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扩体锚杆承载特性与破坏模式模型试验与数值模拟研究

郭钢  
【摘要】:扩体锚杆是近年来国际上兴起的一种新型锚杆。工程实践表明,与普通拉力型锚杆相比,扩体锚杆具有承载力高、成本低、经济环保、安全高效等优点,这些优点使其日益受到国内外岩土工程界的关注。随着我国工程建设规模不断扩大,高承载力锚杆需求不断增加,扩体锚杆的工程应用量越来越大。然而到目前为止,无论是扩体锚杆工程实测资料的积累,还是其承载变形特性、破坏机理、设计理论和方法等研究还不多见,人们对扩体锚杆的认识还不够深入和全面,研究工作仍处于探索阶段。因此,有必要对扩体锚杆的工作性态进行系统的研究。本文运用模型试验、数值模拟和理论分析等综合手段,较为系统地研究了扩体锚杆的承载变形特性、破坏模式等工作性态,研究成果具有一定的学术和工程应用价值。本文的研究内容主要包括以下几个方面: 1)采用模型试验的方法,研究了砂土中竖向拉拔扩体锚杆的承载变形特性。经分析发现,根据深径比的不同,具有圆柱形扩体锚固段的扩体锚杆可以分为深埋、浅埋和过渡型三种形式。其中深埋扩体锚杆的荷载-位移曲线表现为单调上升趋势,是工程应用中最重要的扩体锚杆形式。在试验研究成果的基础上,进一步分析了具有圆柱形扩体锚固段的扩体锚杆极限承载力的多个影响因素,并发现扩体锚固段直径因素对扩体锚杆极限承载力的影响最大。此外,根据扩体锚杆的几何尺寸和承载力实测数据,提出了锚杆承载比的新概念,并应用这一新概念对扩体锚杆的经济效益进行了分析。 2)利用半模型与全模型试验相结合的手段研究了砂土中竖向拉拔条件下具有圆柱形扩体锚固段的扩体锚杆的破坏模式,发现了深埋扩体锚杆的破坏模式属于局部剪切破坏,其锚周破坏体的形态表现为“气球形”,浅埋扩体锚杆和过渡型扩体锚杆的破坏模式均属于整体剪切破坏,其拉拔破坏体的形态分别为“倒钟形”和“花瓶形”。此外,提出了以破坏体几何形态和位置划分扩体锚杆类型的判据。在此基础上,进一步论证了工程应用中采用深埋扩体锚杆的必要性。 3)在模型试验基础上,应用数值模拟方法对具有圆柱形扩体锚固段的扩体锚杆承载特性、锚周破坏体形态和塑性区发展特点的影响因素进行了研究。依据数值模拟分析结果,发现数值模拟方法得到的扩体锚杆承载特性和破坏模式与模型试验获取的相关结果基本一致。此外,通过数值模拟方法,研究了地基土的粘聚力与内摩擦角参数对扩体锚杆性能的影响,并且发现随着地基土的粘聚力和内摩擦角的增大,扩体锚杆极限承载力会提高,锚周土体的塑性区发展和破坏体形态都有所不同。 在以上研究内容的基础上获得了以下研究成果: 1)在大量试验与模拟数据基础上,首次发现了根据深径比的不同扩体锚杆可以分为深埋、浅埋及过渡型三种形式,并且在工程应用中应采用深埋扩体锚杆; 2)基于模型试验和数值模拟分析结果,首次发现了深埋扩体锚杆荷载-位移曲线的单调上升特性; 3)将扩体锚杆的承载力、体积与其经济效益相联系,首次提出了扩体锚杆承载比的概念,并且运用这个概念对扩体锚杆与普通拉力型锚杆的材料经济效益进行了分析。


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