拉剪耦合作用下竹筋复合锚杆锚固机理及演化规律研究

China is facing the conservation and reinforcement of a large number of earthen sites, and anchorage is an effective way to solve the problem. Due to the good strain compatibility, high bearing capacity, high corrosion resistance and low cost, bamboo-steel composite rockbolt (BSCR) has been recognized as a promising technique for many earthen site protection projects. BSCR bears the tensile-lateral shearing coupled effect in the process of reinforcing earthen sites, but the anchorage mechanism of BSCR under the coupled effect of tensile-lateral shearing, such as the anchorage performance, characteristics of stress distribution and failure modes, etc., is still poorly understood, which has seriously restricted its real application. Based on damage and fracture mechanics, the objective of this project is to study the anchorage performance, deformation characteristics and failure modes of BSCR by the means of centrifugal model tests, numerical simulation and theoretical analysis. A developed numerical model, which can take interfacial damage and fracture into consideration, will be used to analyze the effects of various factors on the anchorage performance, including installation angle, anchorage length, stiffness, anchorage layers and spacing and roughness discontinuities, based on which the optimal layout of BSCR will also be studied. And the anchorage mechanism and its evolution law of BSCR will be acquired. The output from this research will provide the theoretical basis for the effective and optimal use of BSCR for the conservation of earthen sites.

我国正面临大量土遗址保护与加固问题，锚固是解决该问题的一种有效途径。竹筋复合锚杆因其良好的应变协调能力、高承载力、抗腐蚀性强以及造价低廉等特点，在土遗址保护和加固工程中具有极大的应用潜力。该类锚杆在土遗址土体锚固过程中承受拉力与剪力共同作用，但目前对竹筋复合锚杆在拉剪耦合作用下的锚固性能、应力分布特征、破坏模式等问题尚缺乏科学认识，已成为制约该类锚杆推广应用的主要瓶颈。本课题拟基于损伤与断裂力学理论，综合采用离心模型试验、数值模拟和理论分析等手段，对拉剪耦合作用下竹筋复合锚杆的锚固性能、变形特征与破坏模式进行系统研究，建立可考虑界面损伤断裂的数值分析方法，探讨不同锚杆安设角度、锚固长度、锚杆刚度、锚固层数与间距以及不同粗糙度结构面等因素对竹筋复合锚杆拉剪耦合锚固性能的影响，确定竹筋复合锚杆的最优布设方式，揭示竹筋复合锚杆的锚固机理及演化规律，为竹筋复合锚杆的设计计算及施工优化提供理论依据。

本项目基于损伤与断裂力学理论，结合文献调研以及前期研究成果，采用双剪模型试验、离心模型试验以及数值解析对拉剪耦合作用下竹筋复合锚杆的锚固性能进行系统研究。揭示竹筋复合锚杆在不同安设角度、不同锚固长度、不同锚固层数、不同抗弯刚度等条件下锚固系统的荷载-位移关系、破坏模式、应力应变分布及演化规律。在此基础上，对比分析复合锚杆各组成材料及锚固系统各界面的轴向应力/应变、弯矩、界面剪应力等随荷载变化的演化规律与特征，且通过与只考虑轴向加固作用的普通锚杆对比分析，得出竹筋复合锚杆的抗弯剪作用对边坡稳定性的贡献。最后，以某工程实际边坡为例，采用强度折减有限元法，对其锚固前、后的边坡稳定性进行分析对比，探讨了竹筋复合锚杆对边坡稳定性的贡献。研究结果对竹筋复合锚杆的设计计算及施工优化具有重要的基础理论意义，同时对其他类型锚杆的锚固机理研究也具有借鉴意义。主要结论如下：.（1）结合荷载-位移关系曲线特征，安设角度为 0°的复合锚杆锚固系统所提供的承载力最大，且随着安设角度的增大， 承载力逐渐降低。 破坏方式主要表现为复合锚杆的剪切破坏。.（2）复合锚杆弯矩集中分布在结构面附近，两边锚固段弯矩为负值，体现为向上凸起，中间自由段弯矩为正值，体现为向下凸起。.（3）随着荷载的增大，复合锚杆轴向应力逐渐升高，影响范围逐渐变大；剪应力逐渐升高，且剪应力峰值逐渐向锚固端移动。.（4）通过对比不同抗弯刚度锚杆锚固作用下边坡的变形破坏特征，抗弯刚度较大的锚杆可明显增大边坡的稳定性能，从而表明考虑锚杆的抗弯性能是必要的。.（5）通过对比不同锚固层数条件下的边坡变形破坏特征，2层有机玻璃锚杆布置能够承受更大的荷载，且其破坏方式表现为自上而下渐进破坏。.（6）提出了复合锚杆的轴向位移和切向位移的变形理论，通过该理论获得了负荷-位移曲线中的两个特征点对应的轴向位移和切向位移的理论解。