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非预应力粘结锚杆荷载传递机理与高精度数值模型构建研究

一、引言

1.1研究背景与意义

1.1.1研究背景

随着我国基础设施建设的大力推进，岩土锚固技术作为岩土工程领域的重要分支，在边坡、基坑、矿井、隧洞、地下工程，坝体、航道、水库、机场及抗倾、抗浮结构等众多工程建设中得到了广泛应用。非预应力粘结锚杆作为岩土锚固的一种关键形式，凭借其独特的优势，在各类工程中发挥着不可或缺的作用。

非预应力粘结锚杆通过在钻孔内填充粘结材料，将锚杆杆体与周围岩土体紧密粘结在一起，依靠粘结力和摩擦力来传递荷载，从而达到加固岩土体、提高其稳定性的目的。在边坡工程中，非预应力粘结锚杆能够有效阻止边坡土体的滑动，增强边坡的稳定性，保障周边建筑物和道路的安全；在基坑工程中，它可以对基坑侧壁土体进行加固，防止土体坍塌，为基坑的开挖和后续施工提供安全保障；在地下工程中，非预应力粘结锚杆能够增强围岩的自稳能力，确保地下洞室的稳定，保证工程的顺利进行。

然而，由于岩土体的复杂性和多样性，以及锚杆与岩土体相互作用的复杂性，非预应力粘结锚杆的荷载传递机理尚未完全明晰。不同的地质条件、锚杆参数和施工工艺等因素，都会对锚杆的荷载传递特性产生显著影响。此外，现有的数值模型在模拟非预应力粘结锚杆的工作性能时，也存在一定的局限性，难以准确地反映锚杆与岩土体之间的复杂相互作用。因此，深入研究非预应力粘结锚杆的荷载传递机理，并建立更加准确、可靠的数值模型，对于提高岩土锚固工程的设计水平和施工质量，确保工程的安全稳定运行具有重要的现实意义。

1.1.2研究意义

本研究致力于非预应力粘结锚杆荷载传递机理解析与数值模型研究，具有重要的理论与实践价值。

在理论层面，目前非预应力粘结锚杆的荷载传递理论尚不完善，对其复杂力学行为的认识存在诸多不足。通过本研究，有望深入揭示锚杆与注浆体、注浆体与岩土体之间的荷载传递规律，明确各因素对荷载传递的影响机制，从而丰富和完善锚杆锚固理论体系，为岩土锚固技术的进一步发展提供坚实的理论支撑。

从实践角度出发，准确把握非预应力粘结锚杆的荷载传递机理，能够为工程设计提供更为科学合理的依据。在实际工程设计中，可以根据不同的地质条件和工程要求，精准地确定锚杆的长度、直径、间距等参数，优化锚杆的布置方案，提高锚杆的锚固效果，从而有效降低工程成本，提高工程的经济效益。同时，在施工过程中，依据研究成果可以制定更加科学的施工工艺和质量控制标准，确保锚杆的施工质量，增强工程的安全性和稳定性。此外，研究成果还能为既有工程的检测、评估和加固提供有力的技术支持，保障既有工程的正常使用和安全运营。

1.2国内外研究现状

1.2.1非预应力粘结锚杆荷载传递机理研究现状

在非预应力粘结锚杆荷载传递机理的研究方面，国内外学者开展了大量工作。国外研究起步较早，Lutz、Hanson和Goto等学者在20世纪60-70年代通过试验和理论分析，指出锚杆表面微观粗糙皱曲对锚杆与灌浆体之间结合力的影响。在破坏前，锚杆和灌浆体之间的结合力发挥作用；当发生一定相对位移后，两者界面部位破坏，摩擦阻力起主要作用，且摩擦阻力随灌浆体剪胀而增加，增大锚杆表面粗糙度可提高摩擦阻力。对于光面锚杆，结合主要取决于滑动前附着力和滑动后的摩擦力；竹节锚杆的结合力则主要取决于表面突节机械作用。

国内研究也取得了丰硕成果。黄明华等通过建立非线性剪切滑移模型，获得锚固段轴力和剪应力解析解，发现剪应力峰值点。张季如等假定界面剪应力与位移呈线性关系，建立了荷载双曲线模型。叶根飞等通过实验，研究了应力沿界面长度分布规律。还有研究表明，锚固界面剪应力先增加后呈负指数递减，轴向应力也呈现负指数递减规律，锚固体界面剪应力主要分布在锚杆前端，并且呈现先增加再减小的规律。

然而，目前研究仍存在一些不足。一方面，岩土体的复杂性和多样性导致难以全面考虑所有影响因素，如岩土体的各向异性、流变特性以及地下水等环境因素对荷载传递的影响研究还不够深入；另一方面，虽然提出了多种理论模型，但这些模型往往基于一定假设，与实际情况存在一定差异，模型的通用性和准确性有待进一步提高。

1.2.2非预应力粘结锚杆数值模型研究现状

在数值模型研究方面，目前主要有有限元法、有限差分法、离散元法和边界元法等。有限元法是应用最为广泛的数值模拟方法之一，它能够较为准确地模拟锚杆与岩体的复杂几何形状和材料特性，通过合理设置单元类型和本构模型，可以较好地反映锚杆与岩体之间的相互作用。例如，在一些研究中，利用有限元软件建立了锚杆-岩体的三维模型，分析了不同工况下锚杆的受力和变形情况。

有限差分法以差分原理为基础，将求解区域划分为差分网格，通过差商代替微商，把控制方程转化为差分方程进行求解。该方法在处理一些简单的岩土工程问题时具有计算效率高的优