公式。利用ANSYS进行前处理,并基于Matlab编制经典理论和偶应力理论相应的计算和后处理程序。结果表明：偶应力对层状岩体结构面剪应变有显著影响,尺度效应明显。相对于经典弹性理论,在偶应力理论中,应变量减小,并在边界层附近出现过渡区;剪应变突变现象得以改善,但剪应力不再连续。特征长度影响过渡区域的大小,但第二剪切模量、泊松比、弹性模量不改变过渡区域的大小。     

层状地层全长粘结型锚杆锚固力学效应分析

考虑地层分层特征,根据剪切位移法基本原理,推导了拉拔荷载作用下层状地层全长粘结型锚杆位移、轴力及锚固体周边剪应力解析解,并结合FLAC模拟算例对比验证该方法的可行性;研究发现地层间界面处锚杆周边剪应力及轴力分布分别存在突变点和折点,其变化程度与地层物理力学性质有关,对此,提出了层状地层全长粘结型锚杆布置方案的建议。     

滨海基坑穿越软土压力型锚杆现场试验研究

青岛胶州湾北岸广泛分布厚层海相沼泽化软黏土,为研究穿越厚层软土时压力型锚杆的适用性,开展了压力分散型锚杆、拉力型锚杆和承压型囊式扩体锚杆的现场对比试验。试验结果表明,压力分散型和承压型囊式扩体锚杆极限承载力离散性较大,难以满足锚杆验收标准;相对于极限粘结强度和局部受压承载力,锚杆成孔曲率导致的锚固体整体失稳可能是穿越厚层软土的压力型锚杆极限承载力不足的主要原因;对滨海基坑工程中穿越软土的预应力锚杆,建议优先采用拉力型锚杆。     

考虑孔壁界面滑移-软化的预应力锚索锚固段侧阻力分布

较多理论分析得到锚索锚固段侧阻力的沿程分布呈下凹衰减曲线,与工程实际的单峰曲线差异很大,缘其全程粘结、共同变形假设不甚合理。作者采用简便的荷载传递法,分析了全程粘结所满足的变位协调条件,导出了滑移临界荷载判别式。分析认为,由于孔壁界面滑移的软化效应,侧阻力曲线始端变为上升曲线。因此侧阻力曲线由两部分组成:侧阻力峰值之前部分为始端滑移段,呈上升曲线;而侧阻力峰值之后的部分为粘结段,呈下凹衰减曲线。在锚固的理论分析中,应对界面滑移及软化因素对侧阻力分布的影响予以足够重视。     

剪切位移传递法分析抗浮锚杆应力状态

假定锚侧摩阻力与剪切变形呈非线性变化,考虑锚侧土体在影响区域内符合非线性弹性理论,运用剪切位移传递法,建立了抗浮锚杆计算模型,推导了锚侧剪应力与剪切位移的关系式。通过模型描述受荷状态下抗浮锚杆的轴力、摩阻力、位移的变化形态,分析了锚杆应力变化的工作机理,并预估了其极限承载力。     

桩-土间剪切应力的传递探讨

对不同情况下桩-土间剪切应力进行了初步的理论分析,并基于ADINA有限元程序,对不同情况下的桩-土间剪切应力进行了计算对比分析。结果表明,同种土体和桩体条件下,各种模式达到极限状态时桩-土间剪切应力不同,堆载作用下负摩擦力值最大,抗拔桩负摩阻力值最小,桩顶受压桩、托桩的摩阻力值介于其间;桩材泊松比在0.15～0.35范围内时,桩侧摩阻力随泊松比的增大而增大。所得结论有助于进一步认识桩-土相互作用规律以及桩-土荷载传递机制。     

基于罚函数偶应力理论的土体应变局部化研究

与 Cosserat 理论相比,偶应力理论在一定程度上可以降低数值框架的复杂度,已逐渐应用于岩土体应变局部化分析中。然而,一般的偶应力有限元法需要满足 C¹连续性,即单元内部和单元交界面上的应变都需要具有连续性。为了避免开发较为复杂的C¹型偶应力单元,在 Cosserat 连续体理论框架下,通过借助罚函数方法对 C¹连续性进行松弛来获得偶应力理论的逼近解,建立了基于罚函数的偶应力有限元方法 PCS-FEM。通过平面应变条件下的弹性圆孔应力集中问题对 PCS-FEM 方法的有效性进行了验证,并应用于土体应变局部化分析中。通过对Ottawa砂的平面应变试验进行数值模拟,发现 PCS-FEM 方法获得的应力−应变曲线及剪切带破坏形态与试验结果基本一致,且能够克服经典连续体理论病态的网格敏感性问题,保证应变局部化问题的适定性;通过对承受偏心荷载作用下的土坡应变局部化经典算例进行分析,发现 PCS-FEM 方法同样可以克服土坡应变软化阶段的网格敏感性问题,展现土体的渐进破坏过程。     

地震作用下含软弱层岩体边坡锚固界面剪切作用分析

基于FLAC3D软件,以含软弱层的锚固岩体边坡为研究对象,通过修正的cable单元建模和改进剪应力提取方法,分别模拟分析了地震作用下含软弱层岩体边坡两锚固界面剪切作用及其演化。研究发现:砂浆-岩体界面上的剪应力远比锚杆-砂浆界面上的小,并均以锚杆上的中性点为界方向相反,分布很不均匀,且均在中性点附近发生突变;随边坡地震响应增强危岩中的锚固界面率先脱黏,基岩中的锚固界面紧随脱黏,且脱黏分别向锚头和锚根发展,直至拉拔段或锚固段全部脱黏锚固破坏。获得了地震波作用下边坡两锚固界面上剪应力及其分布和脱黏破坏过程,揭示了锚固界面上的剪切相互作用和锚固破坏机制,并得到了试验印证,为边坡锚固设计和施工提供了参考。     

基于剪切试验的预应力锚杆变形性能分析

为了研究锚杆对节理剪切性能的作用机制和模式,开展了锚固节理岩体的实验室剪切试验,模拟了不同强度的岩体在剪力作用下的变形和受力特征,对比了锚杆加固前、后岩体的剪切变形规律,分析了节理岩体强度、预应力及锚固方式对节理的抗剪能力的影响,试验过程中通过应变片测点监测锚杆轴力的变化规律,研究了节理剪切过程中锚杆的轴向受力机制和变形特性。剪切试验完成后,取出剪切变形后的锚杆,统计了变形段长度与各参数之间的关系。通过试验结果分析,剪力-位移曲线存在明显的3个阶段：弹性阶段、屈服阶段和塑性强化阶段,曲线近似呈现双直线特征,弹性段锚杆主要发挥销钉作用;屈服段锚杆的轴向作用开始调动,锚杆同时存在销钉和约束作用;塑性段锚杆不再发挥销钉作用,只是依靠其轴向约束作用限制岩体的变形;曲线表现出韧性增强的剪切性能,这就使得锚杆锚固节理岩体的破坏特性由脆性转变为塑性,从而提高了岩体的稳定性和安全度。节理面的滑动对锚杆产生剪切作用,由于切向变形而产生了附加的锚杆轴向变形,锚杆的轴向应力随着剪切位移的增大呈增长的趋势,变形剧烈区域集中于节理面附近,且距离节理面越近其轴向应力增大越多。     

全长黏结式锚杆沿程应力分布模拟方法

全长黏结式锚杆是地下洞室常用的一种围岩支护手段。研究全长黏结式锚杆沿程应力分布特性对于锚杆-围岩组合体的稳定性评价具有重要的作用。利用单元嵌入计算格式,建立锚杆-围岩组合体中锚杆的等效模拟方法。通过轴对称四边形单元模拟锚杆内部变形,据此推导该单元内力、切线刚度及锚杆模型固有内力、计算刚度,最终通过整体及局部坐标的变换建立锚杆模型附加内力及切线刚度的计算方法。锚杆的非线性特性主要由接触面失效、杆体屈服引起,该方法能够较方便地应用隐式有限元计算格式,对围岩及锚杆的非线性特性进行统一分析。该方法在反映锚杆对围岩支护效果的同时,能够较好地反映锚杆的沿程应力分布特性。     

Effects of non‐uniform traction and specimen height in the direct shear test on stress and deformation in a rock fracture

In the direct shear test (DST), an internal moment is distributed within the rock specimen by non‐coaxial shear loads applied to the specimen, which cause non‐uniform distributions of both the traction on the loading planes and the stress and deformation in the specimen. To examine the validity of the DST for a rock fracture and to clarify the effect of specimen height, both the stress and deformation in a fracture in the DST were analyzed for specimens with three different heights using a three‐dimensional finite element method with quadratic joint elements for a fracture model. The constitutive law of the fracture considers the dependence of the non‐linear behavior of closure on shear displacement and that of shear stiffness on normal stress and was implemented in simulation code to give a conceptional fracture with uniform mechanical properties to extract only the effect of non‐uniform traction on the stress and deformation in the fracture. The results showed that both normal and shear stresses are concentrated near the end edges of the fracture, and these stress concentrations decrease with a decrease in the specimen height according to the magnitude of the moment produced by the non‐coaxial shear loads. Furthermore, although closure is greater near the end edges of the fracture, where normal stress is concentrated, this concentration of closure is not so significant within the range of this study because of the non‐linear behavior of closure, that is, closure does not significantly increase with an increase in normal stress at large normal stresses. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

地震作用下预应力锚索加固危岩体的动力响应分析

针对预应力锚索加固危岩体的特点,以某危岩体加固工程的3个典型工程剖面为实例,通过对不同动荷载作用下预应力锚索加固的危岩位移场、应力场分布特征的数值模拟计算,揭示了预应力锚索加固危岩体在地震作用下的动态响应和变化规律。分析结果表明,随着地震动峰值加速度（PGA）、反应谱特征周期（Tg）的增大,被加固危岩体的位移和应力值明显增大,应力集中区的范围扩大,围岩损伤的可能性增加,稳定性降低。其成果为危岩体抗震加固与减灾提供理论基础和实践依据。