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预应力锚索的工作机理及长期有效性评价

张海鹏  
【摘要】:随着中国经济的飞速发展,各类水利水电工程的大量兴建,岩土工程(边坡、地下洞室等)的长期稳定性问题越来越受到人们的重视。预应力锚索是岩土工程加固的主要措施之一,锚固结构的长期有效性往往决定了岩土工程的长期稳定性。水利水电工程一般属于大型工程,其设计使用寿命长达百余年甚至更久远,锚固结构能否在水利水电工程设计使用寿命内正常发挥作用,是目前工程界面临的难题。锚固结构的设计计算理论已较为成熟,但在其长期有效性和长期稳定安全性评价方面的研究工作却较少见。因此,加强锚固结构的长期有效性研究,是一项十分紧迫的工作。 本文以预应力锚索的作用机理为研究基础,以岩土工程(边坡、地下洞室等)为研究对象,对锚固结构进行长期有效性进行研究,以期获得较为符合实际的计算分析和安全评价理论,满足工程实际的需要,更好地为工程建设服务。本文取得的主要结论和成果如下: (1)从工程实际中预应力锚索锚固段黏结应力的非均匀分布特性出发,提出了锚固段黏结剪应力非均匀分布的理想弹塑性模型。一般情况下预应力锚索预应力损失包括两部分:其一是锚索张力锁定后,在较短时间内由于锚索体系的回弹变形、施工与设计等人为因素所造成的预应力损失量(短期);另一部分是预应力锚索在长期荷载作用下,由于灌浆材料的徐变、锚固段周围岩体蠕变以及循环荷载、腐蚀介质等原因造成的预应力损失(长期)。同时研究得出了不同影响因素对预应力损失的影响机理。 (2)通过收集整理多个已建水利水电工程中预应力锚索的张拉力监测数据,研究分析预应力锚索张拉力的变化特点,得出了预应力锚索锚固工程的预应力长期变化规律;揭示了预应力锚固结构运行期张拉力变化呈大循环(大变幅、低频率)周期性组合和小循环(小变幅、高频率)周期性组合的主要特点。 (3)建立循环加载试验模型,研究了循环荷载作用下锚固结构的耐久。结果表明,随着荷载变幅的增大,最终循环次数呈指数形式衰减。 (4)建立室内加速腐蚀试验模型,研究了腐蚀介质作用下锚固结构的耐久性。得出了预应力锚筋在不同的应力水平、材质、时间、PH值等影响因素作用下的单位长度腐蚀量、断面损失率等,同时建立了单位长度腐蚀量与各影响因素之间的关系曲线,并验证了其合理性。 (5)研究了预应力锚索锚固结构失效概率与预应力变化幅度、流变等的关系,建立了预应力锚索锚固结构长期有效的可靠性评价方法。以圆形隧洞的高强预应力锚固结构为研究对象,采用基于改进蒙特卡罗法的MATLAB—ABAQUS联合实现的有限元可靠度计算程序,对圆形隧洞的高强预应力锚固结构的可靠性进行了计算分析和评价,并对锚固体在不同时间流变下失效概率的量值进行了趋势对比分析。结果表明,锚固体失效概率随着围岩体流变时间的增长而逐渐增加,随着预应力变化幅度的提高失效概率迅速减小。


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