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《西南交通大学》 2004年
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预应力锚索作用机理研究

何思明  
【摘要】:预应力锚索能充分发挥岩体的自承潜力,调节和提高岩土的自身强度和自稳能力,减轻支护结构的自重,节约工程材料,并能保证施工的安全与稳定,具有显著的经济和社会效益。已经广泛地应用于铁路工程,公路边坡工程以及水利工程等的滑坡治理、高边坡支护中。 以国内外众多室内模型试验及原位测试资料为基础,构造了一个描述预应力锚索破裂面形状的广义双参数方程,该方程能将常规假设的各种直线型破裂面包括其中。在此基础上,根据极限平衡原理及岩体的Hoek-Brown准则,研究了预应力锚索的极限侧阻力和极限抗拔承载力问题,给出了预应力锚索极限侧阻力的理论计算公式,并提出了一个极值原理,用于求解。最后讨论岩体类型、完整性、无侧限抗压强度、风化程度以及灌浆材料、灌浆压力等因素对预应力锚索破裂面形状、极限侧阻力以及极限抗拔力等的影响。 将现代力学理论—细观力学中有关剪切滞模型的基本原理应用于预应力锚索作用机理研究,并考虑稳定围岩体及灌浆材料的损伤特性。通过定义岩体、灌浆材料的剪切损伤变量,给出了各自的损伤本构方程及相应的损伤演化方程。将其用于对常规剪切滞模型的修正,得到了考虑材料损伤的修正剪切滞模型,并将该模型应用于预应力锚索侧阻力分布规律研究。 根据损伤理论的基本原理,分别定义了岩体剪切损伤变量和灌浆材料的受拉损伤变量;建立了各自相应的损伤演化方程;推导了基于受拉损伤的预应力锚索锚固段荷载传递微分方程,并将岩体剪切损伤理论与常规剪切位移法相结合,研究了预应力锚索锚固段荷载-变位特性。 将预应力(拉力型胶结式)锚索体系分解成两个子系统,即锚固段范围内的稳定围岩体和锚固段本身,再将各子系统进行离散化,并假设各微段上作用有均布侧阻力荷载,将二者分别进行研究。其中稳定岩体部分根据Mindlin应力解计算各微段均布侧阻力荷载下任意点处的应力状态,采用叠加原理计算各部分岩体侧阻力荷载的相互影响,根据修正分层总和法计算任意点处的变形量;而锚固段在各微段均布侧阻力及外加预应力荷载作用下的变形量则根据锚索荷载传递特性按常规杆系结构计算。最后由预应力群锚中各锚索锚固段与相邻岩体之间荷载变位协调关系建立联立方程组,并采用迭代法求解,建立相应的迭代格式,从而能最终获得问题的解答。求解结果包括群锚体系内任意位置处的应力场和位移场,锚固段的侧阻力分布及变形等。 第IV页西南交通大学博士研究生学位论文 在具体分析影响锚索长期荷载下预应力损失因素的基础上,分别研究了钢 绞线的松弛模型、岩体的蠕变模型、灌浆材料的徐变损伤理论以及锚具变形 特性、锚墩基础变形特性。并将这些理论应用于预应力锚索预应力损失的预 测,从而获得了锚索在长期荷载作用下预应力损失的计算公式,并给出了具 体的求解方法,讨论了影响预应力损失的具体参数。从理论上研究了锚索在 长期荷载下预应力损失的机理,对于锚索的设计及工后管理都具有重要意义。 纤维灌浆材料能大幅度提高预应力锚索锚固段的抗拉强度、抗剪强度及 断裂韧性指标;显著地提高预应力锚索在长期荷载作用下的耐久性,因而具 有较好的应用前景。以细观力学的剪切滞模型及Hashin一Shtrikman上下限定理 为基础,研究了纤维灌浆材料力学特性及其在预应力锚索应用中的作用机理: 分析了纤维灌浆材料对胶结面上的抗剪强度、锚固段侧阻力分布规律以及锚 固段荷载变位特性等的影响。以上工作对于认识纤维灌浆材料作用机理,指 导工程应用都具有重要意义。
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