加锚结构面剪切特性及锚固岩体综合力学模型研究

摘要

目前，预应力锚固技术已经成为岩土工程中最常见的技术手段。从上世纪30年代起，伴随着几十年国内外大型岩土工程建设与相关技术发展，预应力锚固技术在高边坡加固中得到了广泛应用，其在结构设计、施工工艺、后期监测及加固机理研究等方面取得了若干重要成果。但由于岩体本身的复杂性和多样性，其力学性质是与其形成背景、地质构造作用历史、赋存环境以及工程设计等各种条件密切相关的，导致目前的锚固机理及分析方法还不够完善，对工程设计与评价方法指导性不足，成为制约该技术发展的一个重要瓶颈问题。
　　 在总结前人所取得的研究成果基础上，结合理论分析、物理模型试验及数值分析，开展加锚结构面剪切力学性能与锚固节理岩体综合力学模型建立方面的研究，一方面对于锚固技术发展、工程应用等方面有重要的意义，另外也为目前国家基础工程建设中的相关问题的解决提供重要的技术支持。
　　 结合前人相关研究成果，本文主要进行了以下几个方面的研究:
　　 (1)锚固结构面剪切力学特性分析。通过系统对以往岩体结构面的剪切力学行为的总结与归纳，定量地分析了预应力锚索在结构面剪切变形作用下的轴力增量、抗剪力以及预应力对结构面抗剪强度的贡献，并提出了锚固结构面的当量抗剪强度计算公式，并在此基础上推导了锚固结构面的等效抗剪强度参数计算公式。基于理论分析与模型试验，分析了锚索屈服强度、锚索弹性模量、岩块（砂浆）抗压强度、剪胀角等因素对锚固结构面抗剪强度特性的影响;
　　 (2)锚固结构面的室内模型试验研究。在锚固结构面剪切力学特性的分析成果基础上，对平直型结构面与起伏状结构面锚固前后的剪切破坏行为进行了室内模型试验。通过模型试验，总结了不同类型锚固结构面在不同应力条件下的剪切破坏模式;另外，通过模型试验对不同锚固作用下的结构面剪切强度进行了研究，验证了推导的锚固结构面当量抗剪强度计算公式的合理性;并结合模型试验，对预应力锚索的锚固角、锚索材料及结构面特性对锚索效用发挥进行了讨论;
　　 (3)锚固结构面剪切破坏过程的数值模拟。以室内模型试验为基础，建立平直型结构面与起伏状结构面的锚固力学模型，采用动力显示分析方法进行不同条件下的锚固结构面的细观力学行为进行研究，主要包括剪切过程中结构面应力分布、等效塑形应变分布、锚索受力及变形分析、结构面法向位移、抗剪强度特性等方面。结合室内模型试验成果，进一步总结归纳了预应力锚索对结构面的锚固作用规律;
　　 (4)结合预应力锚固机理分析，基于复合材料细观力学中Eshelby理论，将锚固节理岩体看作是单向增强的复合材料，提出了锚固节理岩体的综合力学模型，并推导了锚固节理岩体力学模型中各弹性常数的计算方法。并结合断裂力学等理论，对锚固节理岩体在沿锚索轴向受拉作用下的稳态开裂问题进行了探讨，提出了锚固节理岩体在轴向拉力作用下的开裂临界应力计算方法;
　　 (5)工程应用与分析。综合以上研究成果，以锦屏一级水电站左岸高边坡施工过程中的块体稳定分析为工程实例，提出了锚固结构面稳定分析时的等效抗剪强度分析方法，并通过工程实例应用可知，该方法较计算中仅考虑预应力作用时得到的安全系数要更加合理。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 预应力锚固机理现状

1．2．1 概述

1．2．2 预应力锚固理论分析现状

1．2．3 锚固机理物理模型试验研究

1．2．4 国内外锚固机理的数值模拟分析

1．2．5 小结

1．3 本论文主要研究内容

1．4 主要研究技术路线

1．5 主要创新点

第2章 结构面剪切力学行为分析研究

2．1 引言

2．2 结构面的力学行为研究

2．2．1 平直无充填结构面的力学行为

2．2．2 不规则无充填起伏结构面的力学行为分析

2．3 锚固结构面剪切破坏力学行为分析研究

2．3．1 锚固结构面剪切变形分析

2．3．2 锚固结构面抗剪强度分析

2．3．3 基于锚索变形分析的锚索轴力与剪力计算

2．3．4 讨论

2．4 小结

第3章 结构面锚固剪切模型试验研究

3．1 概述

3．2 模型试验方案

3．2．1 模型试验原理

3．2．2 模型试验方案确定

3．3 平直结构面锚固模型试验成果分析

3．3．1 无锚平直结构面岩体模型试验成果

3．3．2 不同加固措施下的平直结构面力学特性

3．3．3 结构面中预应力锚索模拟材料变形特性

3．4 起伏状结构面试验结果分析

3．4．1 无加固节理岩体剪切试验结果

3．4．2 预应力锚索加固节理岩体剪切试验结果

3．5 讨论

3．5．1 平直结构面试验结果分析

3．5．2 起伏结构面试验结果分析

3．5．3 预应力锚索对结构面抗剪强度参数的影响

3．5．4 预应力锚索对结构面刚度的影响

3．5．5 预应力锚索加固结构面的锚固角分析

3．5．6 锚索材料特性与结构面力学特性对锚索效用发挥的影响

3．6 小结

第4章 结构面锚固剪切力学行为数值模拟分析

4．1 概述

4．2 数值分析中锚杆模拟方法的比较

4．3 数值模拟分析原理简介

4．3．1 动力显式算法简介

4．3．2 接触面设置原理

4．3．3 材料破坏准则

4．4 数值模拟方法验证

4．4．1 引言

4．4．2 数值方法验证算例

4．4．3 验证分析

4．5 锚固平直结构面剪切过程数值模拟分析

4．5．1 数值计算模型

4．5．2 数值计算边界条件与计算方案

4．5．3 数值计算结果分析

4．6 锚固起伏节理剪切过程数值模拟分析

4．6．1 数值计算模型

4．5．2 数值计算边界条件与计算方案

4．6．3 数值计算结果分析

4．7 物理模型试验与数值计算分析成果对比分析

4．8 小结

第5章 锚固节理岩体力学模型建立与探讨

5．1 前言

5．2 预应力锚索锚固机理分析

5．2．1 预应力锚索的锚固机理分析

5．2．2 锚固节理岩体应力应变关系分析

5．3 锚固节理岩体力学模型

5．3．1 加锚节理岩体细观等效力学模型建立的假设

5．3．2 Eshelby张量简要介绍

5．3．3 基于Mori-Tanaka方法的节理锚固岩体的等效力学模型的建立

5．4 锚固节理岩体等效力学模型的验证

5．4．1 概述

5．4．2 不同锚固密度条件下的锚固岩体力学性质模型试验

5．4．3 基于Mori-Tanaka方法的节理岩体力学模型计算结果

5．5 加锚节理岩体断裂模型的探讨

5．5．1 引言

5．5．2 锚固节理岩体稳态开裂应力计算公式的推导

5．6 小结

第6章 工程实例应用与分析

6．1 前言

6．2 锚固结构面等效抗剪强度参数确定方法

6．3 锦屏一级水电站左岸边坡稳定分析

6．3．1 工程概况

6．3．2 左岸边坡工程地质条件

5．3．3 主要存在问题

6．3．4 计算工况与参数取值

6．3．5 边坡锚索支护参数

6．3．6 两种方法计算结果分析

6．4 小结

第7章 主要结论与展望

7．1 主要结论

7．2 展望

参考文献

攻读博士期间发表论文及所取得的成果

致谢