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纵向循环荷载作用下锚索锚固结构损伤机理与控制研究

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摘要

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 岩土体锚固技术研究

1.2.2 锚索支护体系研究

1.3 研究内容与研究方法

1.4 技术路线

2 锚索锚固体系受力机理研究

2.1.1 锚索体正应力与轴向变形计算理论

2.1.2 锚索体剪应力计算理论

2.2 有错动围岩岩层中锚索体受力分析

2.3 纵向循环荷载下粘结体塑性损伤

2.3.1 材料损伤基本理论

2.3.2 正弦衰减荷载下砂浆粘结体塑性损伤模型

2.4 小结

3 循环荷载下锚索锚固应力分布规律试验研究

3.1 循环荷载下锚索锚固体系破坏模式分析

3.2 试验设计

3.2.1 试验材料

3.2.2 试件设计

3.2.3 试验过程

3.3 试验结果分析

3.3.1 剪应力分布情况

3.3.2 粘结体单元塑性损伤模型参数拟合

3.4 现场监测数据分析

3.5 小结

4 预应力损失规律及控制措施研究

4.1 锚索预应力损失规律

4.1.1 钢绞线松弛对预应力损失的影响

4.1.2 锚索施工工艺对预应力损失的影响

4.1.3 砂浆材料变形对预应力损失的影响

4.2 预应力锚索分级张拉锚固控制措施

4.2.1 分级张拉锚固预应力锚索设计方法

4.2.2 算例

4.2.3 模型拉拔试验

4.3 锚索预应力损失的其他控制措施

4.3.1 选择合适的预应力锚索类型

4.3.2 群锚间距控制

4.4 小结

5 锚索锚固体系有限元仿真分析

5.1 本构关系

5.2 锚索锚固模型的建立与加载

5.2.1 模型建立

5.2.2 强度理论

5.2.3 APDL参数化语言分析流程

5.3 锚索锚固模型数值模拟分析

5.3.1 模型模态分析

5.3.2 循环荷载下模型静力分析

5.3.3 循环荷载下模型位移分析

5.4 煤矿巷道锚索支护数值模拟分析

5.4.1 模型建立

5.4.2 锚索支护下模型受力变形分析

5.5 小结

6 论文的主要结论及展望

6.1 主要结论

6.2 展望

参考文献

作者简历

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摘要

锚索锚固结构特别是预应力锚索锚固结构作为一种主动支护手段,现已成为大埋深、高应力以及裂隙发育围岩支护的一项重要技术。本文从锚索锚固结构服役中的实际受力特点出发,提出了锚固砂浆粘结体单元塑性损伤模型,设计室内试验,探究纵向循环荷载下锚索锚固结构的受力、传力特性,锚固机理与破坏形式,对理论模型的正确性加以验证。试验结果表明,普通锚索锚固结构与预应力锚索锚固结构剪应力峰值均随循环荷载向锚固深部移动,且前者移动幅度大于后者;预应力锚索锚固段破坏区由浅部向深部扩展,造成自由段松弛,最终导致预应力损失。基于现场围岩变形监测数据,对锚索锚固模型位移变化作出了一般化规律分析。本文在分析总结各方面因素的基础上,指出将锚索先行张拉,将部分预应力锁定在锚固段中,实现预应力锚索的分级张拉锚固是控制预应力损失的关键,并提出了锚索分级张拉锚固的设计方法,举出算例并制作试件进行试验对比研究。研究结果表明,分级张拉锚固试件的剪应力峰值较单级锚固试件减小约45%,较好地避免了锚固浅部的应力集中现象从而有效减小预应力损失。最后,本文利用ANSYS数值模拟软件对试验试件模型进行了静力、动力及变形分析,验证了理论模型和试验结果的准确性与分级张拉锚固措施的有效性,得到了模型应力分布的详细信息,并基于此给出了各锚索锚固模型随纵向循环荷载的位移变化函数。

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