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锚土界面性能测试方法与锚杆非线性受力变形特性分析

梁冠亭  
【摘要】:随着国家大规模基础设施建设的持续和中国建筑行业走向国际市场的需要,锚固工程的发展日新月异,而锚杆的受力变形特性研究必将贯彻始终。然而,现阶段锚杆的理论研究还未达到完善的地步,相应的计算分析方法与实际情况并不十分一致,给工程相关的设计和施工带来了一定困难。因此,本文在国家自然科学基金《残坡积土边坡锚固系统水稳性与时变可靠性分析》(50878082)的支持下,对锚土界面性能测试方法与锚杆非线性受力变形特性展开了比较系统、深入的研究工作,以期为相关理论分析与工程建设提供一定指导和帮助。首先,考虑到目前仍缺乏专门的锚土界面性能测试装置与方法,基于微元法的受力分析理念,自行研发并制作了一整套包括击实、制样和拉拔等过程在内的锚土界面剪切测试装置,使用该装置进行了4批次的试验,证实了该装置对锚土界面性能测试的可行性和可靠性,得到了界面峰值剪切强度与界面剪切速率和界面峰值剪切强度与锚固体养护龄期之间的关系,并基于试验结果拟合出吻合度良好的3种不同表达形式的锚土界面τ-s全过程本构关系模型。其次,考虑不同含水量和不同浸泡时间两种水作用形式的影响,开展了坡积土的三轴压缩试验,运用Kriging预测模型对三轴试验的应力-应变曲线进行了插值预测,进而实施了不同含水量下的锚土界面剪切试验,回归分析了界面峰值剪切强度与含水量之间的关系,进而又基于均匀试验设计原理,将土体的含水量和干密度作为两个考虑因素,测定了其对界面峰值剪切强度的影响大小,分别基于Kriging预测方法和回归分析方法建立了界面峰值剪切强度与土体含水量和干密度之间的关系。再次,开展了锚杆室内大比例模型试验,通过对3根模型锚杆进行不同加载方式和不同约束条件下的拉拔,得到了对应情况下的荷载-位移曲线,详细讨论分析3根锚杆荷载-位移曲线的异同,并对不同加载方式和不同约束条件下锚杆的轴力和剪应力沿锚杆长度方向的分布规律进行了深入的分析研究,在工程应用中应加强对等速拉拔的锚杆其拉拔荷载出现下降现象的关注。然后,结合简单非线性界面模型和考虑残余强度非线性界面模型,基于荷载传递法并引入幂级数求解方法,推导了锚杆沿全长的位移、轴力和剪应力分布规律的半解析解,通过实例验证了理论推导的可靠性和合理性,并着重运用考虑残余强度非线性界面模型探讨了界面模型峰值点位置、锚固体模量、锚固体长度以及界面残余强度等因素对锚杆受力变形特性的影响。最后,引入4种不同界面剪切模型,并基于荷载传递法和传递矩阵法,针对层状地基中的锚杆进行了受力变形的分析计算,导出了锚杆各点在不同土层不同受力阶段下的位移、轴力和剪应力表达式,通过工程实例检验了该方法的可行性;基于剪切位移法,考虑注浆等作用因素对周边土体的加固效应及其导致土体剪切模量提高,再假设提高后的土体剪切模量以线性、抛物线和指数3种分布方式沿径向衰减至土体自然状态下的剪切模量,探讨了剪切模量沿径向不同分布下引起的锚杆受力变形变化情况,结果表明剪切模量的提高将会减少锚杆锚头的位移量。


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