螺旋锚锚周土体变形试验与抗拔承载力计算模型研究

摘要

螺旋锚作为一种广泛应用于房屋建筑、挡土结构、输电线塔、交通运输等领域的抗拔锚固基础具有施工速度快、环境破坏小、节约建设成本等特点。但由于锚-土相互作用的复杂性，目前对其抗拔机理和性能的理论研究远不能满足工程需要。已有研究主要通过假定破坏面提出了各种计算理论，由于受传统测试手段限制无法获取螺旋锚上拔过程中锚周土体破坏面的精准形状，从而导致很多理论成果在分析锚周土体变形机理时出现了较大的误差，目前螺旋锚的设计主要依赖于工程经验。
　　鉴于传统试验方法的局限性，本文采用非接触式数字图像相关模型试验方法，对螺旋单锚和群锚的上拔过程开展模型试验研究，深入探讨了锚周土体的变形机理;通过对大量变形场试验数据的对比分析，确定了影响单锚抗拔承载力的控制因素，建立了更为符合工程实际情况的螺旋锚多参数抗拔承载力预测模型;通过对群锚模型变形场的研究，提出了不同组合形式下的群锚效应理论及抗拔承载力计算方法，主要工作如下:
　　(1)针对螺旋锚锚周土体变形研究的复杂性，将数字图像测量技术用于锚周土体变形测量，设计了相关试验装置，实现了力加载系统与基于DIC技术的StrainMaster图像采集系统的有效结合。通过对同等试验条件下实测位移与StrainMaster系统得到的位移场进行对比分析，结果表明StrainMaster系统得到的测试结果具有较高的精度，能够实现锚周土体变形过程测量的可视化，从而为实现锚周土体的精确测量提供了技术支持。该方法具有操作简单、实时测量、无干扰、精度高等优点。
　　(2)螺旋单锚上拔过程中锚周土体变化是一个复杂的动态过程，受很多因素影响，并表现为不同的抗拔力学性能。为了分析其抗拔承载力的控制因素，揭示锚周土体的变形破坏机理，分别对不同密实度和不同埋深砂土中螺旋单锚进行了试验研究，系统分析了锚周土体的位移变形规律，得到了不同上拔力阶段下螺旋单锚锚周土体的变形特征。
　　(3)通过对螺旋单锚锚周土体变形场的研究，系统分析了螺旋单锚抗拔破坏的力学机理，基于剪胀理论确定了破坏面形状，提出了单锚临界埋深率和砂土相对密实度之间的关系，根据极限平衡理论构建了能反映浅埋和深埋破坏机理的螺旋单锚抗拔承载力计算模型，并与其他学者的试验研究结果进行了对比分析。结果表明，该计算模型的预测结果与试验结果具有较好的一致性，可实现不同密实度砂土中螺旋单锚抗拔承载力的合理预测。
　　(4)通过对不同密实度砂土中螺旋群锚试验研究，分析了锚周土体变形破坏机理和群锚上拔过程中上拔力-位移关系曲线特征。试验结果表明，群锚抗拔承载力具有明显的叠加效应，且砂土密实度、埋深和锚间距等参数对群锚效应具有显著影响。在此基础上，根据试验成果建立了群锚效应系数与砂土密实度、群锚间距以及埋深率之间的量化关系，为群锚效应计算提供了理论依据。
　　(5)在群锚效应理论分析的基础上，建立了不同组合形式下螺旋群锚效应系数的计算模型。通过对不同工况下群锚效应系数的计算，并与现有试验研究结果的对比分析，该计算模型能够对群锚效应的试验结果进行较好的预测，从而解决了群锚抗拔承载力的计算问题。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究的背景与意义

1．2 国内外研究进展

1．2．1 单锚试验研究

1．2．2 群锚试验研究

1．2．3 数值模拟研究

1．2．4 现有研究存在的问题

1．3 本文研究思路及内容

2 DIC变形测量技术

2．1 DIC在土体变形测量中的应用

2．2 DIC技术的原理

2．2．1 数字图像的表示方法

2．2．2 数字图像相关方法的基本原理

2．2．3 图像匹配方法和过程

2．2．4 亚像素位移插值

2．2．5 位移场测定

2．2．6 数字图像测量的误差分析

2．3 StrainMaster图像分析系统

2．3．1 基本原理

2．3．2 测量精度分析

2．4 本章小结

3 单锚抗拔性能模型试验研究

3．1 模型试验技术方案

3．1．1 土的物理性质

3．1．2 试验土样制备

3．1．3 试验设备及数据采集

3．2 试验关键技术问题

3．3 单锚抗拔承载力力学特性分析

3．3．1 不同密实度下上拔力与位移关系曲线特征

3．3．2 不同埋深率下上拔力与位移关系曲线特征

3．3．3 抗拔承载力的影响因素分析

3．3．4 破坏系数与临界埋深率

3．4 锚周土体变形破坏机理分析

3．4．1 不同密实度下浅埋单锚锚周土体变形机理分析

3．4．2 不同密实度下深埋单锚锚周土体变形机理分析

3．4．3 不同密实度和埋深下破坏面形状分析

3．5 本章小结

4 群锚抗拔性能模型试验研究

4．1 群锚抗拔室内模型试验

4．1．1 试验装置及设备

4．1．2 群锚抗拔试验关键技术问题

4．2 试验结果分析

4．2．1 群锚抗拔力学特性分析

4．2．2 群锚抗拔承载力影响因素分析

4．2．3 群锚锚周土体变形机理分析

4．2．4 群锚效应系数

4．3 本章小结

5 螺旋锚抗拔承载力计算模型研究

5．1 砂土的剪胀与剪胀角

5．2 单锚抗拔承载力模型研究

5．2．1 浅埋单锚抗拔承载力预测模型

5．2．2 浅埋单锚抗拉破坏的力学机理

5．2．3 浅埋单锚抗拔承载力理论模型

5．2．4 深埋单锚抗拔承载力预测模型

5．2．5 临界埋深率与相对密实度的关系

5．2．6 模型参数的确定

5．2．7 单锚抗拔承载力预测模型的验证分析

5．3 群锚抗拔承载力模型研究

5．3．1 不同组合形式下群锚效应系数的确定

5．3．2 群锚效应系数的验证分析

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 主要创新点

6．3 展望

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果

致谢