复合功能梯度锚杆M-FRP与岩体相互作用的力学行为研究

FRP锚杆良好的防锈性能使其在土木工程中的应用迅速扩展，但是较差的延展性同时又制约着其广泛使用。本项目拟研究一种新型复合功能梯度锚杆M-FRP（Metal-FRP），同时解决防锈和延展性问题，拓展FRP锚杆的使用范围，提高其力学性能和耐久性。新型M-FRP锚杆需要解决几个基本力学问题：1、建立M-FRP与岩体相互作用的力学模型，研究分析锚岩界面力的相互作用以及损伤、断裂等力学机理；2、M-FRP本构关系以及功能梯度层力的传递方式研究；3、岩体流变效应所引起的预应力损失对M-FRP锚杆受力影响性分析。新型锚杆的结构主要依赖于锚岩相互作用的力学环境，采用细观力学、复合材料力学、界面力学、流变力学等基本理论，借助数值计算分析和实验测试，建立M-FRP的本构及其与岩体相互作用的力学模型，形成分析方法，为其微结构设计与工程应用奠定力学理论基础。

本项目核心是为了解决土木工程中金属锚杆锈蚀和FRP锚杆脆断提出了功能梯度复合型锚杆，引出了几个基础性问题：1、功能梯度材料的弹性力学理论求解；2、含功能梯度层的多材料力学求解方法；3、岩体流变效应对含功能梯度锚杆结构的相互作用力学机理。.复合功能梯度锚杆与岩体相互作用力学行为，是本项目需要解决的关键科学问题。.2011年获得资助后，组织3名教授、3个博士生、4名硕士生建立研究组，围绕申请书中研究内容具体开展了以下研究工作：.1、针对梯度非均匀材料弹性力学分析中的一些基本问题，以经典的弹性力学求解方法—傅里叶级数方法为基础，系统地进行了模量呈线性和指数变化情况的研究。.2、复合功能梯度锚杆MFRP与岩体相互作用是本项目的重点研究内容之一，从锚固体荷载传递机理、岩体流变特性对锚杆应力分布的影响以及夹粘弹性层功能梯度复合梁方面研究了锚岩相互作用机理。.3、研究了功能梯度及其复合材料的数值解法和基于层合板理论的等效解法。.4、探讨了功能梯度锚杆结构设计原理、分析方法、实验测试方法以及试件加工制作方法。.以上工作完成了申请书主要基础理论部分和基本实验测试部分，由于所设计的功能梯度层技术要求高，难以达到理想水平，所制作试件可以满足针对锚杆本身的理论分析要求，而对室外的现场测试因为意义不大而放弃。这些研究数据借助于已有锚岩室外测试文献数据可以支持本项目理论研究。.培养博士研究生3名（2名毕业），培养硕士研究生4名（3名毕业）。.共发表学术论文18篇，其中SCI文章6篇，EI文章5篇。.所取得的具体学术成果有：.1、获得了梯度非均匀多相材料在线性和指数变化下的弹性力学解；.2、基于特征法得到了非均匀材料圣维南衰减率，解决了非均匀材料端部应力集中问题；.3、采用经典的“交叉级数叠加法”理论求解了非均匀问题的弹性场，获得了矩形非均匀材料解析解；.4、建立了夹粘弹性层功能梯度复合梁力学模型，分析粘弹性界面对功能梯度应力分布的影响；.5、采用分离式模型，利用cohesive单元模拟界面粘结滑移本构关系，建立了轴对称拉拔有限元模型；.6、根据基于荷载传递机理理论的锚杆轴力基本微分方程，获得了Kelvin微元体和经验流变模型微元体的轴力随时间的变化规律；.7、建立了含功能梯度多材料有限元方法及基于层合板理论的等效方法；.8、初步形成了新型MFRP试件制作及实验方法。