Three-dimensional limit variation analysis on the ultimate pullout capacity of the anchor cables based on the Hoek-Brown failure criterion

Only simplified two-dimensional model and a single failure mode are adopted to calculate the ultimate pullout capacity(UPC)of anchor cables in most previous research.This study focuses on a more comprehensive combination failure mode that consists of bond failure of an anchorage body and failure of an anchored rock mass.The three-dimensional ultimate pullout capacity of the anchor cables is calculated based on the Hoek-Brown failure criterion and variation analysis method.The numerical solution for the curvilinear function in fracture plane is obtained based on the finite difference theory,which more accurately reflects the failure state of the anchor cable,as opposed to that being assumed in advance.The results reveal that relying solely on a single failure mode for UPC calculations has limitations,as changes in parameter values not only directly impact the UPC value but also can alter the failure model and thus the calculation method.

深厚冲积层薄基岩条件下沿空留巷支护技术研究

为解决某矿16041工作面原支护方案沿空留巷变形大、破坏严重难题,提出了顶板采用“16#槽钢梁+注浆锚索”、采空区侧采用“36U型钢+注浆锚杆”不对称耦合支护优化方案,基于理论分析研究围岩结构破坏形式,通过单元荷载法计算了留巷顶板与采空区侧围岩应力,最后开展工业性应用,验证优化后方案的合理性。研究表明:优化后支护方案顶板和采空区侧计算单元面荷载分别为351.85 kPa和206.53 kPa;注浆锚索和注浆锚杆承载力分别为263.89 kN和199.08 kN,均小于注浆锚索(锚杆)极限承载力。根据对留巷数据监测,最大顶板下沉量为35.6 mm,较原支护方案减小了1.40倍;采空区侧最大移近量为29.6 mm,与较原支护方案减小了4.13倍;最大注浆锚索承载力为253 kN,与理论计算值误差为4.1%;最大注浆锚杆承载力为174 kN,与理论计算值误差为12.6%。位移量与支护承载力均在工程允许范围内,优化后方案支护效果良好。

胀锁型锚索双向加固窄煤柱试验研究与工程应用

针对沿空掘巷窄煤柱非对称变形问题,提出了对穿锚索双向加固窄煤柱技术,设计了伸长型和胀锁型两种对穿锚索结构及工艺,开展了对穿锚索拉拔试验,试验表明两种锚索结构均满足抗拉要求,从锚索破坏形态、施工便捷性和材料经济性等方面对比分析,确定胀锁型对穿锚索为窄煤柱双向加固的首选。进一步通过相似模型试验与数值模拟研究了不同加固方式下煤柱承载变形规律和对穿锚索受力特征。结果表明:双排紧密型对穿锚索加固试件较未加固试件峰值荷载提高了96.04%,且随着锚索排数及数量的增加,窄煤柱双向加固稳定性越来越高,胀锁型对穿锚索提高了煤柱破坏前的能量储存量和临界破坏点。最后,在济宁三号煤矿123_(下)04工作面运输巷开展胀锁式对穿锚索加固窄煤柱工程试验,监测显示对穿锚索锚固力超过220 kN,锚索加固区煤柱帮鼓量降低70%,窄煤柱整体稳定性好,窄煤柱双向加固技术可行,为沿空掘巷工程提供了新技术途径。

金属预埋吊件剪切力学性能试验研究

为确定可行的金属预埋吊件(简称预埋吊件)剪切试验方法以及为安全系数提供可靠依据,对100、150mm两种不同边距的预埋吊件混凝土试件进行抗剪试验研究。研究预埋吊件的受剪力学性能,测量楔形体破坏角度,分析荷载-位移曲线,探究混凝土楔形体破坏的抗剪极限承载力与预埋吊件的物理特性之间的关系。结果表明:试验中所有预埋吊件均发生混凝土楔形体破坏,其角度与理想状态下的破坏角度接近;预埋吊件的直径、预埋到混凝土中的深度、预埋吊件轴心到剪力垂直边缘的距离与抗剪极限承载力之间均呈正相关。

路基填土挤扩锚杆现场试验研究

以汕湛(汕头—湛江)高速公路揭博(揭西—博罗)段的水毁边坡应急抢险工程为依托,开展了路基填土挤扩锚杆现场试验,对比研究了普通锚杆、单盘挤扩锚杆和双盘挤扩锚杆结构力学特性。结果表明:普通锚杆其锚固段前3 m(自锚杆自由段与锚固段接触点起向锚固段延伸至3 m)承受的拉力占比为33.35%;单盘锚杆锚固段前3 m承受的拉力占比为56.65%,双盘锚杆锚固段前3 m承受的拉力占比为61.50‰;单盘锚杆实测极限抗拔承载力为普通锚杆的1.89倍,双盘锚杆为普通锚杆1.73倍;单盘锚杆、双盘锚杆与普通锚杆相比塑性位移占比较低,变形控制效果良好;单盘挤扩锚杆和双盘挤扩锚杆具有良好的工作特性,适合于承受较高荷载的工程应用。

软黏土中吸力锚承载特性离心试验研究

加载倾角和系泊点位置是吸力锚基础最重要的设计要素之一,能够改变锚体的破坏姿态以影响极限承载力。在饱和软黏土地基中选择不同的加载倾角及系泊点位置进行位移控制下的张紧式吸力锚离心模型试验,利用六自由度磁力计装置定量分析了加载倾角和系泊点位置对吸力锚破坏姿态与极限承载力的影响。研究发现,系泊点位置在锚体约2/3高度时,吸力锚发生平动破坏,当加载倾角由35°变化至20°时,在相同的系泊点位置,吸力锚发生后仰破坏,归一化极限承载力稍增大,并且达到极限承载力后仍保持一定的承载力余量;系泊点位置在锚体2/3高度以上时,吸力锚发生前倾破坏,归一化极限承载力降低了25%左右,并且破坏后的承载力余量大大降低。无论破坏模式如何,均未发现锚内土塞与锚有明显分离。

基于横向变形约束弹性地基梁法的既有锚索桩极限承载力研究

以阿坝州岷江电化公司西侧滑坡前缘既有锚索桩为研究对象,既有锚索桩的极限承载力是滑坡综合治理中需要研究的关键。针对该问题,在桩身检测结果和锚索现场抗拉拔试验结果基础上,根据变形协调原理,对横向变形约束弹性地基梁法在桩锚固段地基水平抗力系数按梯形分布下的计算方法进行推导,并采用这种方法进行1-1'剖面既有预应力锚索桩的内力计算。把锚索极限承载力、既有桩身结构承载力和嵌固段地基强度条件共同作为限制条件,通过反分析方式不断逼近限制条件所对应的滑坡推力界限值,发现该工程中嵌固段地基强度对既有锚索桩的极限承载力起控制作用,并最终确定其极限承载力。该文所采用数据及计算方法可为同类工程研究分析提供参考。

定点定向二次注浆对锚索极限抗拔承载力的影响研究

锚索注浆是为了形成锚固段以提供足够的锚固力,锚索注浆质量直接影响着整个深基坑支护体系的安全。在锚索二次注浆管的特定位置安装注浆阀,使锚索二次注浆时注浆液可在注浆阀的径向定点定向高压劈裂一次注浆体和锚固段周围的岩土体,从而在注浆阀环侧形成直径更大、形状更饱满的锚固体,有利于提高锚索的极限抗拔承载力。本研究通过锚索现场抗拔试验分别获得了定点定向二次注浆锚索和传统二次注浆方式锚索的荷载位移数据,并以实测数据为基础,利用指数模型拟合了锚索的Q-s曲线,得到了锚索的极限抗拔承载力值。

基于理论承载性能与应力扩散计算的高强预应力锚索适配垫板设计方法

垫板是高强预应力锚索系统的核心组成构件,当其与锚索间适配性不足时,会出现结构可靠性低以及围岩支护效果差等问题。基于垫板的承载力学特性及其应力扩散作用,提出适配高强预应力锚索的垫板设计方法。为此,首先分析垫板的应力扩散作用与锚索的支护效应间的关联性。其次,基于不同形式垫板的结构受力特征,提出碗形垫板和平板形垫板的理论承载力计算公式,并由此计算得到满足高强预应力锚索承载性能需求的垫板型式及其结构参数。接着,通过建立“垫板(碗形、平板形)-围岩”三维数值仿真模型,分析不同型式及结构参数垫板的围岩应力扩散效果,并由此优选得到适配高强预应力锚索的垫板型式及其结构参数。最后,通过现场应用案例,分析适配垫板下高强预应力锚索系统支护效果。研究结果表明:提出的垫板设计方法实现了对高强预应力锚索系统中垫板的有效选用,适配加载300 kN的高强预应力锚索系统垫板为25 cm×25 cm×16 mm的碗形垫板,其拱高35 mm、孔口半径32 mm、碗底半径75 mm;同时,适配垫板下高强预应力锚索系统的围岩变形控制效果提升了11.9%~15.2%。研究结果有助于提升高强预应力锚索系统的可靠性与支护效果,并为预应力锚固系统中垫板的设计提供了一种可行且有效的方法。

砂卵石地层自钻式锚杆锚固性能现场试验研究

为研究自钻式锚杆在砂卵石地层中的锚固性能,开展了18根自钻式锚杆的现场拉拔试验,从极限抗拔承载力、荷载-位移曲线及界面平均粘结强度等方面进行了分析。结果表明:砂卵石地层中自钻式锚杆的极限抗拔力随锚固长度的增加而增大,当锚固长度超过一定数值后,对提高锚杆极限抗拔力的能力有所下降;在破坏荷载前,自钻式锚杆的抗拔荷载–位移曲线基本呈线性,且位移量较小,达到破坏荷载时,位移量急剧增大,荷载–位移曲线出现明显拐点;锚固体–卵石界面平均粘结强度均值为0.14 MPa,高于该地区卵石层推荐的qsk值0.11 MPa,且锚固长度约在2~4 m时,界面平均粘结强度整体处于较高值。

工字钢近混凝土梁端螺栓剪切性能研究

悬挑式脚手架以其优异的性能(不穿透结构,易于拆卸,可回收利用等)广泛应用于各大施工现场。基于此,本文研究近钢筋混凝土梁端受力时的锚固性能,提出综合考虑不同的预埋位置、预埋深度、混凝土强度对箍筋的疏密的影响,对工字钢近钢筋混凝土梁端的极限承载力进行了有限元分析。结果表明,混凝土破坏是各试件的破坏模式。为了探究工字钢近混凝土梁端螺栓剪切性能,建立了81个有限元模型,采用岭回归线性回归方法对工字钢近钢筋混凝土梁端呈剪切行为时的极限承载力进行了参数化分析。最终得出,混凝土强度和锚固位置对极限承载力的影响较大,锚固深度和箍筋的疏密对极限承载力的影响相对较小,并提出了考虑上述参数的线性拟合承载力预测公式,以便于相关工程进行计算。

软土地层扩体锚索极限抗拔承载力特性及其改进措施研究

为解决软弱土层中预应力锚索抗拔承载力不足的问题,依托实际工程,通过现场拉拔试验,对比分析扩体锚索和普通锚索的极限抗拔承载力,并研究影响扩体锚索抗拔力的因素,提出相应改进措施,为同类工程提供理论依据与改进思路。结果表明:扩体锚索相比普通锚索的极限抗拔承载力可提高20%~40%,在软土地层具有更好的适用性;提出的改进措施可有效控制软弱土层中锚索抗拔力不足的各种因素,使扩体锚索的极限抗拔承载力提高40%以上;工程应用数据证明,扩体锚索能有效控制基坑位移,具有较好的工程应用效果。

锚杆(索)蠕变试验在软土地区基坑支护中的应用

软土因其具有高含水率、高压缩性、低承载力以及复杂结构等工程特性,致使普通锚杆(索)并不宜在软土层中应用。扩大头锚杆(索)可以弥补普通锚杆(索)的不足,提供较高、较稳定的承载力。本文以珠海横琴地区软土基坑支护锚索为研究对象,开展了蠕变试验确定锚索极限承载力,验证了扩大头锚杆(索)在该地区基坑支护的可行性,并且为项目后续设计变更提供了重要依据,也为类似工程提供了宝贵经验。

多支盘锚杆的原型试验与荷载传递特征分析

多支盘锚杆是新近研发的新型锚固结构,与普通锚杆相比具有优良的工程特性。在多支盘锚杆室内模型试验研究的基础上,通过极限平衡理论推导出多支盘锚杆极限承载力理论计算公式,计算模型结果与室内实测数据基本一致,验证了计算公式的有效性。为了进一步掌握多支盘锚杆的荷载传递特性,开展了现场边坡锚固原型试验,利用现场多支盘锚杆拉拔测试所得数据研究了多支盘锚杆的支盘直径、支盘间距和支盘个数对多支盘锚杆极限承载力和变形控制能力的影响。试验结果表明:在粉质黏土中,当支盘间距大于等于4倍支盘直径时,可认为各支盘能独立工作,充分发挥多支盘锚杆的承载力;在相同条件下,与普通锚杆相比,随着多支盘锚杆的支盘直径从300 mm增大到500 mm以及支盘个数从1个增加到3个,多支盘锚杆的抗拔承载力提高非常明显,其变形控制能力也大幅度增强;多支盘锚杆的轴力传递曲线在支盘位置发生突变,呈陡降型,充分体现支盘在抗拔方面的贡献作用。该研究成果为多支盘锚杆的工程应用奠定了良好的理论基础。

G3铜陵长江公铁大桥江北侧锚碇复合型地下连续墙设计

G3铜陵长江公铁大桥主桥为主跨988 m的斜拉-悬索协作体系桥。江北侧锚碇设计时对沉井基础和地下连续墙基础进行比选,综合考虑开挖范围、工程造价、施工工期等,最终采用基底深置的地下连续墙基础,以下伏基岩弱胶结泥质砂岩作为基础持力层,基础高49.5 m,地下连续墙墙底嵌入中等胶结泥质砂岩,地下连续墙高55.5 m。为减小锚碇基础的开挖量,采用大悬臂外挑锚块结构结合CFG桩复合地基加固技术的新型复合型地下连续墙基础,地下连续墙基础直径缩小至60 m,节省了工程造价。锚碇基础施工中基坑分层开挖,同时进行内衬砌施工。采用PLAIXS 3D软件对锚碇施工阶段及运营阶段进行有限元模拟分析,基坑开挖时地下连续墙结构受力安全,锚碇基础地基承载力、地基沉降结果均满足规范要求。

黄河下游冲积地层高压旋喷锚索拉拔特性研究

为揭示黄河下游冲积地层高压旋喷锚索的拉拔特性,基于济南起步区黄河大道地下快速路基坑工程,选取了两组共8根高压旋喷锚索进行拉拔试验,并利用ABAQUS进行单根高压旋喷锚索拉拔精细化有限元计算。通过现场试验与数值计算结果对比,分析了高压旋喷锚索侧摩阻力和端阻力承载机制,研究了极限抗拔承载力的计算方法。结果表明:随加载荷载增大,高压旋喷锚索锚固段从全长弹性到局部塑性再到局部破坏后达到极限承载力,侧摩阻力峰值由端部向后不断传递,锚固体前段4m的侧摩阻力约占总侧摩阻力的86.9%,锚固段长度可进一步优化;加载期间,高压旋喷锚索端阻力持续增大,达到极限破坏时端阻力承担的荷载约占总荷载的30%,使得其位移增量变化较稳定。考虑端阻力提高效应及施工工艺因素,提出了黄河下游冲积地层高压旋喷锚索极限抗拔力承载力计算公式,通过与其他不同计算方法的对比分析,验证了该计算公式的合理性。

锚杆(索)荷载-位移曲线拟合及极限承载力分析

类比工程桩抗压荷载-位移曲线(P-S曲线)研究方法,采用指数模型和双曲线模型对锚杆(索)基本试验P-S曲线进行分析。依托红河综合交通枢纽项目基本试验P-S曲线数据,采用两种模型预测锚杆(索)极限承载力,发现指数模型对极限承载力的预测结果偏于安全。按相关规范要求,锚杆(索)基本试验需在初始荷载的基础上进行循环试验。进行试验数据处理时,可以消除初始荷载后拟合,也可直接进行拟合。采用指数模型预测极限承载力时,消除初始荷载后的拟合结果偏于安全。在拟合的基础上,按规范规定的加载条件及破坏条件判断出破坏荷载,可得到修正极限值。通过对锚杆(索)各基本试验组的拟合分析发现,修正极限值与拟合函数极限值之比约为0.84~0.90。

大跨度地锚式悬索桥弹塑性极限承载力分析

为保证大跨度地锚式悬索桥在运营的安全,探究运营中可能出现的破坏模式,对其弹塑性极限承载力及各构件的破坏顺序进行了研究。以我国某免涂装耐候钢-混组合梁公路悬索桥为工程背景,利用梁格法,采用Mises屈服准则,考虑几何非线性和材料非线性,基于U.L.列式编制了杆系有限元计算程序。选择受力最不利构件确定了6种最不利荷载工况,对各工况下悬索桥的弹塑性极限承载力及各构件的破坏顺序进行了分析。最后对6种荷载工况下的安全性进行了分析,重点分析了工况3和5下主缆与吊索的承载能力富余程度。结果表明:随着荷载的增加,钢梁局部应力达到屈服应力时结构体系依然可以保持弹性状态,但当主缆应力达到屈服应力时,体系开始进入弹塑性阶段;6种工况下该桥各构件破坏顺序不同,工况1~3体系破坏顺序为加劲梁→吊索,破坏模式为局部破坏,工况4~5体系破坏顺序为加劲梁→吊索→主缆→主塔接近破坏,破坏模式为主缆破坏引起的整体破坏;不考虑材料非线性时,会高估悬索桥的极限承载力,在分析极限承载力时材料非线性应予重视;工况3加载时,当加劲梁破坏后,吊索安全储备为37.2%,工况5加载时,当加劲梁破坏后,主缆承载能力富余为9.5%。

某电厂煤场封闭大跨度张弦拱桁架结构分析与设计

某电厂煤场封闭采用大跨度张弦拱桁架结构体系,跨度192m,长度218m,断面采用三心圆形式。满足设备堆取煤作业要求,结合网格规范中拱桁架参数建议,进行了主桁架、联系桁架、交叉撑和拉索布置;根据相关规范考虑荷载效应和荷载组合,进行了结构静力性能和动力性能分析和设计;按照第一阶屈曲模态考虑初始缺陷分布模式,进行了非线性稳定分析;针对拉索锚固关键节点,建立有限元模型进行极限承载力分析,承载力高于拉索破断力;最后给出该种结构设计建议。

岩土锚固安全评价指标体系研究

加强锚杆(索)施工质量控制和工程可靠性检测是岩土支护结构时效性分析的一项重要内容。首先,通过理论研究、模型试验和现场测试等方法,将单锚失效模式归纳为粘结失效、筋材断裂失效、预应力松弛失效和锚具失效,并提出了岩土锚固安全评价指标体系。其次,针对各指标参数的特点,在动力学理论和结构探伤理论基础上,利用现代信号处理技术、神经网络和优化算法等数学手段,建立了锚杆(索)质量检测的力学和数学模型,并研究了不同损伤锚杆在声波和应力波激励下的动力响应规律,确定了单锚安全等级划分方法及其对应的失效阈值。最后,通过确定单锚的锚固力取值,重新计算正常工况下的锚固边坡稳定安全系数,并将其与容许安全系数进行比较,对运营期内的锚固边坡稳定性进行评价,对锚失效后不稳定的边坡提出了原锚补强和增设新锚等处治方法。锚固安全评价与处治技术具有在线、动态、实时的特点,可弥补传统的锚杆(索)拉拔试验的不足,对提高锚杆(索)加固技术和岩土工程的稳定性和可靠性具有促进作用。