锚固岩体的复合单元法研究

发布时间：2019-01-21 09:43

【摘要】：随着我国基础建设项目在西部地区的大力开展,岩石高陡边坡、高坝复杂地基等问题通常成为工程建设中的重要组成部分,其处理的优良程度直接关系到工程质量、工期、效益,甚至关乎于工程安全、事故隐患等问题。预应力锚索、锚杆等岩体加固措施被大量采用,从应用情况看,关于岩体锚固理论、分析设计方法是滞后于工程实践。因此,围绕岩体锚固技术开展分析方法的研究,对锚固措施的优化、设计指导具有十分重要的理论意义、现实意义。复合单元方法是武汉大学陈胜宏教授近年来提出的一种新的数值分析方法,在加锚节理岩体、渗流排水管、大体积混凝土温控冷却水管等方面的研究取得了可喜的成果,但距离在大规模、复杂工程中应用尚有很多工作需要进一步完善。因此,论文将以岩体锚固措施为对象,开展复合单元法研究,以期为分析岩体锚固措施探索一条可靠、高效、科学的途径。本文的主要研究工作及成果如下： (1)预应力锚索由内锚段、自由段、锚头三部分组成,作为数值分析方法,对内锚段全过程力学行为的合理模拟既是重点也是难点。将预应力锚索内锚段包含于单元内部作为复合单元,自由段和外锚头则借鉴隐式锚索单元的思想按有限单元考虑,引入适当的假定条件,通过各个子单元间坐标系转换,基于弹粘塑性势理论,推导各个子单元的本构方程,应用虚功原理,建立内锚段复合单元、自由段、外锚头有限单元的耦合求解算法,算例结果表明该算法结果与传统分析方法吻合度很好。 (2)在对比分析研究普通砂浆锚杆、空心锚杆和中空注浆锚杆的特点、加固机理的基础上,以中空注浆锚杆为主体,基于变形协调原理推导其复合单元的应变—位移关系式、应用虚功原理推导节点位移—节点荷载的平衡方程,最后建立了锚杆的复合单元广义算法,对该广义算法进行相应的退化即可分析其它2种类型锚杆,算例结果表明该算法结果与传统分析方法吻合度很好。 (3)在研究预应力锚索锚固传力影响因素、机理、剪应力分布规律,以及钢绞线、砂浆和接触面等的力学行为以及材料损伤的过程等关键问题的基础上,基于损伤力学原理、弹粘塑性势理论,将等效黏塑性累积偏应变引入各子单元力学参数,选取合适的损伤变量；将预应力锚固体的损伤演变方程和损伤的本构关系与复合单元法整合,建立了预应力锚固损伤的复合单元算法；算例结果表明该算法结果能很好地反映锚固段荷载传递及应力分布规律,并且与已有研究成果一致。 (4)根据动力学分析原理及复合单元分析方法,推导了加锚节理岩体复合单元法质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵,建立了加锚节理岩体复合单元法动力学分析的控制方程及求解格式；探讨了复合单元法动力分析的关键技术问题,即粘弹性人工边界、地震波的拟合、地震动加速度的积分方法和地震动位移基线漂移处理方法等；最后通过相应的简单算例进行了初步考证与分析。 (5)基于本论文第2章-第5章的研究成果,研制了有限元-复合元耦合计算程序,并成功应用于卡拉水电站岩石高边坡的稳定性分析和锚固效果评估,研究成果已被设计部门参考。
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【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TU45

【参考文献】