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锚杆内锚固段锚固特性及软岩锚固结构研究

作　者: 张爱民
导　师: 胡毅夫；张栋材
学　校: 中南大学
专　业: 采矿工程
关键词: 内锚固段软岩预应力锚杆结构优化室内物理试验
分类号: TU45
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

锚固工程是岩土工程领域中非常重要的分支,而锚杆内锚固段锚固特性研究是锚固工程中的核心问题之一。本文采用弹性力学模型和剪滞-脱粘模型对锚杆的内锚固段锚固特性进行了研究,基于软岩的锚固特性设计出新型的内锚固段结构,并通过室内物理结构特性试验和数值模拟试验验证其锚固特性。主要有以下几个方面的内容:1、运用弹性理论空间模型,对拉力型、压力型预应力锚杆内锚固段剪应力沿长度方向的分布规律进行模型研究,得出两种锚杆内锚固段外界面上的剪应力分布都不是均匀分布,其剪应力峰值点都不是在端点位置。拉力型锚杆剪应力峰值发生在距锚固段起点10cm左右,而压力型锚杆剪应力峰值发生在承载板附近。2、分析预应力影响周边岩土体质点位移变化时发现,拉力型锚杆预应力在岩土体中的分布是以杆体轴线为对称轴,以锚固段顶部为界面,呈半圆形向四周空间传递。而压力型锚杆是以承载板为中心,呈现似“U”形向四周波形传播。3、建立锚杆外界面滑移-脱粘模型,对其变形—破坏过程的力学分析得出:锚固段从加载到变形破坏可分为弹性变形、塑性滑移变形、脱粘变形三个阶段;根据静力平衡方程结合Coulomb屈服条件及非关联的流动法则,推导出了锚注段外界面上的位移微分方程,并求解出锚注段其三个阶段的剪应力表达式;4、考虑外界面剪滞-脱粘破坏过程,提出了锚杆内锚固段长度的确定方法:当施加的预应力P₀小于最大预应力P_max时,界面处于弹性变形阶段,可采用已建立的弹性公式求解;当施加的预应力P₀大于最大预应力P_max时,界面处于三种变形阶段,可以根据等积分法确定其锚固段长度。5、基于软岩的锚固特性,结合岩层控制的关键层理论和组合梁协调变形的思想,提出对软岩锚固作用机理描述的内外锚固墙理论。将结构工程中的底部锥形结构引入到岩土锚固工程中,设计出底部为锥形的压力型锚杆。6、通过软岩相似试验、室内物理试验及数值模拟,得出压力型锚杆与锥形锚杆的位移均从孔底向孔口渐进式传递,而拉力型锚杆则相反,由孔口向孔底扩展;比较锚杆拉拔过程的应力矢量图或位移矢量图可以发现,锥形锚杆的锥形结构对应力的方向有分散作用,但分散的作用范围有限。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第1章绪论  11-25
  1.1 课题研究的意义  11-12
  1.2 锚固特性的研究现状  12-23
    1.2.1 锚杆加固机理的研究现状  12-16
    1.2.2 锚杆内锚固段结构的研究现状  16-19
    1.2.3 内锚固段界面应力分布的研究现状  19-21
    1.2.4 预应力在岩土体中的分布规律研究现状  21-23
  1.3 本文主要研究内容和技术路线  23-25
第2章锚杆内锚固段荷载传递的弹性力学基础  25-33
  2.1 引言  25
  2.2 荷载传递的弹性力学基础  25-32
    2.2.1 弹性力学的位移通解  25-26
    2.2.2 半无限体内一点受集中力作用的位移及应力的解  26-27
    2.2.3 空间半无限体表面受法向集中力作用的位移及应力的解  27-29
    2.2.4 半无限体柱状孔洞内受集中力作用的位移及应力的解  29-30
    2.2.5 半无限体柱状孔洞内受均布压力作用的位移及应力的解  30-32
  2.3 本章小结  32-33
第3章预应力锚杆内锚固段的应力分布规律及分析  33-57
  3.1 引言  33
  3.2 岩土锚杆的类型和特征  33-37
    3.2.1 集中锚固类锚杆和全长锚固类锚杆  33-34
    3.2.2 机械锚固型锚杆和粘结型锚杆  34
    3.2.3 预应力锚杆和非预应力锚杆  34-37
  3.3 拉力型预应力锚杆内锚固段锚固特性  37-47
    3.3.1 拉力型预应力锚杆内锚固段应力分布及位移理论解  37-41
    3.3.2 锚固特性影响因素分析  41-45
    3.3.3 预应力在岩土体中分布规律研究  45-47
  3.4 压力型预应力锚杆内锚固段锚固特性  47-55
    3.4.1 压力型预应力锚杆内锚固段应力分布及位移理论解  47-50
    3.4.2 锚固特性影响因素分析  50-52
    3.4.3 预应力在岩土体中分布规律研究  52-55
  3.5 两种锚杆锚固特性对比分析  55-56
  3.6 本章小结  56-57
第4章基于剪滞-脱粘模型对内锚固段长度的研究  57-73
  4.1 引言  57
  4.2 早期的界面应力传递剪滞理论  57-59
  4.3 改进的剪滞-脱粘模型及内锚固锚固特性研究  59-64
    4.3.1 界面层的变形-破坏过程分析  59-61
    4.3.2 界面层的力学分析  61-63
    4.3.3 界面层的剪应力分布  63-64
  4.4 外界面上粘结强度[τ]的确定  64-68
    4.4.1 岩石强度等级法  64-65
    4.4.2 综合因素法  65-66
    4.4.3 BQ指标法  66-67
    4.4.4 Hoek-Brown经验法  67-68
  4.5 锚杆内锚固段长度的确定  68-71
    4.5.1 锚固段长度确定的基本原则  68-69
    4.5.2 弹性变形阶段锚固段长度L_c的确定  69-70
    4.5.3 剪滞—脱粘破坏阶段锚固段长度L_c的确定  70-71
  4.6 本章小结  71-73
第5章适用于软岩的内锚固段结构设计  73-87
  5.1 引言  73
  5.2 软岩的基本特性  73-76
    5.2.1 软岩的定义及分类  73-74
    5.2.2 软岩的力学特性  74-76
    5.2.3 软岩的工程特性  76
  5.3 软岩锚固作用机理  76-83
    5.3.1 岩土锚固机理研究  77-78
    5.3.2 关键层理论的引入  78-80
    5.3.3 内锚固段锚固效应  80-81
    5.3.4 软岩锚固作用机理  81-83
  5.4 软岩下内锚固段的结构设计  83-86
    5.4.1 设计思想及原理  83-85
    5.4.2 承载板结构及尺寸设计  85
    5.4.3 杆体材料及尺寸设计  85
    5.4.4 托板材料及尺寸设计  85-86
  5.5 本章小结  86-87
第6章锚杆内锚固段锚固结构特性试验及数值模拟  87-109
  6.1 引言  87
  6.2 软岩相似模拟试验  87-96
    6.2.1 试验内容及方法  87-88
    6.2.2 试验数据分析  88-94
    6.2.3 模拟岩石的强度指标  94-96
  6.3 内锚固段锚固结构特性试验  96-102
    6.3.1 试验内容及方法  96
    6.3.2 试验过程及现象  96-98
    6.3.3 试验结果及数据分析  98-102
  6.4 数值模拟分析  102-106
    6.4.1 参数选取及模型建立  102-103
    6.4.2 模拟结果及分析  103-106
  6.5 相似回归结果分析  106-107
  6.6 本章小结  107-109
第7章结语  109-111
  7.1 主要研究结论  109-110
  7.2 未来工作展望  110-111
参考文献  111-117
致谢  117-118
攻读学位期间主要的研究成果  118

锚杆内锚固段锚固特性及软岩锚固结构研究

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