土层锚固体应力分布规律与失效机理的细观力学研究

摘要

岩土锚固是岩土工程领域的一项重要分支技术，几乎涉及到土木、交通、采矿、水利、国防等基础设施工程建设的各个领域。长期以来国内外学者针对岩石锚固系统的应力传递机理做了大量研究工作，并取得了许多被广泛认可的研究成果。但是对于土层锚固系统来说，由于土体特殊的力学特性，其锚固机理和失效模式与岩石锚固系统有很大的差异。目前关于土层锚固系统的研究还相对滞后，土层锚固系统的设计还停留在经验类比法上。随着锚固技术的发展，目前的设计方法已不能满足要求，因此，对土层锚固体的荷载传递机理及其力学效应研究的有着重要的意义。
　　本文通过土层锚固体几何特征的数学描述，并基于自行开发的一套土层锚固体可视化细观力学试验系统，获得了锚固体在受拉拔荷载失效过程中其周边土体的位移场和应变场分布及变化规律。在此基础上，通过理论分析、数值模拟和试验验证等手段，给出了土层锚固体的荷载传递规律和用于数值模拟分析的界面单元，并由此揭示了土层锚固体应力分布规律与失效机理。作为本文成果的应用，以扩径锚固系统为研究对象，采用数字散斑细观力学试验和数值模拟分析的方法，揭示土层扩径锚固体在荷载作用下位移场和应变场的分布规律，在此基础上根据塑性极限分析方法推导出了锚固体扩径段极限承载力的计算公式，并讨论其影响因素。
　　本文的主要研究工作及成果如下：
　　1.通过在原状土中进行宏观拉拔试验，分析不同长度和类型锚杆的失效破坏模式及极限承载能力，获得拉力型锚杆与压力型锚杆在不同试验条件下的失效破坏模式及其对应的极限荷载，分析对比这两类锚杆的失效机理。通过分析荷载-位移曲线，研究土层锚固体受拉拔失效过程的荷载与位移变化规律。
　　2.提出了采用分形几何的方法描述锚固体的几何特征。通过分形维数定量表征锚固体的力学特性。锚固体与土体之间的力学效应受到众多物理性质指标的影响（如土体的级配、密实程度、灌浆体的灰砂比、含砂粒径等等），因此，锚固体的分形指标事实上是这些指标的定量描述。结合大量的试验研究这些物理指标与锚固体表面分形特征的相关性。
　　3.研究开发了一套能够描述锚固体界面轴对称特征的可视化试验装置。通过细观尺度的力学试验，结合数字散斑相关技术获得了锚固体周边土体随荷载加大位移场和应变场的变化和流动规律，并揭示了剪切带的形成演化过程及渐进破坏规律。该试验装置及试验方法的提出，也为岩土工程相似模拟实验提供了一种有效方法。
　　4.根据数字散斑细观力学试验结果，采用与Mohr-Coulomb屈服条件相关联的流动法则推导出了锚固体在拉拔荷载作用下的应力分布解析表达式。在对比理论研究及试验结果的基础上，分析了土层锚固体的剪应力分布规律及其影响因素。
　　5.根据理论分析及试验研究的成果，提出了一种土层锚固体界面复合单元。该单元形式由摩擦接触单元和具有显著体胀效应实体单元复合而成，其中接触单元用于描述锚固体与土体接触面的滑动脱黏的摩擦特性，实体单元用于体现界面层土体的剪胀特性。基于该复合界面单元模型，使用数值分析软件模拟锚固体受拉拔荷载失效过程的应力及位移分布特性，与理论分析及试验研究的结果相互验证。
　　6.将上述研究方法和技术手段扩展应用于土层扩径锚固体的力学特性研究，分析其应力分布规律及失效破坏机理。在此基础上，根据极限分析理论建立了扩径锚固体的力学分析模型，推导出了扩径锚固段极限荷载的计算公式，在此基础上分析了各种参数对极限承载力的影响。
　　本文为锚固理论的研究提供了试验分析和理论研究方法，为土层锚固系统理论研究提供了基础，并为锚固工程的设计及参数的选择提供了理论依据。

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摘 要

ABSTRACT

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Contents

1 绪论

1.1 研究目的与意义

1.2 土层锚固体加固作用分析

1.2.1 土体的特殊力学性质

1.2.2 土层锚固体主要作用形式与分类

1.2.3土层锚固体的锚固作用分析

1.2.4土层锚固体失效破坏模式

1.3 土层锚固技术的应用与研究现状

1.3.1 土层锚固技术的发展及其应用现状

1.3.2 土层锚固系统研究

1.4 土层锚固系统研究存在的问题

1.5 本文主要研究内容与技术路线

1.5.1本文的主要研究内容

1.5.2本文的主要技术路线

1.6 本文主要创新点

2 土层锚固体宏观拉拔试验研究

2.1 土层锚固体宏观拉拔试验方法

2.2 土层锚固体宏观拉拔试验过程

2.2.1 试验方案

2.2.2 试件的制备

2.2.3 拉拔试验过程

2.3 试验结果及其数据分析

2.3.1拉拔失效模式分析

2.3.2 土层锚固体荷载-位移曲线特征

2.3.3 土层锚固体的极限荷载

2.4 本章小结

3 土层锚固体表面轮廓分形特征研究

3.1 引言

3.2 分形几何学理论

3.2.1 分形的概念

3.2.2 分形维数及其计算方法

3.2.3 Weierstrass-Mandelbrot函数的分形曲线

3.2.4 分形理论在岩土工程研究领域的应用

3.3 土层锚固体表面曲线测量试验方法研究

3.3.1 试验装置与试验过程

3.3.2 锚固体表面轮廓分形维数的计算

3.4 考虑不同影响因素的土层锚固体表面分形测量试验研究

3.4.1 试验目的

3.4.2 试验分组及试件的制备

3.4.3 试验结果分析

3.5 本章小结

4 基于数字散斑相关方法的锚固体细观力学试验研究

4.1 数字散斑相关方法（DSCM）简介

4.1.1 数字散斑相关方法原理

4.1.2 数字散斑相关方法在岩土力学领域的应用

4.2 试验系统及试验方案

4.2.1 试验系统及试验装置

4.2.2 试件的制备过程

4.3 试验过程

4.4 试验结果及分析

4.4.1锚固体拉拔的荷载位移特征

4.4.2 锚固体周边的土体变形特征

4.4.3 锚固体周边的土体剪切带的形成

4.4.4 锚固体周边土体的径向变形

4.5 本章小结

5 土层锚固体界面应力分布规律研究

5.1 土层锚固体应力分布的解析解

5.2 土层锚固体应力分布影响因素分析

5.2.1土层的抗力系数对锚固体应力分布的影响

5.2.2土层内摩擦角对锚固体应力分布的影响

5.2.3土层锚固体半径对剪应力分布的影响

5.3 基于土层锚固体表面分形特征的界面力学特性的数值模拟分析

5.3.1锚固体表面分形曲线的重生成

5.3.2 界面力学特性的数值模拟模型

5.3.3 界面力学特性的数值模拟分析

5.4 土层锚固体界面复合界面单元的构建与应用

5.4.1 土层锚固体复合界面单元的建立

5.4.2 基于ANSYS软件的复合界面单元模型应用

5.4.3 复合界面单元应用于锚杆拉拔模拟

5.5 本章小结

6. 土层扩径锚固体应力分布规律及失效机理研究

6.1 引言

6.2 土层扩径锚杆的应用与研究现状

6.2.1 土层扩径锚杆及其应用

6.2.2 土层扩径锚杆承载能力研究进展

6.3 土层扩径锚杆应力传递机理及失效过程细观力学试验

6.3.1 细观力学试验方案

6.3.2试件的制备

6.3.3试验过程

6.3.4试验结果分析

6.4 土层扩径锚杆力学特性数值模拟分析

6.4.1 数值分析模型的建立

6.4.2数值模拟结果分析

6.5 土层扩径锚杆锚固效应塑性极限分析

6.5.1扩径锚固体周边土体相容速度场的构建

6.5.2能量耗散率的计算

6.5.3扩径段极限荷载的计算

6.6 扩径锚固体极限荷载影响因素分析

6.6.1扩径尺寸对锚固体极限荷载的影响

6.6.2土的变形特征对扩径锚固体极限荷载的影响

6.6.3土的强度特征对扩径锚固体极限荷载的影响

6.7 本章小结

7. 结论与展望

7.1 本文主要研究结论

7.2 展望

参考文献

攻读博士期间主要成果

致谢