土层锚固体应力传递及滑脱过程的细观力学研究

In order to obtain the change of stress field, the flowing law, the formation of shear zone, and the process of evolution and progressive failure, and to reveal the law of progressive failure in the soil around anchorage body with increase of the load, stress distribution and the law of deformation and failure of the soil around anchorage body under drawing load are taken as research objects, and micromechanical experiments are conducted by means of the Moiré Interferometry. Constitutive relation of the shear zone around anchorage body is constructed, which is hardening, softening and disengagement, based on the characteristic of axisymmetric problem and the strain flow rule, and stress distribution and displacement characteristics of various anchorage bodies, such as tension-type anchorage body, pressure-type anchorage body and expand-diameter type anchorage body, under drawing load are derived. At the same time, fractal dimension is adopted to describe the contact character between soil and the anchorage body. Interface element that can represent the contact character between soil and the anchorage body is constructed according to experimental research, theoretical analysis and finite element calculation on meso-level. The stress distribution and evolution law with increasing load of various anchorage bodies are analyzed by numerical simulation. Besides, applicable conditions of anchorage body in various soils and effects of anchoring parameters on the limit load of anchorage body are explored in this paper. This study provides research methods of experimental research and theoretical analysis for exploring anchorage theory, establishes the foundation for anchorage systematic theory in soil, and provides theoretical basis for designing anchorage system and choosing parameters at the same time.

针对土层锚固体在拉拔荷载作用下锚固体周边土体应力分布与变形失效规律的研究，通过细观力学实验，采用密栅云纹法获得锚固体周边土体随荷载的加大应变场的变化和流动规律，以及剪切带的形成演化过程，揭示其渐进性破坏规律。根据轴对称问题特点及应变流动规律，建立土层锚固体周边剪切带的硬化-软化-滑脱的本构关系，并由此导出拉力型、压力型、扩径型等及其多元形式锚固体在拉拔荷载作用下应力分布及位移特征。同时，采用分形维数描述锚固体与土体间的接触特征，通过实验研究、理论分析和细观尺度上的有限元计算，构造表征锚固体与土体接触带特性的界面单元，采用数值模拟分析各类锚固体应力分布及随着荷载增大的演化规律。提出各类土层锚固体极限荷载的确定方法，并研究它们的适用条件以及锚固参数的对极限荷载的影响。课题的研究为锚固理论研究提供了实验分析和理论研究方法，为土层锚固系统理论奠定基础，为锚固工程的设计及参数选择提供理论依据。

土层锚固技术是近代岩土工程领域的一项重要组成部分。虽然土层锚固技术的应用范围越来越广，新的锚固方式不断出现，但对其锚固机理的认识与理论研究却相对滞后，尚未形成一种被广泛认可的工程设计理论。根据项目原计划，本项目采用自主研发的基于二维数字散斑的细观力学实验系统，揭示了锚固体周边应变局部化及剪切带形成、演化和破坏规律，发现在锚固体位移初期，锚周土体的剪应变是不均匀、局部和泛散的，随着锚固体位移加大，剪应变区域逐渐延伸并相互连通，最后贯通形成剪切滑移带，并在此基础上根据轴对称问题特点建立了锚固体周边土体剪切带的本构关系。通过锚固体界面几何特征测量实验研究了土层锚固体界面的力学特性，认为锚固体表面粗糙度是影响锚固体界面力学特性的主要因素；采用分形维数描述界面接触特征，并构造了能表征锚固体与土体接触带特性的界面单元。通过数值模拟结合宏观拉拔实验的方法将土层锚固系统失效的全过程分为弹性变形阶段、塑性滑移阶段以及脱粘阶段三个阶段，认为塑性滑移阶段是承受外界荷载的主要阶段，并得到全长粘结式锚固体在拉拔荷载作用下的应力分布特征以及随着荷载增加的演化规律，结果表明，当荷载较小时剪应力最大值出现在孔口位置且数值不大，随着荷载的增大剪应力向锚杆底部传递，达到极限荷载时锚杆上部界面层出现滑脱，剪切应力沿锚杆趋于均匀分布；同时，宏观拉拔实验的结果也印证了界面单元构造的合理性。在此基础上推导了拉力型、压力型和扩径型锚固体应力分布，并分析了不同因素对剪应力分布和演化的影响。本项目的研究为锚固理论研究提供了实验分析和理论研究方法，对发展岩土工程锚固技术、完善滞后于应用研究的锚固理论有着重要的意义，同时为锚固技术的研究、计算和设计提供可靠的理论依据。