压力型岩锚内锚固段锚固性能及工程应用研究

摘要

压力型岩锚作为一种较为新型的岩土锚固技术，在引入我国的十余年时间里，获得了很快的发展，在水利边坡锚固，道路边坡支护，隧道洞口加固，建筑基础抗浮等方面都得到了广泛应用，在实践中体现出了优良的锚固性能和较好的性价比。但是，压力型岩锚的工程应用远远超前于理论研究，因此工程实践中可能存在潜在风险隐患或过度浪费的现象。论文以国家杰出青年科学基金项目“岩土工程减灾”(50625824)和重庆市科委科技计划攻关项目(CSTC2008AC0077)为依托，采用野外现场调研、资料收集整理、理论分析、试验研究以及数值模拟等方法，系统地研究了压力型岩锚内锚固段的锚固性能和受力机理。论文的主要工作如下：
　　 ①根据压力型岩锚的主要失效模式，从理论上分析其荷载传递机制。选择合适的荷载传递模型，考虑注浆体的三向受力状态，基于Kelvin解建立反映压力型岩锚注浆体与岩体粘结界面相互作用规律的基本方程，求解界面剪应力分布规律以及注浆体中轴向和径向应力应变分布规律。建立了简化的弹性叠加模型，计算锚固体周围岩体中的应力场。分析了各种锚固体和岩体材料参数对应力分布规律的影响。
　　 ②选取重庆地区工程建设中常见的岩石，注浆体、高强钢筋为原材料进行缩尺模型试验。研究了适合模型试验的承载体和无粘结钢筋实施方案，设计了不同的锚固段长度，研究锚固段长度这一主要因素对压力型岩锚锚固性能的影响。在试验室中获得了压力型岩锚的荷载位移全曲线。通过与相同条件下的普通拉力型岩锚进行对比，分析了二者在承载力，位移等各种宏观力学机理上的不同表现。
　　 ③选择有代表性的现场岩质边坡，进行压力型岩锚的现场原位拉拔试验。试验钻孔130mm，采用6束1860MPa标准无粘结钢绞线为锚索杆体，30MPa级抗压强度的砂浆，模拟实际工程条件进行测试，获得了压力型岩锚在各种失效模式下的拉拔力学性能，现场压力型锚索的荷载位移全曲线，受力全过程中的界面剪应力分布演化特征。研究了压力型锚索的位移延性性能。在锚固段注浆体中置入应变测试元件，测试了受力过程中锚固体的应力应变分布规律，并与理论分析和室内试验进行对比，相互验证。
　　 ④对压力(分散)型岩锚进行了数值模拟分析，选用与实际情况较为吻合的模型和参数进行分析计算，将数值计算的结果与试验结果进行对比，验证了模型和参数的合理性，分析了不同锚固长度，不同孔径等多种条件对锚固性能的影响。分析了不同岩体中的应力分布情况。对压力分散型岩锚的优化设计概念进行数值计算验证，并总结了相关的规律。
　　 ⑤结合工程实践，对压力型岩锚和压力分散型岩锚的设计方法和施工构造要点问题进行研究。提出压力型岩锚的优化设计方法，该优化方法反映不同锚固长度对注岩界面峰值剪应力的影响，可使承载力随锚固长度的增长而自动趋于收敛。结合实际工程测量压力型岩锚的预应力损失，分析钢绞线应力松弛的情况和原因。通过梯级布置方案，优化了压力分散型岩锚设计方法。
　　 综上所述，理论分析的公式可以较好地解释弹性阶段试验结果，数值模拟结果与试验结果所反映的规律基本一致，三者互为验证。这说明本文的理论分析合理，模型试验和现场试验结果准确可信，数值模型可以较好地反映实际情况，对压力型岩锚锚固工程的优化设计方法、施工工艺以及相关规范的制订都具有重要的参考价值。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 问题的提出

1.1.1 引言

1.1.2 岩层锚同技术的发展与前瞻

1.1.3 压力型岩锚技术的发展与应用

1.1.4 研究的学术和工程意义

1.2 压力型岩锚锚固机理研究现状综述

1.2.1 压力型岩锚的工作特点

1.2.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要研究内容及思路

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 研究思路

2 压力型岩锚内锚固段及围岩受力分析

2.1 引言

2.2 内锚固段应力分布弹性理论解

2.2.1 基于Kelvin问题的弹性解

2.2.2 理论计算与试验数据的对比分析

2.2.3 岩质条件下的算例和分析

2.3 不同岩土参数对应力分布的影响分析

2.3.1 Ea/E对锚固段应力分布的影响

2.3.2 内摩擦角ψ的影响

2.3.3 泊松比的影响

2.4 内锚固段周围岩体应力场分析

2.4.1 内锚同段周围岩体应力场算法

2.4.2 内锚忙习段周围岩体应力算例

2.5 本章小结

3 压力型岩锚的模型试验研究

3.1 引言

3.2 试验方案设计

3.2.1 试验模拟方案

3.2.2 原材料及物理力学指标

3.2.3 试验方法

3.3 试验结果及分析

3.3.1 压力型岩锚荷载位移特征分析

3.3.2 压力型岩锚与拉力型岩锚极限承载力对比研究

3.3.3 注岩界面的位移延性和残余强度

3.3.4 破坏模式对比分析

3.3.5 压力型锚索与压花锚的锚固性能对比

3.3.6 最优锚固长度和理论算例对比

3.4 本章小结

4 压力型锚索的现场试验研究

4.1 引言

4.2 试验目的

4.3 试验方案设计

4.3.1 试验基本情况和条件

4.3.2 原材料及物理力学参数

4.3.3 试验锚索的制作与安装

4.3.4 试验张拉方法

4.4 压力型锚索锚固性能试验结果与分析

4.4.1 荷载位移测试结果与分析

4.4.2 锚固体轴向径向应变测试结果与分析

4.4.3 应变测试结果的推演分析

4.4.4 理论解与试验结果对比

4.4.5 远端锚固体的破坏判据

4.5 本章小结

5 内锚固段锚固性能的数值模拟研究

5.1 引言

5.2 数值分析使用的本构模型和接触面模型

5.2.1 摩尔库仑(Mohr-Coulomb)屈服准则

5.2.2 接触面模型

5.3 压力型岩锚的三维数值模型

5.3.1 模型采用的单元

5.3.2 模型的建立与处理

5.3.3 几何参数与边界约束

5.3.4 材料物理力学参数和接触面参数

5.4 数值计算结果和分析

5.4.1 应力应变曲线计算值和试验值比较

5.4.2 压力型岩锚应力分布特征

5.5 压力型岩锚锚固特性的参数分析

5.5.1 锚固长度对压力型锚锚同特性的影响

5.5.2 锚孔直径对压力型锚锚固特性的影响

5.5.3 界面摩擦参数对压力型锚锚固特性的影响

5.5.4 不同荷载下锚固体塑性区分析

5.6 锚固段周围岩体的受力特性

5.6.1 不同岩体的内部应力分布分析

5.6.2 不同岩体的塑性区情况分析

5.7 压力分散型岩锚锚固性能的参数分析

5.7.1 承载板间距对锚固性能的影响

5.7.2 承载板数量对锚固性能的影响

5.8 本章小结

6 压力型岩锚的工程应用研究

6.1 引言

6.2 压力型岩锚的设计方法优化

6.2.1 压力型岩锚的注岩界面失效模式

6.2.2 锚固体与围岩界面的峰值剪应力

6.2.3 模拟极限状态的双参数e型曲线

6.2.4 较软岩条件下参数的拟合和算例

6.2.5 对极限承载力的预测和分析

6.2.6 远端锚固注浆体受压承载力分析

6.2.7 压力型岩锚的构造要点

6.3 压力型岩石锚索的工程应用

6.3.1 工程概况

6.3.2 工程地质条件

6.3.3 压力型桩锚挡墙设计与应用

6.3.4 压力型锚索张拉与预应力损失测试

6.4 压力分散型岩石锚索优化和实践

6.4.1 压力分散型锚索的梯级布置法

6.4.2 梯级布置法对锚固性能的影响

6.4.3 压力分散型锚索的施工要点

6.4.4 压力分散型锚索的工程实例

6.5 本章小结

7 主要结论与建议

7.1 主要结论

7.2 进一步研究的建议

致谢

参考文献

附 录

A.作者在攻读学位期间发表的论文目录

B.作者在攻读学位期间取得的科研成果目录