拉壓復(fù)合型錨桿的錨固機(jī)理及設(shè)計方法研究

針對新型拉壓復(fù)合型錨桿，假定錨固體與巖土體之間的剪應(yīng)力呈三角形分布，對其錨固機(jī)理進(jìn)行了研究。推導(dǎo)得出了拉壓復(fù)合型錨桿的抗拔承載力計算公式，及其與拉力型錨桿抗拔承載力之比N。對承載比N值的曲線分析結(jié)果表明：N隨錨固段長度的增加而增加，當(dāng)錨固段長度系數(shù)k1 =2.0時，N達(dá)到最大值2.0；N整體隨承壓錨固段長度系數(shù)k2呈碟碗形對稱分布，且隨k2的增加而先增加后減小，并在k2=0.5時最大；當(dāng)k1≥2.0時，N的最大值不再隨錨固段長度增加而繼續(xù)增加，但是滿足N達(dá)到最大值的k2取值區(qū)間變大。對比拉壓復(fù)合型錨桿室內(nèi)試驗成果，本文推導(dǎo)的承載比計算值與試驗值吻合較好。在相同錨固段長度下，拉壓復(fù)合型錨桿抗拔承載力可達(dá)拉力型錨桿2.0倍，具有良好的工程應(yīng)用前景。 通過對傳統(tǒng)拉力型錨桿及拉壓復(fù)合型錨桿開展靜力加載試驗，研究了不同錨桿的極限抗拔承載力及其特性。研究結(jié)果表明：拉壓復(fù)合型錨桿的荷載位移曲線可分為加載上升段，峰后下降段及殘余穩(wěn)定段三個階段；拉壓復(fù)合型錨桿的極限抗拔承載力比拉力型錨桿有顯著提高，最高達(dá)2.61倍，且當(dāng)拉壓長度比為1:2和2:1時，極限抗拔承載力提高十分顯著；拉壓復(fù)合型錨桿的殘余抗拔承載力水平較高且穩(wěn)定性較好。本文研究成果對拉壓復(fù)合型錨桿的進(jìn)一步研究及工程應(yīng)用具有很好的參考價值。

錨桿作為錨固工程的核心組成部分，在國家基本建設(shè)中發(fā)揮著重要作用。針對荷載集中型錨桿巖土體與灌漿體界面的應(yīng)力集中容易引起界面剪應(yīng)力軟化，導(dǎo)致漸進(jìn)式破壞，以及荷載分散型錨桿結(jié)構(gòu)復(fù)雜和施工繁瑣的問題。提出了一種新型拉壓復(fù)合錨桿，它具有界面剪應(yīng)力分布均勻，承載力高，造價低，施工便捷等優(yōu)點。為此，本項目擬通過數(shù)值模擬、模型試驗、理論研究和工程應(yīng)用相結(jié)合的研究方法，系統(tǒng)地研究拉壓復(fù)合型錨桿的錨固機(jī)理及設(shè)計方法。主要研究內(nèi)容包括不同參數(shù)對巖土體與錨固體界面力學(xué)性能的影響；建立界面剪應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系模型；基于承壓錨固段與受拉錨固段的變形協(xié)調(diào)，建立拉壓承載比的計算方法；研究不同參數(shù)對拉壓復(fù)合錨桿破壞模式的影響，建立不同破壞模式的判別方法；結(jié)合對比試驗及原位測試研究結(jié)果，提出一套完整的拉壓復(fù)合錨桿設(shè)計計算方法。為拉壓復(fù)合錨桿的推廣和應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

本項目基于損傷與斷裂力學(xué)理論，結(jié)合文獻(xiàn)調(diào)研以及前期研究成果，采用雙剪模型試驗、離心模型試驗以及數(shù)值解析對拉剪耦合作用下竹筋復(fù)合錨桿的錨固性能進(jìn)行系統(tǒng)研究。揭示竹筋復(fù)合錨桿在不同安設(shè)角度、不同錨固長度、不同錨固層數(shù)、不同抗彎剛度等條件下錨固系統(tǒng)的荷載-位移關(guān)系、破壞模式、應(yīng)力應(yīng)變分布及演化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，對比分析復(fù)合錨桿各組成材料及錨固系統(tǒng)各界面的軸向應(yīng)力/應(yīng)變、彎矩、界面剪應(yīng)力等隨荷載變化的演化規(guī)律與特征，且通過與只考慮軸向加固作用的普通錨桿對比分析，得出竹筋復(fù)合錨桿的抗彎剪作用對邊坡穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)。最后，以某工程實際邊坡為例，采用強(qiáng)度折減有限元法，對其錨固前、后的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析對比，探討了竹筋復(fù)合錨桿對邊坡穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)。研究結(jié)果對竹筋復(fù)合錨桿的設(shè)計計算及施工優(yōu)化具有重要的基礎(chǔ)理論意義，同時對其他類型錨桿的錨固機(jī)理研究也具有借鑒意義。主要結(jié)論如下： （1）結(jié)合荷載-位移關(guān)系曲線特征，安設(shè)角度為 0°的復(fù)合錨桿錨固系統(tǒng)所提供的承載力最大，且隨著安設(shè)角度的增大， 承載力逐漸降低。 破壞方式主要表現(xiàn)為復(fù)合錨桿的剪切破壞。 （2）復(fù)合錨桿彎矩集中分布在結(jié)構(gòu)面附近，兩邊錨固段彎矩為負(fù)值，體現(xiàn)為向上凸起，中間自由段彎矩為正值，體現(xiàn)為向下凸起。 （3）隨著荷載的增大，復(fù)合錨桿軸向應(yīng)力逐漸升高，影響范圍逐漸變大；剪應(yīng)力逐漸升高，且剪應(yīng)力峰值逐漸向錨固端移動。 （4）通過對比不同抗彎剛度錨桿錨固作用下邊坡的變形破壞特征，抗彎剛度較大的錨桿可明顯增大邊坡的穩(wěn)定性能，從而表明考慮錨桿的抗彎性能是必要的。 （5）通過對比不同錨固層數(shù)條件下的邊坡變形破壞特征，2層有機(jī)玻璃錨桿布置能夠承受更大的荷載，且其破壞方式表現(xiàn)為自上而下漸進(jìn)破壞。 （6）提出了復(fù)合錨桿的軸向位移和切向位移的變形理論，通過該理論獲得了負(fù)荷-位移曲線中的兩個特征點對應(yīng)的軸向位移和切向位移的理論解。 2100433B

1.錨桿結(jié)構(gòu)

水力膨脹式錨桿是由外徑大于鉆孔直徑的無縫鋼管加工而成的，雙層異型管狀桿體，由端套、異型管桿體、擋圈、注水管、托盤等配套組成。

2.錨固機(jī)理

將錨桿安裝在錨孔中并注入高壓水，水壓超過管壁材料的彈性極限后，桿體隨著錨桿孔的幾何形狀產(chǎn)生永久性塑性膨脹變形，使其牢牢鑲嵌在圍巖中，產(chǎn)生極大的摩擦力；另外在桿體膨脹時，錨桿給周圍巖體以較大的壓力，迫使圍巖產(chǎn)生應(yīng)變，增加圍巖的應(yīng)力，反過來圍巖對錨桿體也產(chǎn)生相應(yīng)擠壓應(yīng)力，且水力膨脹式錨桿在充水膨脹過程中，因其直徑由細(xì)變粗，沿縱向有一定的收縮量，使錨桿的托盤緊緊地壓向圍巖表面，產(chǎn)生向上的支承力，從而實現(xiàn)對圍巖施加預(yù)應(yīng)力 。

我國正面臨大量土遺址保護(hù)與加固問題，錨固是解決該問題的一種有效途徑。竹筋復(fù)合錨桿因其良好的應(yīng)變協(xié)調(diào)能力、高承載力、抗腐蝕性強(qiáng)以及造價低廉等特點，在土遺址保護(hù)和加固工程中具有極大的應(yīng)用潛力。該類錨桿在土遺址土體錨固過程中承受拉力與剪力共同作用，但目前對竹筋復(fù)合錨桿在拉剪耦合作用下的錨固性能、應(yīng)力分布特征、破壞模式等問題尚缺乏科學(xué)認(rèn)識，已成為制約該類錨桿推廣應(yīng)用的主要瓶頸。本課題擬基于損傷與斷裂力學(xué)理論，綜合采用離心模型試驗、數(shù)值模擬和理論分析等手段，對拉剪耦合作用下竹筋復(fù)合錨桿的錨固性能、變形特征與破壞模式進(jìn)行系統(tǒng)研究，建立可考慮界面損傷斷裂的數(shù)值分析方法，探討不同錨桿安設(shè)角度、錨固長度、錨桿剛度、錨固層數(shù)與間距以及不同粗糙度結(jié)構(gòu)面等因素對竹筋復(fù)合錨桿拉剪耦合錨固性能的影響，確定竹筋復(fù)合錨桿的最優(yōu)布設(shè)方式，揭示竹筋復(fù)合錨桿的錨固機(jī)理及演化規(guī)律，為竹筋復(fù)合錨桿的設(shè)計計算及施工優(yōu)化提供理論依據(jù)。