【正文】 的嚙合結(jié)構(gòu)，當(dāng)增強(qiáng)材料表面較粗糙時(shí)，這種機(jī)械粘合力對(duì)界面的結(jié)合強(qiáng)度影響也是很可觀的。(2)浸潤(rùn)吸附理論這一理論的主要論點(diǎn)認(rèn)為增強(qiáng)材料基體良好浸潤(rùn)是極為重要的，因?yàn)榻?rùn)不良會(huì)在界面上產(chǎn)生空隙，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中而發(fā)生開裂。同時(shí)，界面層也是裂紋和損傷等破壞容易產(chǎn)生并發(fā)展的區(qū)域，所以近年來界面力學(xué)的研究特別引起了人們的關(guān)注與重視。3．2界面的力學(xué)模型3．2．1界面形成的機(jī)理界面力學(xué)以界面的力學(xué)模型、界面區(qū)域應(yīng)力分布規(guī)律以及界面結(jié)構(gòu)強(qiáng)韌度研究與破壞分析為主要內(nèi)容。(3)建立評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。3．1．3界面力學(xué)的研究方法作為由工程技術(shù)的發(fā)展所催生的學(xué)科，界面力學(xué)一方面必須為結(jié)合材料的強(qiáng)度和可靠性評(píng)價(jià)提供必要理論依據(jù)，另一方面，也必須為新材料、新結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供理論指導(dǎo)。由于在大多數(shù)情況下，在裂紋的兩個(gè)裂尖中總有一端的接觸區(qū)域非常小，于是Dundurs和Gautesen進(jìn)一步提出了一端開口而另一端閉口的界面裂紋接觸模型。將結(jié)合部位理想化為界面，繼而進(jìn)行力學(xué)分析是最早的研究，是1959年Williams[11】的對(duì)界面裂紋進(jìn)行的關(guān)于應(yīng)力振蕩奇異性的研究，包括隨后出現(xiàn)的一些界面裂紋的理論解，都只是對(duì)界面裂紋裂尖應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)學(xué)描述，而不涉及如何評(píng)價(jià)的問題。這種粘結(jié)技術(shù)很快應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)身、船體和車體結(jié)構(gòu)中。(4)提供對(duì)制造高性能界面的理論性指導(dǎo)。因此需要重新建立一個(gè)針對(duì)界面問題的理論體系，以適應(yīng)工程技術(shù)的發(fā)展需要。在大型結(jié)構(gòu)或巖體的解體工程中，也常常利用結(jié)合部位強(qiáng)度較弱特點(diǎn)。一方面在宏觀范圍內(nèi)，各類結(jié)構(gòu)及材料的結(jié)合部，如薄膜涂層材料的涂層界面、金屬／陶瓷結(jié)合界面、異種金屬結(jié)合界面、功能器件與承載構(gòu)件的結(jié)合界面、復(fù)合材料層合板的層間等，對(duì)材料或結(jié)構(gòu)整體的力學(xué)行為乃至其功能性能有著十分重要甚至是支配性的影響；另一方面在細(xì)觀范圍內(nèi)，纖維與基體材料等的界面、晶粒界面、顆粒增強(qiáng)體與基體的界面、介質(zhì)物與基體的界面等力學(xué)行為。(5)拉拔實(shí)驗(yàn)破壞大多是錨桿和錨固劑接觸面的剪切破壞，但是也有的拉拔破壞是由于錨桿到達(dá)極限強(qiáng)度而破壞的，本文的實(shí)驗(yàn)破壞在錨桿和錨固劑的接觸面上。(2)以螺紋玻璃鋼錨桿拔出實(shí)驗(yàn)作為研究分析的基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)得到的載荷—滑移曲線更好的為數(shù)值模擬提供實(shí)驗(yàn)保證，進(jìn)一步的驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。2．4小結(jié)拉拔實(shí)驗(yàn)方法對(duì)于評(píng)價(jià)錨桿與錨固劑之間的粘結(jié)性能具有良好的適應(yīng)性和可靠性。根據(jù)式(2．3)可以討論剪應(yīng)力的分布特征最后得到剪應(yīng)力t(x)沿著錨固段長(zhǎng)度變化曲線的一般形式如圖2．8所示。2．3．2峰值剪應(yīng)力的計(jì)算由理論分析和實(shí)驗(yàn)研究可知，錨桿錨固段上的剪應(yīng)力分布是不均勻的，一般呈負(fù)指數(shù)規(guī)律衰減【7，8】，這種規(guī)律可以用高斯型正態(tài)曲線近似擬合，即錨桿錨固端界面上剪應(yīng)力沿著長(zhǎng)度方向近似呈高斯型正態(tài)曲線變化，其一般表達(dá)式為式中，X為距錨固段部的距離0≤X≤l，P為錨桿最大的承載力，d為錨桿直徑，l為錨固長(zhǎng)度，n為與力的邊界條件以及被加固體材料性質(zhì)等有關(guān)的綜合正常數(shù)。實(shí)際上，錨桿與錨固劑界面上的剪切應(yīng)力沿軸向的分布是不均勻的，但由于本文采用了短埋拔出的實(shí)驗(yàn)方法，所以可用平均剪切強(qiáng)度作為表征錨桿—錨固劑粘結(jié)性能的指標(biāo)。2．3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析由于錨固劑的粘結(jié)強(qiáng)度較高，錨桿的錨固長(zhǎng)度較小，實(shí)驗(yàn)的破壞形式是錨桿從基體中拔出。(4)錨桿與基體進(jìn)行錨固。操作控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)顯示試件的荷載位移變化曲線，直到當(dāng)錨桿從基體里拔出時(shí)，停止加載。(4)錨固長(zhǎng)度的選取，根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模F(xiàn)選取錨固長(zhǎng)度為33mm。本文主要從以下幾方面對(duì)模型進(jìn)行改進(jìn)：(1)試塊中心預(yù)留孔洞，用于錨桿灌漿錨固。在實(shí)驗(yàn)室中不必模擬現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)尺寸。在錨桿錨固的作用下使斷裂不連續(xù)的巖體壓緊、密實(shí)，形成一個(gè)整體，而巖體與錨桿也通過粘結(jié)作用成為一個(gè)錨固整體，與巖體共同變形、共同作用。錨桿桿件實(shí)物圖如2．2所示。采用同一種測(cè)試方法去測(cè)不同情況的界面強(qiáng)度，能夠相對(duì)地反映出界面強(qiáng)度的高低，從這種意義上說是有應(yīng)用價(jià)值的。所以，用上述方法測(cè)得的結(jié)果不能完全反映實(shí)際情況。l取的過小，可能產(chǎn)生～些新的問題。由于本文主要目的是測(cè)試錨桿和錨固劑界面最大剪切強(qiáng)，所以確定合理的錨固長(zhǎng)度的實(shí)驗(yàn)只作簡(jiǎn)單的介紹。要對(duì)錨固的承載力進(jìn)行計(jì)算和分析，必須要用到界面粘結(jié)一滑移關(guān)系，本文進(jìn)行了錨桿一錨固劑的粘結(jié)滑移性能的實(shí)驗(yàn)研究，得到了載荷一滑移曲線，分析了影響錨桿一錨固劑粘結(jié)性能的因素，計(jì)算了界面剪切強(qiáng)度，為本文的理論分析和數(shù)值模擬奠定基礎(chǔ)。這種實(shí)驗(yàn)方法不僅試件制作及實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)結(jié)果便于分析，而且能夠比較準(zhǔn)確地反映粘結(jié)錨固錨桿受力的基本規(guī)律，同時(shí)對(duì)于錨桿外形特征的變化也比較敏感。實(shí)驗(yàn)試件采用長(zhǎng)度為1600mm，直徑為16mm的復(fù)合材料錨桿。通過國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)錨桿的拉拔實(shí)驗(yàn)的研究調(diào)查總結(jié)，同時(shí)參照ACI，ASTM的相關(guān)范圍，并結(jié)合有關(guān)錨桿的設(shè)計(jì)規(guī)程、計(jì)算模型，在標(biāo)準(zhǔn)拉拔實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷幕A(chǔ)上，設(shè)計(jì)適合錨桿本身力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?duì)玻璃鋼錨桿與錨固劑的錨固機(jī)理進(jìn)行探討研究。每種型號(hào)的錨桿在兩種埋置長(zhǎng)度上都分別做4組試樣。通過比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，錨固長(zhǎng)度較長(zhǎng)的桿件實(shí)驗(yàn)所測(cè)得平均粘結(jié)應(yīng)力小于錨固長(zhǎng)度較小的桿件所測(cè)得平均粘結(jié)應(yīng)力。第二章錨桿粘結(jié)性能試驗(yàn)研究2．1錨桿粘結(jié)試驗(yàn)概述2．1．1試驗(yàn)背景目前，對(duì)于玻璃鋼錨桿與巖體的粘結(jié)性能，國(guó)外作了大量的實(shí)驗(yàn)研究，所采用的試驗(yàn)方法主要是直接拔出實(shí)驗(yàn)，也叫做拉拔實(shí)驗(yàn)。得到錨桿在受載荷作用下其界面上的應(yīng)力分步規(guī)律。在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)拉拔試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行有限元分析?；谶@一點(diǎn)本文對(duì)錨固系統(tǒng)的力學(xué)機(jī)理進(jìn)行試驗(yàn)和數(shù)值模擬的研究：錨桿～粘結(jié)材料之間的粘結(jié)作用及其應(yīng)力分布，錨桿在受載荷時(shí)的力學(xué)特性分析，粘結(jié)材料一基體之間的粘結(jié)作用；在此基礎(chǔ)上得到了錨桿上的應(yīng)力分布規(guī)律以及最大承載能力。既然界面粘結(jié)作用是錨固系統(tǒng)承載力的決定因素，那么這方面的研究就顯得越發(fā)重要，以前對(duì)于界面問題，往往采用平均粘結(jié)力的概念，事實(shí)證明這種假設(shè)與實(shí)際情況不符。因此，界面粘結(jié)問題是錨固機(jī)理研究的重點(diǎn)。1．4．2研究意義錨桿，無論它是埋設(shè)于土層、巖石或混凝土中，它總是屬于傳遞主體結(jié)構(gòu)拉力至周圍基體的下部結(jié)構(gòu)的組成部分。錨固技術(shù)出現(xiàn)較早，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，已經(jīng)具有非常大的應(yīng)用范圍，為了指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工，各國(guó)都制定了專門的規(guī)范。由于錨固技術(shù)的便捷性，從上世紀(jì)八十年代開始應(yīng)用到混凝土結(jié)構(gòu)工程中，稱之為混凝土后錨固技術(shù)，混凝土后錨固技術(shù)是在粘結(jié)式錨桿的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。1．4問題的提出及本文研究?jī)?nèi)容1．4．1研究背景纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與傳統(tǒng)的單一金屬材料相比，在材料性能與設(shè)計(jì)方法上有明顯的優(yōu)越性。然而巖土工程的現(xiàn)場(chǎng)、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)精確的實(shí)驗(yàn)條件難以試驗(yàn)，操作復(fù)雜，因此，研究和發(fā)展數(shù)值分析方法在錨固工程中的應(yīng)用是十分迫切和必要的。(3)擠壓作用原理。由于層間抗剪力不足，在載荷作用下，單個(gè)粱均產(chǎn)生各自的彎曲變形，上下緣分別處于受壓和受拉狀態(tài)。1．3錨固工程問題的理論研究及數(shù)值模擬現(xiàn)狀自錨桿投入工程應(yīng)用以來，錨桿的錨固機(jī)理和設(shè)計(jì)方法就一直受到學(xué)者工程師們的關(guān)注，目前有關(guān)錨桿錨固機(jī)理的理論主要有如下幾種：(1)懸吊作用原理，即認(rèn)為錨桿支護(hù)是通過錨桿將軟弱、松動(dòng)、不穩(wěn)定的巖土體懸吊在深層穩(wěn)定的巖土體上，以防止其離層滑脫，錨桿主要起到克服滑落巖土體的重力或下滑力，來維持工程穩(wěn)定。3．提高生活質(zhì)量。拉擠成型工藝的研究始于50年代，60年代中期實(shí)現(xiàn)了連續(xù)化生產(chǎn)，在70年代拉擠技術(shù)又有了重大的突破，近年來發(fā)展更快。1950年真空袋和壓力袋成型工藝研究成功，并制成直升飛機(jī)的螺旋槳。從此纖維增強(qiáng)復(fù)合材料開始受到軍界和工程界的注意。1．2．3玻璃鋼復(fù)合材料在工程中的應(yīng)用樹脂基復(fù)合材料(Resin Matrix Composite)也稱纖維增強(qiáng)塑料(Fiber Reinforced Plastics)，是目前技術(shù)比較成熟且應(yīng)用最為廣泛的一類復(fù)合材料。2．金屬基復(fù)合材料根據(jù)目前研究進(jìn)展，主要是指晶須、硼纖維、SiC、纖維和表面帶有TiB、TiC、SiC等涂層的系列石墨纖維增強(qiáng)鋁、鈦、鎳等復(fù)合材料。一般而言，復(fù)合材料的構(gòu)成有兩大要素：一為基材(Matrix)，另一為補(bǔ)強(qiáng)材料(Reinforcement)，二者予以復(fù)合，以獲得一種高性能、高可靠度及高設(shè)計(jì)彈性的新材料。并加大資金投入力度，完善原材料的配套體系，在此基礎(chǔ)上瞄準(zhǔn)國(guó)際發(fā)展前沿，特別是用于6建材的復(fù)合材料國(guó)際上剛起步，我國(guó)應(yīng)迎頭趕上，才不致落后。復(fù)合材料雖然受到有關(guān)國(guó)家部門的重視，但發(fā)展很不平衡，特別是原材料的配套問題更為突出，加上過去工業(yè)基礎(chǔ)薄弱所以迄今的總產(chǎn)量約為8萬噸，尚低于我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)的產(chǎn)量，特別是先進(jìn)復(fù)合材料更為遜色。我國(guó)在1981年對(duì)華南18座鋼筋混凝土碼頭的調(diào)查表明，盡管使用期僅7．15年，但有16座碼頭的鋼筋嚴(yán)重銹蝕。目前美國(guó)近60萬座橋梁中，有近10萬座鋼筋銹蝕嚴(yán)重。當(dāng)由于施工原因混凝土中加入了外加劑，或冬季防止混凝土橋梁、路面結(jié)冰而撤鹽等，都會(huì)導(dǎo)致氯離子與鋼筋和混凝土發(fā)生復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致鋼筋銹蝕，混凝土脹裂，結(jié)構(gòu)失效。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中如果設(shè)計(jì)得當(dāng)、結(jié)構(gòu)合理、工質(zhì)量可靠，在正常環(huán)境條件下具有良好的耐久性。隨著載荷的增加，載荷傳遞到錨固段長(zhǎng)度遠(yuǎn)端前，錨固劑與巖體間剪應(yīng)力會(huì)發(fā)生逐步弱化或脫開的現(xiàn)象。由圖1．1表明，隨著錨固段長(zhǎng)度的增加，綜合有效因子 急劇下降。澳大利亞MarcA．Woodwor采用BS8081：1989《英國(guó)地錨施工標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》，于1997年，在位于西澳大利亞黑德蘭港的耐而森BHP鐵礦擴(kuò)大生產(chǎn)能力的建設(shè)項(xiàng)目(CEP)中，進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力錨桿的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、監(jiān)測(cè)和施工方法研究，特別是對(duì)錨固段注漿體與地層之間剪應(yīng)力(郎第2界面剪應(yīng)力)進(jìn)行了多次相關(guān)測(cè)試并用于正式設(shè)計(jì)。對(duì)于低壓注漿錨桿，粘結(jié)強(qiáng)度與有效注漿壓力有關(guān)，在無粘性砂土中，取‰=PAtg‘P，其中A為小于1的無量綱經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；P為有效注漿壓力；具體應(yīng)用P值時(shí)通常限制在3．5bar或0．46Hbar以內(nèi)；H為復(fù)土深度(單位為m)；Q為無粘性土內(nèi)摩擦角。1．1．3國(guó)外研究進(jìn)展國(guó)外對(duì)錨固結(jié)構(gòu)各界面剪應(yīng)力分布規(guī)律的研究十分重視，也已做了大量的試驗(yàn)研究工作，其起步也早于我國(guó)，并且初步形成了一些計(jì)算方法。中國(guó)工程院院士、原空軍工程學(xué)院鄭穎人等為確定由于錨桿受拉而增加的洞周附加抗力ob時(shí)指出：“必須先弄清楚錨桿所受拉力?！笨梢哉J(rèn)為，這是這個(gè)時(shí)期有代表性的專著。該書由段振西審閱。所給出的樹脂錨固劑與鋼絞線的粘結(jié)(即第1界面)長(zhǎng)度、樹脂錨固劑與鉆孔巖壁的粘結(jié)(即第2界面)長(zhǎng)度公式與我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范給出的基本一致，它建立在平均粘結(jié)強(qiáng)度基礎(chǔ)之上。冶金部建筑研究總院程良奎等對(duì)北京城大廈深基坑工程中長(zhǎng)12m拉力型錨桿，粘結(jié)應(yīng)變片進(jìn)行了5級(jí)拉拔試驗(yàn)，所得結(jié)果仍為錨桿第1界面應(yīng)變分布狀態(tài)。不過這四個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試結(jié)果均不是理想第2界面上的應(yīng)交分布，這也是不得已而為之。錨固結(jié)構(gòu)與被加固支護(hù)的巖土介質(zhì)構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，錨固結(jié)構(gòu)各界面剪應(yīng)力間存在著強(qiáng)烈而復(fù)雜的相互作用、相互影響的關(guān)系。第l界面是指錨桿桿體與錨固劑之間的界面，第2界面是指錨固劑與孔壁(巖體)之間的界面，第3界面發(fā)生在錨孔壁周圍被加固巖土介質(zhì)內(nèi)部，是一個(gè)廣義的“界面。由于存在不合理，很多研究人員通過對(duì)各種類型錨桿的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、有限元分析和工程錨桿的應(yīng)力測(cè)試，可以對(duì)現(xiàn)有關(guān)規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中的錨桿設(shè)計(jì)公式作了如下修正：式中：為與固定長(zhǎng)度有關(guān)的有效因子；其余符號(hào)同式(1．1)中的符號(hào)?！獦O限抗拔力；R——錨固體半徑；I．——錨固段長(zhǎng)度；t。錨桿根據(jù)錨固系統(tǒng)的不同可以分為三類【l】：機(jī)械錨桿，摩擦型錨桿，粘結(jié)型錨桿。錨固結(jié)構(gòu)具有國(guó)內(nèi)外一致公認(rèn)的技術(shù)先進(jìn)性，他們對(duì)人類工程建設(shè)的貢獻(xiàn)是巨大的。自1934年阿爾及利亞的舍爾法壩加固工程使用預(yù)應(yīng)力錨桿及1957年前西德Bauer公司在深基坑中使用土層錨桿至今，錨固技術(shù)在世界各地得到了廣泛的應(yīng)用。隨著錨固技術(shù)的拓寬和發(fā)展，錨桿幾乎應(yīng)用于土木建筑領(lǐng)域的各個(gè)方面，并且其應(yīng)用領(lǐng)域正在日益擴(kuò)大。除文中已經(jīng)注明引用的文獻(xiàn)資料外，本學(xué)位論文不包括任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的成果?！猙atholithsGraduate Name(Major)：Yao Hai(Engineering Mechanics)Directed by Cui XiaochaoABSTRACTThis paper advances one new material anchor rod technology,namely “replacing traditional steel anchor rod with glass Fiber Reinforced Polymer39。通過以上得到的結(jié)果可以為巖土工程中的安全問題提供可靠的設(shè)計(jì)方案。錨桿—錨固劑—巖體界面力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)研究及其有限元分析中文摘要本論文提出了一種新型材料錨桿技術(shù)，即“用玻璃鋼復(fù)合材料制作的錨桿代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼錨桿，為了更好的解決巖土工程中的安全問題，本文通過實(shí)驗(yàn)的方法和有限元數(shù)值模擬的方法對(duì)錨桿最大承載力和界面上的剪應(yīng)力進(jìn)行了分析，通過改進(jìn)的拉拔實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，同時(shí)提出了一種錨桿～錨固劑一巖體之間界面力學(xué)特性的數(shù)值模擬方法，利用有限元軟件ANSYS分別對(duì)錨桿界面上應(yīng)力分布特征和錨桿在長(zhǎng)期載荷作用下進(jìn)行的蠕變松弛現(xiàn)象做了數(shù)值模擬與理論分析，通過改變玻璃鋼錨桿的蠕變系數(shù)和錨桿直徑來觀察對(duì)錨桿蠕變松弛的影響，最后得到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。(2)對(duì)錨桿一錨固劑一巖體之間的界面力學(xué)特性的數(shù)值模擬得出錨桿界面上的應(yīng)力分布規(guī)律及其最大承載力。——adhesive如果今后以其他單位名義發(fā)表與在讀期間學(xué)位論文相關(guān)的內(nèi)容，將承擔(dān)法律責(zé)任。錨固技術(shù)已經(jīng)成為提高巖體工程穩(wěn)定性和解決復(fù)雜的巖體工程問題的有效方法之一。1912年美國(guó)阿伯施萊辛(Abershlesin)第一次將錨桿用于煤礦巷道的支護(hù)，1915年至1920年在金屬礦山也開始使用錨桿，并有所發(fā)展和推廣。1955年由Rabacewicz提出，后由Lang等人發(fā)展得出拱形壓縮帶作用理論，后者稱為塊狀巖體圍巖隧道錨桿支護(hù)機(jī)理的經(jīng)典理論。但是錨固技術(shù)中主要的問題是錨固結(jié)構(gòu)各界面剪應(yīng)力相互作用關(guān)系與設(shè)計(jì)方法的問題。現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)均采用應(yīng)力均勻分布假