土遗址楠竹锚固界面传力过程研究

竹木锚固技术近年来被广泛应用于土遗址文物加固保护中,但其锚固界面传力机理尚不明确,严重制约着锚固技术的科学化、规模化应用.相关研究成果已经证实了合理的锚固界面粘结-滑移模型对锚固系统性能预测的重要性,本文在此基础上以楠竹-改性泥浆-夯土锚固系统为例,基于考虑完全脱粘现象的三线型粘结-滑移模型开展了锚固界面传力全过程研究.首先将锚固界面传力全过程分为6个连续阶段,分别对各阶段对应的界面应力、应变分布与演化过程进行理论解析,推导了锚杆轴向变形、界面滑移量、界面剪应力、界面剪应变等参数的封闭解,同时给出了极限锚固力与有效锚固长度的计算方法.在此基础上,通过识别载荷-位移曲线特征点对粘结-滑移模型参数进行了标定.最后采用两个土遗址原位拉拔试验对理论解析模型的合理性进行了对比验证,同时着重分析了锚固长度与锚杆轴向刚度两个因素对锚固性能的影响规律.本文提出的解析模型对存在完全脱粘现象的锚固界面传力过程分析具有广泛适用性,能够为土遗址锚固工程设计提供参考与指导.      

土遗址楠竹锚固界面力学行为与传力机理研究

楠竹锚固技术是处理纵向裂隙引起的大型土遗址稳定问题的重要手段,但此类锚固系统传力机理尚不明确,成为制约其科学化、规模化应用的瓶颈。通过现场拉拔试验研究锚固界面力学行为,将识别出的完全脱粘现象通过摩擦段后的零剪应力段进行表征,建立适用于此类锚固界面的修正三线型粘结-滑移模型。在此基础上,提出基于ANSYS中非线性弹簧单元的锚固界面力学行为数值模拟方法,系统研究锚固系统传力机理。最后,通过与试验结果的对比验证了该模拟方法的可靠性。结果表明：锚杆/浆体界面的滑移失效是锚固系统破坏的主要原因,此类界面微段的受力过程可分为弹性、软化、摩擦和完全脱粘四个阶段,随荷载增加锚固界面高应力区逐渐由加载端向锚固端转移,界面进入完全脱粘阶段后剪应力趋近于零,极限锚固力和有效锚固长度均存在临界值;第一锚固界面传递至第二锚固界面的剪应力非常有限,遗址土体应力处于较低水平。研究结果能够为基于“安全第一,最小干预”原则的土遗址文物锚固优化设计提供参考。     

全长注浆锚杆锚固段剪应力分布特征试验研究

通过WES-50B型万能材料试验机对分别模拟高、中、低三种强度围岩介质的锚杆模型进行了拉拔试验。结果表明,锚杆锚固段的轴应变及第一、第二交界面的粘结应力分布按照负指数规律衰减。根据模型试验所得锚杆体轴应变试验结果,在一定简化假设的基础上,推导了以锚杆为代表的锚固结构轴力及第一、第二界面剪应力分布公式,分析了锚固结构在均匀介质中内锚固段应力、轴力及交界面的剪应力传递、衰减规律,探讨了拉拔力及介质强度对锚固段剪应力的影响。本文的研究为通过模型试验分析以锚杆为代表的锚固结构第一、第二界面剪应力分布提供了参考。     

锚固正交各向异性岩体的本构关系和破坏准则

从理论上对由系统锚杆加固的正交各向异性岩体,取出包含锚杆的表征单元.根据“等效材料”的概念,在原岩体的本构关系和破坏准则中计人锚杆刚度和强度的“贡献”,从而建立了相应锚固岩体的木构关系和破坏准则.然后列举算例,考察了表征单元的应力-应变关系和破坏强度随锚杆安置角度变化的各向异性表现.最后将计算与一个简单试验的结果作了对比,看到二者的吻合程度较好,因而初步地验证了所提力学模型的可靠性.     

基于流变理论的压力型锚杆锚固段荷载传递机理研究

基于荷载传递法,采用西原模型,建立了考虑锚固界面剪切流变特性的压力型锚杆荷载传递函数的微分方程;推导了压力型锚杆锚固体周围岩土体全部处于弹性时、局部处于塑性时和局部处于滑移时,考虑锚固界面流变的锚固界面位移和锚固体轴力分别与位置、时间的关系式;最后,通过拉拔蠕变试验对理论解进行了试验验证。对比分析表明,在P为40kN、100kN、120kN的不同拉拔力作用下,不同位置、不同时刻锚固体轴力的实测值与理论值均吻合较好。反映出推导的理论公式的正确性和适用性。     

FRP-混凝土界面粘结行为的参数影响研究

FRP-混凝土界面的粘结性能对FRP加固混凝土结构力学行为和破坏模式有着重要影响。本文对表征FRP-混凝土界面粘结性能的三个重要参数(界面初始刚度、最大剪应力、界面破坏能)开展研究,通过13个单剪试件的试验考察了混凝土强度、胶层厚度和粘结长度等因素对界面粘结行为的影响,根据试验结果拟合了界面破坏能、最大剪切应力与胶层剪切刚度、混凝土强度之间的函数关系。在试验研究基础上,构建了外贴FRP-混凝土界面粘结的有限元模型。通过有限元分析考察了界面破坏能等三个参数不变的前提下,不同的局部粘结滑移本构关系对界面粘结行为的影响;进而研究了其中一个参数变化时引起的界面粘结性能改变。研究结果表明:界面粘结承载力随着胶层厚度增加而逐渐提高;胶层厚度与界面破坏能成正比,与峰值剪应力成反比;当界面破坏能等三个参数保持不变时,局部粘结滑移本构关系对FRP-混凝土界面粘结性能的影响较小;三个参数中的一个增大时将延缓界面破坏的过程。     

锚杆拉拔力学作用机制的DDA方法模拟研究

为研究锚杆拉拔实验中锚杆与岩体间的力学作用过程和机制,在非连续变形分析(discontinuous deformation analysis, DDA)方法中实现锚杆-岩体界面耦合作用算法,采用多线性黏结滑移界面模型模拟锚杆的滑移脱黏,并针对锚杆拉拔力作用节点和脱黏节点提出专门算法。通过模拟结果与实验结果的对比,对文献中的三线性和四线性黏结滑移界面模型进行参数修正,并验证所提锚杆-岩体界面耦合作用算法的正确性和适用性。通过基于修正参数的多线性黏结滑移界面模型的锚杆拉拔DDA模拟,研究了锚杆的拉拔力-拉拔位移关系,以及不同拉拔力条件下锚杆-岩体界面切应力和锚杆轴力的分布与变化规律,并探讨了锚杆弹性模量对锚杆拉拔力学响应的影响。锚杆-岩体界面耦合作用算法的实现,也为岩体锚固的DDA模拟分析创造了条件。     

含水量对粘土与结构物接触界面单剪特性影响规律试验研究

采用升级改造后的DSJ-2型直剪仪,在不同法向应力水平下,开展了不同含水量的粘性土与不同介质性质的地下结构物接触界面的单剪试验,探索揭示粘土含水量变化对接触界面的剪切力学行为影响规律。研究结果表明:随着粘土含水量的增大,基底刚度较大时,剪应力-剪切位移曲线应变硬化现象愈来愈明显,反之,愈来愈不明显。剪切法向应力处于较低水平时,粘土的含水量对刚度较大的混凝土基底界面剪应力峰值强度影响更明显,反之,刚度相对较小的木材基底更明显。不同性质基底同粘土单剪时,随其含水量的不断提高,接触界面的内摩擦角均是不断降低,但其降低幅度不尽相同,结构物的刚度对接触界面内摩擦角起控制作用。随着粘土含水量的增大,接触界面的粘聚力总体变化规律为先增大,增大到某一峰值点后降低,界面的粘聚力由土体与结构物共同控制,且同结构物的刚度大小和界面自身特性均密切相关。     

固化温度对碳纤维/环氧基体界面行为影响的分析

对界面粘结性能及热残余应力影响下的单纤维复合材料的界面行为进行了分析。采用界面的弹性-软化内聚力模型,用解析法对单纤维复合材料由固化引起的热残余应力、以及单纤维碎断过程纤维的轴向应力分布进行了模拟,得到了碳纤维/环氧树脂在常温和高温固化两种情况的界面粘结性能。结果表明：与常温固化相比,高温固化后,界面的剪切强度增幅不大,界面的断裂韧性显著增加;高温固化后形成的界面,使界面的软化提前、界面的脱粘延迟;高温固化产生的纤维轴向和界面径向热残余应力对界面的软化均有延迟作用;界面径向热残余应力还对界面的脱粘有延迟作用。     

动载强度和锚固段长度对锚固洞室动态响应的影响研究

为了给动载下锚杆支护设计提供参考,基于模型试验,利用数值分析方法研究了动载强度和锚固段长度对锚固洞室的动态响应影响。结果表明:压应力、位移、振动速度、振动加速度时程曲线的振动规律与模型试验的结果比较相似;在相同动载作用下,随着锚固段长度的增加,自由锚加固洞室的拱顶位移峰越来越大,锚固洞室的振动速度和振动加速度峰值也随锚固段长度的增加越来越大;随着动载强度的增强,除了动载比较小外,全长加固洞室拱顶的位移峰值均比自由锚加固洞室小;正、负向拱顶振动速度峰值都增大,拱顶负向振动速度峰值增加的速率比正向振动速度峰值增加的速率快;全锚加固洞室都是负向振动加速度峰值大于正向振动加速度峰值,自由锚加固洞室拱顶振动加速度从负向小于正向到负向大于正向,负向、正向振动加速度峰值比值逐渐增大。     

黄土中压力型锚索锚固段应力分析

为研究黄土地区压力型锚索锚固机理,根据压力型锚索锚固段受力状态,基于三线型剪切-滑移模型,推导了注浆体与岩土体界面在弹性阶段所对应的剪应力及轴向应力分布的闭合解．根据相关压力型锚索锚固试验数据,采用推导的闭合解计算了不同张拉荷载作用下界面的剪应力分布,并与试验结果进行了对比．结果表明,各级张拉荷载作用下注浆体/岩土体界面剪应力的分布及其最大值与试验结果基本吻合,验证了本文提出解析模型的正确性与可靠性;压力型锚索锚固界面剪应力呈指数分布规律,在承压板附近剪应力分布集中且应力较大,随着离承压板距离的增大,剪应力逐渐减小;压力型锚索锚固界面剪应力峰值随外荷载增大而增大．研究结果可为压力型锚索的设计和计算提供一种理论参考．     

干湿循环导致粉砂质泥岩力学特性变化规律研究

受亲水矿物成分影响,水侵作用下粉砂质泥岩力学特性易劣化．开展多种干湿条件下粉砂质泥岩的单/三轴压缩试验,研究试样在饱水作用下的强度和刚度弱化,分析干湿循环对试样力学特性的影响规律．试验结果表明,粉砂质泥岩强度和刚度均随饱和度增加而明显降低,在中期变形阶段刚度下降程度明显大于早期变形阶段．粉砂质泥岩强度随围压增大而线性提高,其强度特性可采用Drucker-Prager准则描述,且试样开裂角符合剪切滑移破坏特征．干湿循环试验结果表明,粉砂质泥岩单轴抗压强度和割线模量随循环次数增大而近似线性衰减,并且其刚度衰减快于强度衰减．     

基于离散元模型的土石混合体直剪试验分析

土石混合体是由高强度块石和低强度土体组成的一类特殊工程地质材料,其力学性质可通过直剪试验进行确定。本文针对土石混合体的细观材料特性,分别采用球形颗粒单元和非规则组合颗粒单元模拟土体和块石材料,对其在不同含石量和颗粒粘结强度下的直剪试验过程进行离散元分析。计算结果表明,土石混合体的抗剪强度随着含石量和粘结强度的增加而增加;通过不同法向应力下直剪试验的离散元分析,确定了不同含石量下土石混合体材料的内摩擦角和粘聚力。本文研究结果有助于进一步揭示土石混合体的抗剪强度特性。     

应变率对光圆钢筋与混凝土“粘结-滑移”行为影响的实验研究

为研究应变率对钢筋与混凝土界面粘结性能的影响,利用高速拉伸试验机进行了光圆钢筋的动态拔出实验。通过合理设计加载夹具和测试方法,得到不同应变率下光圆钢筋的“粘结-滑移”全程曲线。实验结果表明:随着应变率的增大,钢筋-混凝土界面的粘结强度显著提高,且界面失效形式由拔出失效为主转变为混凝土试件的破裂破坏为主;粘结强度的动态增强因子(fDIF)随应变率的增长斜率明显可以分为低应变率和高应变率两个区段。低应变率下,fDIF 增长较为缓慢;而高应变率下,fDIF快速增长;转变应变率约为33 s^-1。     

微粘结实验影响因素的边界元法分析

微粘结实验是一种新的简便的测量复合材料界面剪切强度的方法，本文运用数值方法－边界单元法，对一个实际试件进行了界面应力计算，讨论了材料常数，刀口宽度和新月尖角三种主要因素对界面应力分布可能产生的影响，从而为实验结果分析，实验方法改进和评估提供依据。     

颗粒材料剪切流动状态转变的环剪试验研究

颗粒材料的剪切流动行为广泛地存在于滑坡、泥石流等自然灾害以及矿物原料传输、泵送等工业过程中.颗粒材料在不同体积分数、剪切速率和应力约束下会表现出不同的流动状态并发生相互转化.对颗粒材料在剪切流动过程中力学特性的研究有助于加深理解其发生不同流动状态的内在机理,为解决相应的颗粒材料问题提供理论依据.为此,本文研制了颗粒材料剪切流动的中型环剪仪,并对颗粒材料在不同法向约束应力和剪切速率下的剪切应力和体积膨胀率进行了测试.结果表明,剪切应力和体积膨胀率均随剪切速率的增大而增大,但增长速率在临界剪切速率处发生转变,使其随剪切速率的平方呈分段式线性增长.通过对颗粒材料在不同剪切速率和惯性数下有效摩擦系数变化趋势的分析,讨论了颗粒材料由慢速流向快速流转化的基本规律,以及在临界剪切速率处发生流动状态转化的内在条件.此外,通过对不同法向应力下临界剪切速率以及快速流动下运动规律的测试,发现临界剪切速率随法向应力的增加而减小,即法向应力可促进颗粒材料由慢速流向快速流的转化,但在快速流动状态下的有效摩擦系数对法向应力不敏感.以上对颗粒材料在不同剪切速率、法向应力下流动状态的环剪试验研究有助于揭示其发生不同流动状态转化的内在机理.      

钢筋与混凝土粘结试验及有限元模拟

建立了一种按接触条件模拟钢筋与混凝土之间相互作用的模型。通过试验确定钢筋与混凝土的一些基本力学参数:粘结刚度、摩擦系数、抗剪强度、径向挤压力和软化系数;进而通过有限元模拟分析了试件的拔出过程:弹性阶段、局部开裂阶段、内部拥塞阶段以及完全脱粘阶段。计算结果与试验结果符合较好,验证了本文计算模型的合理性,解决了传统连续体理论所无法解释的现象。     

纤维增强橡胶复合材料界面力学性能有限元分析

基于剪滞理论,引入双线性内聚力模型研究了纤维与基体界面应力传递机理.采用ABAQUS模拟了非理想界面在单纤维拔出过程中的脱粘失效,分析了不同脱粘阶段界面剪应力分布情况,以及界面刚度和纤维长径比对界面应力传递和拔出载荷的影响规律.结果 表明,在纤维受载失效过程中,纤维的拔出过程可分为4个阶段,即界面的完全粘结、损伤演化、...     

考虑温度效应的层状复合岩石力学损伤试验及模型研究

为研究层状复合岩石高温作用下的力学特性,对相似材料制备的层状复合岩石进行20℃（室温）,100℃,200℃和300℃热处理,并开展单轴压缩试验获取其物理力学参数。结果表明,随着温度升高,层状复合岩石质量变化率与体积膨胀率呈上升趋势,且在100℃时增幅明显。拟合各力学参数的经验公式发现,峰值强度及弹性模量趋于劣化并呈线性降低,峰值应变与温度成正相关。随着温度升高,层状复合岩石呈剪切–滑移型破坏,单一类岩石由剪切破坏向张拉–剪切破坏转化,破坏时微裂纹数量增多,在300℃时延性特征显著。引入考虑温度效应的岩石本构模型并拟合了不同温度下的应力应变曲线,该模型较好地表征了热处理后层状复合岩石的损伤演化规律及破坏特征,合理地揭示了层状复合岩石高温作用后的损伤机理。     

钢筋混凝土界面的近场动力学方法

近场动力学方法已被广泛用于钢筋混凝土的开裂破坏研究,传统近场动力学方法的控制方程与参数是基于同种均质材料的能量方程确定,在处理不同种材料之间的相互作用时,无法合理反映其界面的力学行为.针对这一问题,通过分析钢筋混凝土界面的黏结-滑移机理,提出了近场动力学界面区材料点的相互作用模型,发展了考虑钢筋混凝土界面黏结的键基近场动力学方法.基于键基近场动力学与连续介质力学的能量密度等效方法,提出了界面微弹性参数的确定方法;根据钢筋肋间混凝土的应力分布规律,获得界面材料点域半径与受限楔体半径的等效关系;利用界面黏结-滑移曲线峰值应力对应的滑移变形,给出了界面临界拉伸常数确定方法.通过与2组钢筋混凝土构件的拉拔试验对比,验证了发展的界面近场动力学方法,并开展了不同条件下钢筋混凝土构件的数值试验.结果表明,发展的近场动力方法能够合理反映钢筋直径、锚固长度、混凝土强度以及肋间距对钢筋混凝土界面黏结行为的影响,体现了所提方法的合理性与优越性.