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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

作　者: 郭钢
导　师: 刘钟
学　校: 中冶集团建筑研究总院
专　业: 岩土工程
关键词: 扩体锚杆扩体锚固段尺寸埋深深径比砂土极限承载力
分类号: TU476
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第1章引言  12-22
  1.1 扩体锚固技术概述  12-14
  1.2 国内外研究现状  14-20
    1.2.1 关于扩体锚杆的研究  14-15
    1.2.2 关于锚定板承受上拔荷载的研究  15-18
    1.2.3 关于扩体锚杆承受上拔荷载的研究  18-19
    1.2.4 关于有限元理论及其数值模拟  19-20
    1.2.5 对于现有研究成果的基本认识  20
  1.3 主要研究内容及创新点  20-22
第2章砂土中扩体锚杆竖向拉拔承载特性模型试验研究  22-53
  2.1 扩体锚杆模型试验的提出  22-23
  2.2 关于模型试验  23-27
    2.2.1 模型试验的相似比  24-26
    2.2.2 扩体锚杆模型试验  26-27
  2.3 扩体锚杆承载特性模型试验  27-34
    2.3.1 试验材料与设备  27-32
    2.3.2 试验方案与实施  32-34
  2.4 试验结果与分析  34-51
    2.4.1 扩体锚杆拉拔荷载-位移曲线  35-40
    2.4.2 扩体锚杆的尺寸效应  40-44
    2.4.3 扩体锚杆的埋深影响  44-47
    2.4.4 扩体锚杆与普通拉力型锚杆承载特性比较  47-48
    2.4.5 扩体锚杆的承载比  48-51
  2.5 本章小结  51-53
第3章砂土中扩体锚杆竖向拉拔破坏模式模型试验研究  53-90
  3.1 问题的提出  53-54
  3.2 数字照相量测技术  54
  3.3 扩体锚杆破坏模式模型试验  54-67
    3.3.1 试验方案  55-56
    3.3.2 试验材料与设备  56-57
    3.3.3 近景数字摄影量测方法与设备  57-59
    3.3.4 试验方法与步骤  59-60
    3.3.5 试验结果与分析  60-67
  3.4 扩体锚杆破坏模式半模型试验  67-89
    3.4.1 试验材料与设备  67-70
    3.4.2 试验方案与实施  70-73
    3.4.3 数字图像处理结果分析  73-78
    3.4.4 扩体锚杆破坏模式分析  78-89
  3.5 本章小结  89-90
第4章扩体锚杆承载特性和破坏模式的数值分析  90-141
  4.1 问题的提出  90
  4.2 有限单元法与有限元分析软件ADINA  90-91
  4.3 对于扩体锚杆模型试验的数值模拟  91-97
    4.3.1 数值模拟材料模型参数  92-93
    4.3.2 扩体锚杆数值模型的尺寸规格  93-95
    4.3.3 对锚-土系统数值模拟的假设  95
    4.3.4 对于扩体锚杆模型试验的数值模拟方案  95-97
  4.4 扩体锚杆承载特性模拟结果与分析  97-114
    4.4.1 Q-S曲线的数值模拟结果与模型试验结果对比  97-102
    4.4.2 扩体锚杆Q-S数值模拟特征曲线  102-104
    4.4.3 扩体锚杆数值模型尺寸和埋深效应分析  104-110
    4.4.4 地基土参数对扩体锚杆承载特性的影响分析  110-114
  4.5 扩体锚杆破坏模式模拟结果与分析  114-139
    4.5.1 扩体锚杆破坏模式数值模拟方案  115-116
    4.5.2 扩体锚杆拉拔过程中塑性区和破坏体的发展变化形态  116-139
  4.6 本章小结  139-141
第5章结论与建议  141-145
  5.1 主要研究结论  141-144
    5.1.1 文献调研工作  141-142
    5.1.2 扩体锚杆承载特性研究结果  142-143
    5.1.3 扩体锚杆破坏模式研究结果  143-144
  5.2 进一步研究的建议  144-145
参考文献  145-149
致谢  149

扩体锚杆承载特性与破坏模式模型试验与数值模拟研究

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