基于偶应力理论的裂隙岩体多种锚固方案分析

摘要

岩体在地质运动中形成大量节理，这极大程度的削弱了岩体的力学性能，给工程施工留下隐患。锚杆加固是一种对原岩扰动小、安全可靠、经济有效的加固技术，不但可以提高岩体的完整性，还有利于发挥岩体介质本身的自承能力，这也使得锚杆加固成为目前加固节理面最有效、最经济的支护方式，但目前的锚杆支护设计理论大多还是依据工程经验来确定的。本文引入Cosserat理论，该理论在传统弹性理论的基础上增加了一个微转动，随之产生的弯曲效应对介质变形特性的影响很好的解释了裂纹尖端附近的弯曲变形及破坏现象。再运用最大周向拉应力断裂准则进行分析，得出裂纹尖端附近的力学参数。本文在前人研究基础上开展了以下研究工作:
　　1.通过Cosserat理论推导出Cosserat理论的控制方程，基于Fortran软件编写Cosserat理论的有限元分析程序;并用悬臂梁弯曲和小孔应力集中问题验证了程序的正确性。
　　2.运用最大周向拉应力准则，分析得出中心含45°斜裂纹板受拉的裂纹开裂角、扩展步长及开裂载荷，在该模型上基础上分析了多种加锚方式，得出不同加固位置的锚固效果，对比分析得出最优锚固效果。
　　结果表明:Cosserat理论下悬臂梁轴线的弯曲挠度值以及小孔的应力集中系数小于经典理论解，且材料内禀长度相比模型结构特征尺寸越大，材料的尺度效应越明显。通过中心含有45°斜裂纹板受拉的开裂角，扩展步长及开裂载荷与经典理论解的对比分析发现，在Cosserat理论中，初始开裂角变小，扩展步长和开裂载荷都受到了偶应力影响。进一步分析了在传统理论及Cosserat理论的多种锚固方案，得到了不同加锚方式对材料力学参数的提高程度的数据，为进一步研究提供了一定的参考价值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题研究的背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 理论研究

1．2．2 数值模拟

1．2．3 试验研究

1．3 cosserat理论在岩土工程中的应用

1．4 本文的主要研究内容

第2章 Cosserat理论

2．1 Cosserat理论的控制方程

2．1．1 平衡方程

2．1．2 几何方程

2．1．3 本构方程

2．1．4 边界条件

2．2 基于Cosserat理论的有限单元法

2．2．1 基于Cosserat理论的变分原理

2．2．2 四节点四边形单元

2．2．3 应力计算及其结果处理

2．2．4 应力坐标转换

2．3 数值算例

2．3．1 悬臂粱弯曲问题

2．3．2 带小孔方板的单向受拉问题

2．4 本章小结

第3章 断裂力学与锚杆加固的基本理论

3．1 断裂力学基本理论

3．1．1 断裂力学的发展

3．2 断裂力学中裂隙的分类

3．1．3 断裂准则

3．3 锚杆锚固的基本理论

3．3．1 锚杆支护理论

3．3．2 锚杆失效类型

3．4 本章小结

第4章 平面斜置裂纹扩展锚固效应分析

4．1 平面裂纹扩展准则

4．2 平面斜置裂纹扩展数值模拟

4．3 平面斜置裂纹加固方案

4．3 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢