摘 要

应用于挡土结构中的锚板，最大主应力方向与锚板平面平行，而目前的研究中通常采用顶部加载的试验方式，垂直方向为最大主应力方向，这就导致试验模拟的应力环境与实际工程中的三向应力状态有较大差别。

根据课题组研发的三向加载拉拔模型箱，采用有限元软件ABAQUS进行三维建模，模拟不同三向应力组合状态下锚板的拉拔过程。

结果表明：最大主应力方向与锚板平面垂直时，锚板两侧边缘处率先发生塑性变形，产生向土体外侧倾斜的剪切带，之后上拔位移增加，剪切变形区域横向发展，宽度增加；最大主应力与锚板平面平行时，锚板两侧边缘处率先发生塑性变形，产生向土体外侧倾斜的剪切带，之后上拔位移增加，剪切带在向上发展的同时从外倾转为内倾，当承载力达到峰值时产生向土体内侧倾斜的剪切带。不同埋深比和应力水平也会影响土体的变形特征和破坏模式，锚板的埋深比越大，承载力峰值越大，达到峰值所需的位移越小，承载力的残余值越大；应力比在一定范围内增大，锚板承载力峰值增大，土体发生剪切变形的区域增加。

关键词：最大主应力；有限元；剪切带；承载力；变形模式；破坏特征

Abstract

For anchor plates used in retaining structures, the direction of the maximum principal stress is parallel to the plane of the anchor plate. However, the current researches usually adopt the top-loading test method and the vertical direction is the direction of the maximum principal stress. This leads to the stress environment and the three-dimensional stress state in actual engineering are quite different.

According to the three-way loading and drawing model box developed by the research group, the finite element software ABAQUS is used for three-dimensional modeling to simulate the uplift process of the anchor plate under different three-dimensional stress combinations.

The result shows that: when the direction of the maximum principal stress is perpendicular to the plane of the anchor plate, plastic deformation occurs at the edges of the anchor plate on both sides, resulting in a shear band inclined to the outside of the soil. Then, the uplift displacement increases, the shear deformation area develops horizontally and the width increases; when the maximum principal stress is parallel to the plane of the anchor plate, plastic deformation occurs at the edges of the anchor plate on both sides, resulting in a shear band inclined to the outside of the soil. Then, the uplift displacement increases, the diraction of the shear band shifts from outward to inward while the shear band develops upward, when the bearing capacity reaches the peak, it generates a shear band inclined to the inside of the soil. Different burial depth ratios and stress levels will also affect the deformation characteristics and failure modes of the soil. The larger burial depth ratio of the anchor plate, the greater peak bearing capacity, the smaller displacement required to reach the peak and the larger residual value of the bearing capacity; moreover, the stress ratio increases within a certain range, the peak bearing capacity of the anchor plate and the area where the shear deformation occurs increase.

Key words: the maximum principal stress; the finite element; the shear band ;bearing capacity; deformation characteristics; failure modes

目录

第1章 绪论 1

1.1研究背景和意义 1

1.2研究现状 2

1.2.1模型试验研究 2

1.2.2 数值模拟试验研究 3

1.2.3理论分析 4

1.3本文研究内容与路线 4

1.3.1研究内容 4

1.3.2研究技术路线 5

1.3.3研究关键技术 6

第2章 锚板拉拔过程有限元模拟 6

2.1三轴试验确定材料参数 6

2.2加载方案的确定 8

2.3 CEL大变形有限元方法 10

2.3.1大变形有限元研究现状 10

2.3.2 CEL法简介 10

2.4锚板模型的建立 11

第3章 锚板拉拔过程数值模拟结果分析 14

3.1不同埋深比的影响 14

3.1.1最大主应力方向与锚板平面垂直 14

3.1.2最大主应力方向与锚板平面平行 21

3.2不同应力比的影响 28

3.2.1最大主应力方向与锚板平面垂直 29

3.2.2最大主应力方向与锚板平面平行 31

3.3不同三向应力组合状态锚板的承载特性和变形特征 34

第4章 结论 38

参考文献 40

致谢 42

第1章 绪论

1.1研究背景和意义

近年来，在基坑工程、隧道工程、边坡工程等领域中岩土锚固技术开始越来越多的被采用。矿井、坝体、海上抗倾抗浮结构中也都可以看到有大量使用的情景。岩土锚固技术能够改善岩土体的应力状态，使岩土体自身强度得到增强，在节约成本和材料，保障施工安全等方面都发挥了重要作用，俨然已经成为岩土工程中的一种重要手段，岩土锚固的应用前景变得越来越广泛。

作为岩土锚固技术中一种重要手段的锚杆支护技术在工程建设中取得了非常好的加固效果。

依靠锚杆在向上拉拔过程中与周边岩土层发生剪切滑动，使结构物的拉力传递到周围土层中，同时周围土层的应力状态得到加强，这样周围土层和结构物都能保持稳定。锚杆主要由锚头，锚固段和自由段三部分组成。裸露在外面位于锚杆端部的锚头，将整个锚杆锁定在外露的稳定结构物上；锚固段是通过注浆凝结而成的一段坚硬结实体，需要被深入到岩土层中，利用锚固段与周边岩土体的摩擦作用传递锚杆所受的拉力，达到加固岩土体的作用；自由段存在于锚头和锚固段之间，将力传递给整个锚杆。在实际工程中，锚杆有很多种形式和分类。有依靠杆体侧摩阻力发挥作用摩擦型锚杆和杆体与水泥砂浆粘结发挥作用的粘结型锚杆；有锚固段前侧受到土体压力的压力型锚杆和依靠杆体与灌浆体剪切传递力的拉力型锚杆;有提前施加预应的预应力锚杆;有锚固段形态为圆柱形、连续球体型和端部扩大头型的锚杆等。

在挡土墙结构、边坡工程以及一些海上抗浮结构中，已经开始广泛采用锚板结构、扩体锚杆与伞型锚等端部扩大的锚固结构，并取得了不错的效果。然而目前对于锚板承载力和拉拔特性的研究通常基于顶部加载或一侧加载的试验装置开展试验。当采用顶部加载的方式进行模型试验时，填料箱中的垂直方向是最大主应力的方向。然而，当应用于挡土结构工程中时，其最大主应力方向往往与锚板面方向平行，这就导致试验模拟的应力环境与实际工程中的三向应力状态有较大差别。当前国内外学者对于锚板在承受三向组合应力状态下的拉拔特性和承载力研究比较缺少，有鉴于此，根据课题组研发的三向加载模型试验装置建立有限元分析模型，模拟实际工程中锚板工作状态所处的三向组合应力状态，进行相应的有限元分析，从而揭示拉拔过程中锚板承载力机理和土体破坏形式。在此基础上讨论不同的三向组合应力条件对承载机理和破坏模式的影响，得到锚板在不同三向应力组合条件下的抗拔承载力计算模型，为挡土墙结构或者边坡工程中的锚板设计提供参考。

1.2研究现状

锚板向上拉拔时周围土体的变形与破坏模式对极限承载力的计算具有重要意义。由于锚板在拔出过程中与土体的相互作用十分复杂，目前并没有一个破坏机制完全适用于所有情况。因此，国内外学者开展了锚板向上拔出时关于土体变形特征和破坏模式的大量理论分析、模型试验研究和数值模拟研究。

1.2.1模型试验研究

Murray^[1]等模拟了砂土中锚板的上拔过程，研究了砂土密实度、锚板表面粗糙程度与埋深对荷载-位移相应的影响，结果表明矩形锚板的承载力随着埋深的增加而增加，随着长宽比的增加而减小；锚板粗糙程度对埋置较深的水平锚板影响更明显。