浮力作用下底板-GFRP抗浮锚杆体系数值模拟

摘要

GFRP抗浮锚杆包括基础底板中的外锚固段和岩土体中的内锚固段，实际上是一种新型的复合材料抗浮锚杆体系。与钢筋抗浮锚杆体系相比，GFRP抗浮锚杆本身的弹性模量和抗剪强度低，两者的应力分布必有不同。GFRP抗浮锚杆在受到浮力作用时的机理有待进一步的研究和对比分析。本文通过Abaqus软件进行了一系列数值模拟计算与对比分析，进一步揭示了GFRP抗浮锚杆体系的应力应变分布规律。主要工作和研究如下：
　　1、通过建立空间轴对称模型，对不同长度（420 mm和840 mm）的直筋锚固于混凝土底板的GFRP抗浮锚杆进行数值分析，研究了GFRP锚杆在混凝土底板中的应力分布规律，并将模拟的粘结-滑移结果与试验结果进行对比。分析结果表明:
　　(1)在低水平荷载下，杆体轴应力服从负指数分布，且轴应力随荷载的增加而变大;在高水平荷载下，最大轴应力范围有扩大的趋势。
　　(2)锚杆剪应力在较低水平荷载时，服从负指数分布;随着荷载增加，剪应力出现峰值，且不断增大并向深处移动，且杆端一侧剪应力有逐渐变小的趋势。
　　2、对于GFRP抗浮锚杆锚固于中风化花岗岩中的特性，基于已有的现场拉拔试验，建立了不同锚固长度（3m和5m）的空间轴对称模型，并进行数值计算，得到了两种锚固长度下的GFRP锚杆的应力分布规律、锚固砂浆的应力分布，以及对周围岩体的影响，总结分析了其规律和特征，并将两种锚固长度的GFRP抗浮锚杆进行对比分析，进一步揭示了内锚固段的锚固特性。分析结果表明:
　　(1)轴应力沿深度方向不断减小，随着荷载增加，轴应力增加，且随深度增加，幅度减小;剪应力峰值随荷载增加而增大，且逐渐向深处移动。
　　(2)同等荷载水平下，锚固长度越大，轴应力传递深度越小;锚固长度越小，剪应力峰值越大，且离孔口越近。
　　3、基于已有现场拉拔试验的结果，对直径为28 mm、锚固长度为3m的钢筋抗浮锚杆进行数值模拟，得到其锚固于中风化花岗岩中的锚杆应力分布规律、锚固砂浆的应力分布，以及对周围岩体的影响，并将其与相同直径和锚固长度的GFRP抗浮锚杆进行对比分析，揭示出了两种材料锚杆应力分布规律的异同，以及锚杆刚度对应力分布的影响。分析结果表明:
　　(1)相同条件下，锚固长度为3m的同等直径的钢筋与GFRP抗浮锚杆的轴应力和剪应力分布呈现出近似一致的规律。
　　(2)同等条件下，锚杆的弹性模量越大，轴应力应力传递深度越大，剪应力峰值越小，应力分布越均匀。
　　4、首次对底板-GFRP抗浮锚杆体系进行整体的数值模拟，建立了空间轴对称有限元模型，并对混凝土底板施加不同的地下水浮力，得到该体系的位移、应力分布规律，分析结果表明:
　　(1)在不考虑混凝土与岩体的粘结作用时，内锚固段和外锚固段遵循各自的应力分布规律;杆体轴应力在底板和岩体的交界面出现峰值，杆体剪应力存在两个峰值点。
　　(2)底板-GFRP抗浮锚杆体系的位移主要由内锚固段产生，相比之下，外锚固段的滑移量较小。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 GFRP抗浮锚杆简介

1．2．1 GFRP锚杆的材料特性

1．2．2 GFRP锚杆的制作

1．2．3 GFRP抗浮锚杆的优势

1．3 研究现状

1．3．1 GFRP锚杆研究现状

1．3．2 GFRP抗浮锚杆的研究现状

1．3．3 抗浮锚杆的数值模拟研究现状

1．3．4 现阶段抗浮锚杆的设计计算

1．4 GFI冲抗浮锚杆研究中存在的问题

1．5 本文研究的主要内容

第2章 GFRP抗浮锚杆锚固机理

2．1 概述

2．2 GFRP抗浮锚杆内锚固机理

2．2．1 内锚固段受力状态分析

2．2．2 破坏形式

2．2．3 GFRP筋与水泥砂浆粘结性能的影响因素

2．3 GFI冲抗浮锚杆外锚固机理

2．3．1 GFRP抗浮锚杆与混凝土的τ-s本构模型

2．3．2 GFRP筋与混凝土粘结性能的影响因素

2．3．3 破坏形式

2．4 本章小结

第3章 GFRP抗浮锚杆数值模拟分析

3．1 概述

3．2 Abaqus软件简介

3．3 基于Cohesive单元模拟界面的思路

3．3．1 Cohesive单元本构模型

3．3．2 Cohesive界面损伤准则

3．3．3 定义界面损伤

3．3．4 界面损伤演化

3．4 GFI冲抗浮锚杆外锚固段数值模拟

3．4．1 锚杆对拉试验简介

3．4．2 外锚固段的数值模拟过程

3．4．3 模拟结果分析与讨论

3．5 GFI冲抗浮锚杆内锚固段数值模拟

3．5．1 GFRP抗浮锚杆现场拉拔试验简介

3．5．2 数值模拟过程

3．5．3 初始地应力平衡

3．5．4 模拟结果分析

3．6 本章小结

第4章 GFRP抗浮锚杆对比数值分析

4．1 概述

4．2 GFRP抗浮锚杆数值分析

4．2．1 试验简介

4．2．2 数值模拟过程

4．2．3 初始地应力平衡

4．2．4 数值模拟结果分析

4．3 钢筋抗浮锚杆数值分析

4．3．1 试验简介

4．3．2 数值模拟过程

4．3．3 初始地应力平衡

4．3．4 结果分析

4．4 两种筋材锚杆的数值对比分析

4．4．1 轴应力分布对比

4．4．2 剪应力分布对比

4．5 两种锚固长度的GFRP抗浮锚杆应力分布对比

4．5．1 概述

4．5．2 轴应力对比分析

4．5．3 剪应力对比分析

4．6 本章小结

第5章 GFRP抗浮锚杆体系数值模拟与分析

5．1 概述

5．2 抗浮锚杆体系数值模型

5．2．1 模型的建立

5．2．2 地应力平衡

5．3 数值结果分析

5．3．1 荷载为200 kN时的结果分析

5．3．2 地下水位深5m时的结果分析

5．3．3 地下水位深10m时的结果分析

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 本文研究的主要结论

6．2 研究中存在的问题

6．3 进一步研究的建议

参考文献

攻读硕士学位期间论文发表及科研情况

致谢