摘 要

我国的鄂北地区存在着大量的膨胀土，而在存在膨胀土的工程之中，传统锚杆有着锚固力低，无法及时锚固，经济性较差等缺陷。基于传统锚杆的缺陷，水利部长江科学院岩土力学与工程重点实验室开发了一种新型的伞型锚，其受力合理，加固速度快，能够很好的解决这些工程难题。然而，伞型锚的锚固机理还缺乏深入研究，影响了其大范围的正式推广使用。因此，采用离散元数值模拟的方法，对这一新型伞型锚的锚固机理开展研究，揭示其张拉过程中的变形与承载机理，验证其应用价值。模拟了不同外部荷载条件、拉拔速率、伞型锚外形与尺寸、伞型锚夹角对锚固机理的影响，并对单层和多层锚板的情况进行了模拟研究。模拟实验结果表明，为了减小对土层的扰动范围小，且能有较高的抗拔力，宜选择单层伞型锚且有一定的张开角度，不应选择180°平开，同时伞型锚锚板的尺寸也不宜过大。

关键词：伞型锚；离散元；锚固机理；极限承载力

Abstract

There is a large amount of expansive soil in the northern part of China, and in the project of expansive soil, the traditional anchor has the defects of low anchoring force, inability to anchor in time, and poor economy. Based on the defects of traditional bolts, the Key Laboratory of Geomechanics and Engineering of the College of Water Resources and Hydropower, developed a new type of umbrella anchor, which has reasonable force and fast reinforcement speed and can solve these engineering problems well. However, the anchoring mechanism of the umbrella anchor lacks in-depth research, which affects its wide-scale formal promotion. Therefore, the method of discrete element numerical simulation is used to study the anchoring mechanism of this new type of umbrella anchor, revealing the deformation and bearing mechanism during the tensioning process, and verifying its application value. The effects of different external load conditions, drawing rate, umbrella anchor shape and size, and umbrella anchor angle on the anchoring mechanism were simulated, and the simulation of single-layer and multi-layer anchor plates was carried out. The simulation results show that in order to reduce the disturbance range to the soil layer and have higher pull-out resistance, it is better to choose a single-layer umbrella anchor with a certain opening angle, and should not choose 180° flat opening. The size of the umbrella anchor plate should not be too large.

Key words: Umbrella anchor; discrete element; anchoring mechanism; ultimate bearing capacity

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究现状 2

1.2.1 边坡工程锚固研究 2

1.2.2 锚杆的极限拉拔力研究 3

1.2.3 扩大头锚索的理论研究 3

1.2.4 土层锚杆的锚固机理和应力传递稳定性理论研究 4

1.3 离散元研究现状 4

1.4 主要研究内容和关键技术 5

1.4.1 研究内容 5

1.4.2 研究技术路线 5

1.4.3 研究关键技术 6

第2章 新型伞型锚结构设计 7

2.1 传统锚杆的缺陷 7

2.2 伞型锚的基本概述 7

2.3 伞型锚的研究意义 8

第3章 伞型锚拉拔过程数值建模与模拟 9

3.1 伞型锚拉拔模型的建立 9

3.2 伞型锚拉拔过程分析 10

第4章 伞型锚锚固机理数值参数影响试验 15

4.1 不同上覆压力影响 15

4.2 不同拉拔速率影响 19

4.3 伞型锚的尺寸影响 23

4.4 伞型锚的夹角影响 27

4.5 单层和多层锚板情况 31

4.6 双层锚板情况下锚板间距影响 35

4.7 双层锚板情况下上层锚板半径影响 40

第5章 结论 45

参考文献 47

致 谢 49

第1章 绪论

1.1 研究背景

目前，中国经济发展迅速，并且有越来越多的如隧道和边坡类的工程，这对起到支护作用的锚杆来说提出了更高的要求，使锚的需求越来越大，在其所经受的受力环境也变得越来越复杂。在1950年以前，土层中的锚杆支护对边坡隧道进行加固只是一种施工过程中采取的临时性的方法。后来，从国外开始，才渐渐推广使用了小型的永久性灌浆的锚杆和喷射混凝土取代了在之前隧道工程中一直使用的衬砌结构。随着时间的一点点迁移，锚杆技术也得到了充分快速的发展，它不仅仅能够作为一种临时性的结构进行使用，同时，也开始广泛的应用于建造永久性的建筑物。并且锚杆支护能够在的地层也变的更加多样。在1980年之后，在瑞典、德国、日本这些国家都开始对各种情况下的锚杆施工提出了限定要求，在不同的工程情况中，需要使用不用的锚杆施工的工具，需要采用不同的灌浆方式。同时，也在各个国家，由他们自己制定了在使用锚杆过程中的一些规范规程等方案。当今社会，锚杆加固的技术已经在各种边坡工程、隧道工程中，都扮演着极其重要的角色，并且锚杆所处的受力环境，也变得越来越复杂，这也是对锚杆加固技术的一种很严峻的挑战。

在边坡工程和隧道工程，通常使用的锚杆是主要分为三个部分，即锚头、锚固段和自由段。在施工期间的锚杆的两个端部通常连接到该工程的结构和地层。与地层连接的一端是锚头，需要被深入到地层中。而锚固段部分的作用是增加锚杆与土壤之间的抗拔力，即接触部分的粘结摩擦，则可以增加整个锚杆的承压力的大小，把自由段的拉力传递到深层的土体中。而自由段部分的作用就是将预应力施加到整个锚杆。

在实际工程之中，锚杆可以根据不同的标准可分为不同的类别。具体分类如下：

按锚固方式进行分类：摩擦型锚杆

粘结型锚杆

端头锚固型锚杆

混合型锚杆

按锚杆结构形态进行分类：圆柱形锚杆

端部扩大型锚杆

连续球体型锚杆

按锚杆的传力方式进行分类：压力型锚杆

拉力型锚杆

按施加预应力与否进行分类：预应力锚杆

非预应力锚杆

边坡稳定性及其加固技术一直是岩土工程研究者关注的重要问题之一。1980年之后，瑞典、德国、日本等各国就广泛地通过锚杆锚固技术来达到维护边坡稳定的作用。目前常用的边坡加固技术包括支挡结构、抗滑桩和锚杆的锚固技术。其中锚的锚固技术已经成为当今加固边坡最经济、最有效的技术手段之一，因为它能够充分利用土体强度、提高土本身的稳定性、土层适应性强以及成本低的特点。随着土层锚杆技术在永久性土质边坡加固工程中的土建、水利、水电和交通运输的广泛应用，所遇到的工程地质条件越来越复杂和多变的，如何增大土层锚杆的极限抗拔承载力己成为当前土锚研究的主要方向，这就需要我们进一步深入研究锚杆的受力性能及锚土相互作用机理。

1.2 研究现状

1.2.1 边坡工程锚固研究

在边坡工程锚固方面，国内外许多学者都做了大量的研究。

Kumar Jyant^[1]，发现在保持平均埋深比不变的情况下，水平锚的拉拔能力与水平地面相同；而在斜坡上，与边坡平行排列的锚杆，随着边坡倾角的增大，倾覆荷载不断减小。

Xu D等^[2]采用玻璃纤维增强聚合物锚栓加压注浆加固边坡，并用特殊保护的光纤传感的拉伸力分布为曲线型，通过对锚杆的应变数据进行数值微分，得到了锚杆的剪应力分布。

杨光华等人^[3]通过使用可变模量弹塑性强度降低方法计算出了边坡的应力场、位移场和安全系数。

Cai F等^[4]指出了传统锚杆稳定边坡安全系数计算方法的局限性，进一步提出了考虑锚性界面单元模拟土锚相互作用，计算锚固边坡的安全系数。

Zhong L等^[5]提出了边坡临界滑移面动力搜索模型，给出了整个过程中各锚杆张紧力最优稳定解的计算模型，开挖过程中的实时分析和边坡稳定性的验证得以实现。

梅岭等^[6]采用经典的瑞典条分法，基于现有锚杆格构梁支护边坡稳定系数的计算方法，将膨胀力作为外力施加到土体上，并推导出在膨胀力的作用下，膨胀土边坡稳定系数的计

孔维风等^[7]基于FLAC 3D强度折减法进行锚固边坡稳定性分析，采用双弹簧单元模拟锚杆以及锚杆预应力等因素对边坡稳定性的影响。

赵华鹏等^[8]以一理想层状煤系地层边坡为研究对象，运用岩土分析软件 Geo-studio 分析研究了锚杆长度和边坡安全系数的关系。得出随着加固锚杆长度的增加，边坡的安全系数逐渐增大，当加固锚杆的长度超过极限值之后，边坡的安全系数则不再增大。

王海涛等^[9]运用 MIDAS 有限元软件，结合位于大连的石门山高陡边坡这一个实际工程，探讨了预应力锚杆在开应力锚杆可以有效地限制其水平和竖直向的位移，但当预应力超过极限值时，继续增加预应力值对位移变化的影响不太明显。

1.2.2 锚杆的极限拉拔力研究

在锚杆的极限拉拔力这一方面，轴向负荷下，锚杆的拉力主要受所述锚固材料的强度、周围岩石和土壤的相对强度、在杆和灌浆体间的粘结力以及周围岩石土壤和灌浆体之间的粘结力这些因素的影响。

Zhao L H等^[10]利用上力和形状修正系数，经过研究发现锚杆类型、埋深比、材料特性对锚杆极限拉拔力有影响。

Liu X等^[11]研究了锚杆在极限出的受力性能，并建立了一个分析框架，考虑锚固接口的弹塑性应力-应变关系。

谷拴成等^[12] 为了在锚杆设计中容易准确地确定锚固层的抗剪强度，基于弹塑性理论，建立了锚界面的极限抗剪强度参数与锚杆拉出试验曲线之间的理论关系。

吴英华^[13]总结了锚杆夹持力与锚固位移关系的四种模型，并从夹持力分布、载荷位移关系和极限拉力不会随着锚长度的增加而线性增加，但存在一个临界的锚固长度。

1.2.3 扩大头锚索的理论研究

由于传统锚索主要由锚固段侧摩阻力提供抗拔力，而扩大头锚索的抗拔力由侧摩阻力和端阻的工作机制上。用于计算极限拉拔力的现有公式石不适用于扩大头锚索的极限抗拔力的计算的。在扩大头锚索的理论研究比较少见，并且还没有被形成的成熟的极限拉拔力的计算方法。

Little john等^[14]提出拉拔力计算方式，并参照了桩的极限拉拔力的计算方法。

梁月英^[15]基于普通压力型锚杆的弹性力学分析方法，推导出扩孔压力型锚杆锚固体轴向应力及锚固分布规律呈负指数变化，并推导了极限抗拔力计算公式。

杨卓^[16]基于其他人的研究成果，介绍了圆孔扩锚杆的极限拉拔力计算方法。

上述的理论研究和程序公式只考虑了在锚固段近端所受到的土压力，而忽略了在远端的所受在该方法的极限摩擦力标准值，该值对计算结果的影响很大，该参数的精度需求很高。然而，在实际工程中，必须要通过测试才能得到摩擦阻力的标准的标准值。

1.2.4 土层锚杆的锚固机理和应力传递稳定性理论研究

目前，很多学者都进行了大量的研究，锚定机构、负载压力传递机制、锚杆破坏形式及锚固工程的设计及稳定性分析。

张季如等^[17]提出了一种新的荷载传递双曲函数模型，该模型基于锚和锚层之间的剪切力随剪切位移线性增加界锚固长度均取决于锚和锚固层之间的剪切模量与锚的弹性模量的比值，而锚的长度是一个独立无关的参数。

肖淑君等^[18]采用剪切位移法杆承载力的影响。

沈俊等^[19]针对应力分散型的两种锚索进行了锚杆荷载传递规律和加固机制的研究，试验表明两力达到峰值点后，随锚固长度的增大基本上是呈负指数函数关系衰减。

1.3 离散元研究现状

在解决各类问题时，人们更倾向于通过物理力学方法去求解，然而在很多的实际工程中，模型的形状并非规则，同时影响的参数多，并不能直接使用几个方程或者几个解析式来得到需要的答案。所以在这种情况下，数值分析的方法能够起到很好的效果，能够通过大量的方程大量的解析式来模拟最真实的情况。

离散元颗粒流方法，是一种将介质看成为一个一个的单元，它们相互运动，相互影响的方法，而且那些单元粒子本身有着自己的物理化学力学特性。在运动过程中，单元至于相邻单元发生作用。以这种方式，介质的运动就通过离散元的方法离散成了一系列的单元粒子间的运动。

PFC颗粒流办法，主要用于模拟有限尺寸颗粒的运动和相互作用，而颗粒是带质量的刚性体，可以平移和转动。颗粒通过内部惯性力、力矩，以承兑接触力方式产生相互作用，接触力通过更新内力、力矩产生相互作用。

PFC模型中的每一个颗粒都可以被表示成为一个实体，这个实体是一个有着质量和表面各项性质被定义的刚性体。PFC的模型由三个类型组成，分别是body、piece、contact。

其中body主要有三种类型，分别是ball、wall、clump。ball和clump的运动遵守牛顿运动定律，但是wall的运动是用户指定的。因此只有ball和clump有质量、中心位置、惯性张量这些质量特性和在每个接触上的力和力矩，源于重力的体积力，以及外部作用力和力矩这些加载条件。

1.4 主要研究内容和关键技术

1.4.1 研究内容

主要分析内容包括：伞锚锚头展开过程模拟；锚板的尺寸和夹角影响模拟；单层及多层锚板情况下抗拔力、拉拔变形和破坏模式模拟；不同荷载水平和不同拉拔速率影响模拟。

对锚板板面应力、土体应力应变分布及塑性区形态的变化规律，以及破坏后板面应力增长（或衰减）规律进行探讨，为工程应用提供参考。

1.4.2 研究技术路线

收集数据，制定一个计划→计算机数值模拟→PFC颗粒流软件→数值模拟（二维）→不同的情况（拉拔速率、上覆压力、伞型锚尺寸、伞型锚夹角、伞型锚层数、伞型锚层间距）→研究锚板、土体不同性质（土体变形、应力链分布、颗粒速度矢量分布、极限承载力）→得出结论。

1.4.3 研究关键技术

伞型锚在膨胀土的支护过程中，锚板板面应力、土体应力分布及塑性区形态的变化规律，对于深入研究伞型锚在膨胀土中锚固失效的特征以及应力传递非常的重要。

在对土层锚固的研究中，一般采用的都是原位试验或者实验室试验的方法，但是由于试验的过程周期比较长而且需要成本相对高，所以相比于这种方式，数值模拟的方法显然有着其优越性，是一种良好的研究方法。

在伞型锚的拉拔过程中，不同介质，不同土之间相互接触，其力学性质相当复杂，因此，需要选择最合适的数值模拟方法。使用PFC颗粒流软件的离散元的思想，可以解决相互接触的复杂的力学性能的上述问题，并且是用于研究应力分布的很好的方法。

第2章 新型伞型锚结构设计

2.1 传统锚杆的缺陷

传统的机械锚杆虽然有着安装迅速，可及时达到承载力，可二次张紧，但也存在一定的缺陷。特别是在鄂北地区膨胀土中，其锚固力偏低的缺陷十分明显，同时在这种类型的地区，其灌浆凝结时间会比较长，导致对边坡无法起到及时的锚固作用。而也正是因为其锚固力偏低的缺陷，在这种稳定性较低的岩层，如果采用传统锚杆，其需求量必然很大，造价高，经济性就会偏低。

2.2 伞型锚的基本概述

长江科学院提出的快速自锁预应力伞型锚快速加固技术^{[20, 21]}，能够克服上述传统锚杆的缺陷，解决实际工程难题。

新型伞型锚的结构示意图如下图2.1，加固系统如下图2.2所示：

图2.1 伞型锚头结构示意图

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：