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土层扩孔压力型锚杆的锚固机理研究

作　者: 梁月英
导　师: 刘国楠
学　校: 中国铁道科学研究院
专　业: 岩土工程
关键词: 扩孔压力型锚杆多段扩孔压力型锚杆锚固机理群锚效应 Kelvin基本解有效锚固长度
分类号: TU476
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

锚杆因其造价低，施工简便，工期短而被广泛应用于建筑、水利、电力、公路、边坡加固和基坑支护中，但目前普遍使用的是拉力型锚杆，存在锚固效率低、设计长度大、抗腐蚀性和耐久性差等问题。扩孔压力型锚杆和多段扩孔压力型锚杆是近年发展起来，逐步投入应用的新型锚固技术，可以有效提高锚固效率、改善注浆固结体受力条件和解决锚杆拉杆防腐问题。由于缺乏对锚固机理的认识和系统研究，目前工程实践中扩孔压力型锚杆仍沿用拉力型锚杆的设计方法。论文采用弹性力学方法、现场试验实测资料对比研究、数值模拟分析等多种方法研究了土层扩孔压力型锚杆的锚固机理和影响参数；并将研究结果应用到多段扩孔压力型锚杆的锚固分析。据此提出了扩孔和多段扩孔压力型锚杆的设计方法。本文的主要工作内容如下：（1）假定扩孔段端头土体屈服和锚固体整体拉出两种破坏模式，用弹性力学方法推导了扩孔压力型锚杆锚固体轴向应力以及锚固体与岩土体粘结界面的剪应力计算公式，得到两者沿锚杆轴向的分布规律呈负指数变化，并探讨了压力型锚杆扩孔段和普通钻孔锚固段长度的合理设置问题。利用叠加原理对多段扩孔压力分散型锚杆的受力特点进行了分析，并进一步分析了锚杆设计参数（锚固段长度、扩孔直径）、力学参数（粘聚力、内摩擦角和刚度系数）、锚杆埋深以及承载体个数等因素对锚固体与岩土体粘结界面剪应力分布的影响。（2）利用我院自制的扩孔钻头，在两个工点进行扩孔压力型锚杆和多段扩孔压力型锚杆的现场试验，得到锚杆的荷载-位移曲线以及锚固体轴向应变曲线，并与理论推导分布关系进行了对比，证明了理论推导成果的合理性。（3）结合现场试验的资料，利用FLAC3D软件对拉力型、压力型和扩孔压力型锚杆进行数值分析，得到不同类型锚杆的承载力以及锚固体与岩土体粘结界面的剪应力分布。与其他类型锚杆相比，扩孔压力型锚杆提高了锚固承载力，降低了应力集中程度。理论分析、现场试验以及数值分析得到的结果相近。（4）根据Kelvin问题的基本解，分析单孔扩孔压力型锚杆的附加应力和位移场，利用叠加得到群锚的附加应力和位移场，提出了群锚的合理间距，用应力和位移的叠加面积计算群锚效应系数和锚杆共同作用系数。（5）研究土层扩孔压力型锚杆的设计方法，提出可以采用等剪应力峰值、应力连续方法对土层扩孔压力型锚杆的锚固扩孔段长度以及普通钻孔锚固段长度进行设计。论文特别感谢深圳市国土局对“深圳地区地质灾害治理新技术的研究”课题的支持与赞助。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
1 绪论  11-37
  1.1 锚固技术的发展与应用  11-15
  1.2 现有锚固技术的特点及其存在的问题  15-16
  1.3 扩孔压力型锚杆及多段扩孔压力型锚杆  16-18
  1.4 锚固机理的研究进展  18-27
    1.4.1. 理论研究  18-23
    1.4.2. 现场试验研究  23-24
    1.4.3. 室内模型试验研究  24-27
  1.5 扩大头锚杆的发展与应用  27-33
    1.5.1. 拉力型扩大头锚索型式  27
    1.5.2. 扩大头锚杆施工技术  27-32
    1.5.3. 扩大头锚杆的理论研究与设计方法  32-33
  1.6 研究的主要内容和技术路线  33-37
    1.6.1. 研究的主要内容  33-34
    1.6.2. 研究的主要技术路线  34-35
    1.6.3. 创新点  35-37
2 扩孔压力型锚杆的理论分析  37-56
  2.1 扩孔压力型锚杆的受力分析及基本假定  37-38
  2.2 扩孔压力型锚杆的锚固机理研究  38-45
    2.2.1. 扩孔段端头土体屈服破坏模式  38-43
    2.2.2. 锚固段整体拉出破坏模式锚固机理分析  43-45
    2.2.3. 讨论  45
  2.3 多段扩孔压力型锚杆的锚固分析  45-47
  2.4 扩孔压力型锚杆的锚固效果影响分析  47-55
    2.4.1. 锚杆设计参数（扩孔段长度、扩孔直径）的影响  47-50
    2.4.2. 力学参数（粘聚力 C、摩擦角）的影响  50-51
    2.4.3. 岩土体弹性模量的影响  51-53
    2.4.4. 锚杆埋设深度的影响  53
    2.4.5. 承载体个数的影响  53-55
  2.5 本章小结  55-56
3 扩孔压力型锚杆的现场试验分析  56-87
  3.1 钻孔设备的研制  56-58
    3.1.1. 扩孔钻具的基本工作原理  56
    3.1.2. 扩孔钻具的结构  56-58
  3.2 试验方法  58-64
    3.2.1. 试验方案  60-63
    3.2.2. 试验测试方法  63-64
  3.3 试验结果及分析  64-79
    3.3.1. 扩孔压力型锚杆试验结果分析  64-72
    3.3.2. 两段扩孔压力型锚杆试验结果分析  72-79
  3.4 不同类型锚杆现场试验结果对比分析  79-80
  3.5 试验结果与理论分析结果的对比分析  80-82
    3.5.1. 扩孔压力型锚杆现场试验与理论结果的对比分析  80-81
    3.5.2. 两段扩孔压力型锚杆试验结果与理论结果的对比分析  81-82
  3.6 本章小结  82-83
  附表：锚杆试验弹塑性位移统计表  83-87
4 扩孔压力型锚杆的数值分析  87-105
  4.1 引言  87
  4.2 FLAC3D的基本理论  87-88
  4.3 锚杆数值计算模型  88-91
  4.4 模拟方法  91-95
    4.4.1. 初始应力平衡  93
    4.4.2. 数值分析模型  93-94
    4.4.3. 锚杆应力集中系数  94-95
  4.5 数值模拟分析结果  95-103
    4.5.1. 锚杆承载力的计算结果分析  95
    4.5.2. 锚杆数值分析结果输出形式  95-99
    4.5.3. 剪应力分布  99-101
    4.5.4. 数值模拟与理论分析结果的比较  101-102
    4.5.5. 数值模拟与现场试验结果的比较  102-103
  4.6 承载体个数对多段扩孔压力型锚杆的影响分析  103-104
  4.7 本章小结  104-105
5 孔压力型锚杆的群锚效应  105-117
  5.1 引言  105-106
  5.2 群锚效应的理论分析  106-116
    5.2.1. 基于 Kelvin 基本解的位移和应力分析  106-111
    5.2.2. 基于 Kelvin 基本解的群锚效应分析  111-115
    5.2.3. 群锚效应系数和共同作用影响系数  115-116
  5.3 本章小结  116-117
6 扩孔压力型锚杆设计方法研究  117-126
  6.1 引言  117
  6.2 扩孔压力型锚杆设计方法的研究  117-120
    6.2.1. 锚固段长度的确定方法  117-118
    6.2.2. 自由段长度的确定方法  118
    6.2.3. 锚杆承载力设计方法  118-119
    6.2.4. 锚杆设计的安全系数  119
    6.2.5. 锚杆空间布置方式  119-120
  6.3 扩孔压力型锚杆锚固段长度的设计方法  120-122
    6.3.1. 等剪应力峰值设计方法  120-121
    6.3.2. 应力连续的设计方法  121
    6.3.3. 适应性探讨  121-122
    6.3.4. 锚固长度对比分析  122
  6.4 锚杆自由段长度的直线滑裂面极限平衡计算方法  122-125
    6.4.1. 破坏面  122-123
    6.4.2. 锚杆外锚头距潜在滑动面的长度计算  123-125
  6.5 本章小结  125-126
7 结论及建议  126-129
  7.1 本文主要结论  126-127
  7.2 有待于进一步研究的建议  127-129
参考文献  129-134
个人简历及论文发表情况  134
攻读博士学位期间发表学术论文情况  134-135
致谢  135-136
详细摘要  136-145

土层扩孔压力型锚杆的锚固机理研究

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