基于Kelvin解的拉力型锚杆锚固段的受力分析

基于Kelvin位移解,根据拉力型锚杆实际工作状态,推导出拉力型锚杆锚固段轴向应力和剪应力分布的理论解,并分析拉力型锚杆的受力特点,为拉力型锚杆的力学分析和设计提供理论依据。在此基础上讨论张拉荷载、孔径、外界岩土体弹性模量对锚固段轴力与剪应力分布的影响,并得出了一些有意义的结论。

基于Kelvin解的CFRP锚杆锚固段的力学分析

为研究压力型CFRP锚杆锚固段在土体介质中的应力应变分布规律,将锚杆的受力状态视为无限体内部一点受集中力作用的弹性问题,运用Kelvin解进行位移分析,推导了锚杆锚固段在土体介质中的轴向应力和剪应力及轴向应变的理论公式,结合现场CFRP锚杆抗拔试验,将场地土层参数代入理论公式,绘出了锚固段轴向应力和剪应力的分布曲线,并将计算值与现场实测的轴向应变值进行对比分析。研究结果表明:土层弹性模量是压力型CFRP锚杆锚固段应力的大小及分布形态的关键参数。锚固段理论轴向应变值与实测轴向应变值的对比结果表明,实测值与计算值相近,其变化趋势反映了合理的规律,由此验证了理论公式的可行性。

固体弹性三维问题统一解

依据三维弹性力学问题的Kelvin解 ,用三维虚边界元法来建立积分方程 ,从而使三维实体和各类板、壳等问题的求解思想得到统一· 对各类三维问题采用统一的思想建立数学模型 ,更有利于程序模块化 ,增强了程序的通用性· 另外 ,建立积分方程时直接引用Kelvin解 ,而未引入任何其它假设 ,使该方法的解更偏于实际 ,且使应用范围拓宽· 再者 ,与边界元直接法相比 ,该方法的优点在于无需处理奇异积分 ,且系数阵是对称的· 最后给出部分算例 ,以证明方法的有效性和计算精度·

无限域分层介质的基本解

本文从三维弹性力学最基本的平衡方程和本构关系出发,推导出状态传递微分方程。在求解状态传递微分方程时,建议了一种对指数矩阵进行分解的方法,避免了直接解法可能导致状态变量的发散的问题。引入了无穷远处的状态变量为有限值的条件,推导出上、下无限层表面的位移与应力关系式。再根据状态传递方程,可得出层状介质任意点的应力和位移的值。此结果可直接退化到无限域经典的Kelvin解。

隧道围岩变形及支护刚度三维分析模型研究

鉴于既有力学模型在分析三维隧道施工力学问题时存在精度不高、计算资源要求高和计算时效不能满足工程要求等诸多困难,将隧道围岩视为半无限大或无限大弹性体,以作用于洞壁和掌子面处的等效作用力模拟隧道开挖效应,建立了一种深埋圆形隧道的三维分析模型.基于Mindlin解和Kelvin解分别推导了掌子面在洞口附近和掌子面远离洞口两种工况下围岩位移的积分计算公式,并编制了相应的计算程序,然后将待开挖介质视为"支护体",通过刚度分析将支护反力引入力学模型,推导了围岩变形的求解方程,可以快速计算隧道围岩变形场和围岩对支护结构刚度需求的量化值.研究结果表明:两种工况下围岩位移的分布规律基本一致,掌子面距离洞口较近时,隧道纵剖面围岩轴向位移最大值的解析和数值结果分别为6.1 mm和5.5 mm,隧道横截面掌子面处径向位移最大值分别为2.4 mm和2.6 mm,误差分别为9.8%和8.3%;在掌子面距离洞口较远的工况下,隧道纵剖面围岩轴向位移最大值分别为6.0 mm和5.7 mm,误差为5.0%;对于任选的一组隧道围岩和支护结构参数,考虑支护反力后计算得到的围岩纵向变形与数值分析结果吻合较好,超前位移分别为3.6 mm和3.0 mm,最终位移分别为9.1 mm和8.5 mm,误差分别为16.7%和6.6%;大岗山隧道2#压力管道的超期变形的计算结果和监测结果分别为0.4 mm和0.4 mm,最终变形分别为1.0 mm和1.1 mm,误差分别为0和10%.基于变形控制标准和新建力学模型可对围岩的刚度需求进行量化计算并指导支护结构设计参数的确定.

全长黏结GFRP抗浮锚杆荷载分布函数模型研究

基于荷载传递法理论与Kelvin问题的位移解,进一步推导全长黏结GFRP(glass fiber reinforced plastics)抗浮锚杆在轴向拉拔荷载作用下轴力沿锚固深度的分布函数。为验证该理论应用于GFRP抗浮锚杆的合理性,借助植入式光纤光栅传感技术,对2根同型号GFRP抗浮锚杆进行现场拉拔破坏性试验。研究结果表明:根据荷载传递法与Kelvin位移解得到锚杆轴力与剪应力分布函数曲线形式与试验结果相近,说明该理论合理;孔口锚固体的开裂导致锚杆轴力及剪应力分布曲线试验值主要分布范围比理论值的更大;由于试验过程中岩土体位移较小,锚杆的剪应力分布曲线形式较理论值呈现"矮胖"的特点。此外,对锚杆轴力、剪应力理论分布函数曲线进行修正后的结果与试验结果吻合度显著提高。

功能梯度材料中裂纹问题的边界元分析

采用基于边界元方法的广义Kelvin解对功能梯度材料中的裂纹问题进行了研究,主要在对裂纹的评价中采用了多域法和八节点面力奇异边界单元,并采用层离散化方法用来近似功能梯度材料,计算出了不同条件下功能梯度材料中币形裂纹的应力强度因子。

应力强度因子计算的样条虚边界元法

含有裂纹的工程结构在荷载作用时在裂纹尖端会产生应力奇异的现象,其严重的程度可用应力强度因子来表征。采用基于Kelvin基本解的样条虚边界元法,结合位移外推法,给出了断裂问题应力强度因子的求解方法。通过对两个典型断裂问题的分析,对边界子段与虚边界元的划分、小单元的采用以及拟合点位置的确定等关键问题展开了讨论,获得了相关计算参数的选取规律,为该法在断裂问题的进一步应用打下良好的基础。

柔性层状路面应力和位移场的边界元分析

为研究任意形状分布的各种荷载作用下柔性多层弹性路面应力和位移的性状分布特点,利用层状材料的广义Kelvin基本解,建立了边界元分析方法。结合广义Kelvin基本解与边界元方法,建立柔性层状路面边值问题的边界积分方程,对于核函数中出现的奇异积分做了解答。该方程中不含在层状材料交界面上的积分,可求解任意形状分布各种荷载作用下的多层弹性体系应力和位移。算例分析表明:该方法可以获得较高的计算精度;由于采用了层状材料的广义Kelvin基本解,该方法能处理力学参数沿深度方向任意变化的柔性路面。

矿区层状地基中应力和位移场的数值分析

利用层状材料的广义Kelvin基本解,建立了计算矿区三维层状地基的应力和位移的方法。将广义Kelvin基本解与边界元方法相结合,建立层状地基边值问题的边界积分方程,方程中不含有层状材料交界面上的积分。对于核函数中出现的奇异积分做了详细的解答。算例分析表明,本文建议的方法可以获得较高的计算精度。

基于3D-FSM的预紧力端锚数值模拟及其多核并行化研究

在对传统锚杆荷载传递机制分析的基础上,提出了一种考虑托板、锚杆与岩体相互作用的数值模拟方法:通过Kelvin基本解计算出锚杆集中力对围岩的影响,同时就锚杆自由段与相应岩体两端点的位移差相等建立位移方程,结合先前开发的3D-FSM数值模拟系统中的表面受力平衡方程进行联立求解,利用所得结果可以计算域内任意点的应力及位移变化,形成完整的预紧力端锚边界元数值模拟系统。通过与Flac^(3D)系统模拟对比,验证了该系统的可靠性。为提高运算效率,对该系统进行基于Open MP的多核并行化改进,给出了改进的基本思路和加速比对比图。由于边界元本身具有建模简单、计算区域大、计算精度高等优点,因此,这种模拟方法有很大的应用价值。

服从分数黏弹性模型的压力型锚索力学分析

考虑到注浆体和岩体的黏弹性变形特点,基于弹性空间理论的Kelvin解,并结合分数导数理论、黏弹性理论,推导出压力型锚索系统锚固段的压应力和锚索孔与注浆体间的剪应力黏弹性解析解形式,利用MATLAB数值软件分析了分数阶数值、承压板半径以及剪切模量等因素对锚索应力分布的影响.结果表明:分数阶黏弹性模型描述的锚索系统的应力值低于经典黏弹性模型,并且分数阶数值和剪切模量会对锚索应力产生很大影响,研究成果补充了压力型锚索力学分析理论.

层状地基中应力和位移场的边界元分析

利用层状材料的广义Kelvin基本解,建立计算三维层状地基中应力和位移的边界元方法。将广义Kelvin基本解与边界元方法相耦合,建立层状地基边值问题的边界积分方程,方程中不含有在层状材料交界面上的积分。对核函数中出现的奇异积分进行解答。算例分析表明,建议的方法可以获得较高的计算精度。

拉力型和压力型预应力锚索受力分析及工程应用

根据拉力型、压力型预应力锚索结构特征,本文将拉力型预应力锚索抽象为在假想滑动面处受一个集中力P,将压力型预应力锚索抽象为在锚索孔底处受一个集中力P。工程中一般假想滑动面或锚索孔底距岩土体表面较远。基于以上假定和工程条件把预应力锚索归结到空间体内一点受集中力Kelvin问题。文中引用Kelvin应力解求得了拉力型预应力锚索钢绞线侧壁、锚索孔壁剪应力t沿轴向分布,求得了压力型预应力锚索孔壁剪应力t及正应力?沿轴向分布。根据本文结果:建议岩体中拉力型预应力锚索设计时应以钢绞线与注浆体之间粘结强度作为设计依据。建议岩体中压力型预应力锚索在受力端增加一段钢管改进成压力局部分散型预应力锚索。建议土体中压力型预应力锚索采取孔底扩孔改进成扩大头式压力型预应力锚索。

预应力锚索结构分析及受力思考

文中首先介绍了拉力型、压力型锚索结构。在归纳拉力型、压力型锚索受力分析基础上提出压力型锚索有2个控制应力,其一水泥芯柱被压坏的应力;其二孔壁产生剪移破坏应力。在此基础上提出:采用钢梁代替水泥芯柱,产生一种新压力型锚索,称预应力锚梁。预应力锚梁使担心的2个控制应力只剩下孔壁剪应力T了。在其它条件相同情况下采用钢梁代替水泥芯柱,则孔壁处最大剪应力T_(max)可减小2.67倍。最后分析了锚索中因变温产生的应力,指出:温度应力对锚索(杆)的影响是不可忽视的。

关于复合弹性材料的应力场

随着新型复合材料日益广泛地应用在宇航、船舶、建筑等部门，对带孔的、带裂纹的正交各向异性材料的应力场和位移场的研究，已成为国内外十分关注的重要课题之一，本文从理论上提出了“等价空间”的概念，发展了空间变换法，比较简捷地解决了带孔的、有裂纹的正交各向异性板、壳Kelvin奇异解的数学力学模型，提出了求解这类问题的独特思路，解决了这一类非均匀材料的应力场{σij}的求解问题。

桩底嵌岩锚杆锚固段应力分布研究

针对基桩竖向承载力自锚法测试体系中桩底嵌岩压力型锚杆的受力特点,基于Kelvin问题的弹性位移解,并结合锚固体-岩石作用的剪胀机理,推导了压力型锚杆应力分布的弹性解。基于所获得的解答,分析了桩底嵌岩锚杆锚固段应力沿锚固长度的分布规律,并分析了各种岩土参数变化对锚固段剪应力分布的影响。结果表明:桩底嵌岩锚杆锚固段上的正应力随着距承载板距离的增大而减小,剪应力随着距承载板距离的增大先增大后减小,峰值剪应力随着剪胀角的增大而增大,随着锚固体泊松比的增大而减小。

预紧力锚杆支护的3D-FSM·DDM数值模拟系统研究与开发

在已经开发的3D-FSM·DDM间接边界元数值模拟系统的基础上,进行含预紧力端锚固锚杆支护功能的数值模拟系统研究与开发。算法的基本思想是:根据岩体与锚杆重合部分两端点的位移差与锚杆相应部分两端点的轴向位移差相等,补充方程数量,并与其他单元在边界条件下联立求解全部虚拟应力未知量;求取后利用其进一步求解围岩任意点的应力、位移及稳定性。所开发的数值系统与FLAC3D数值模拟系统进行了比较,验证本边界元系统的可靠性。开发后的边界元数值模拟系统可广泛应用于矿山、隧道等大型岩土工程的围岩稳定性分析。