基于分形特征的土层-锚固体界面本构关系研究

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现场试验和理论研究发现:灌浆体周边剪应力分布是不均匀性的,可以通过指数函数、双曲函数、高斯函数等来描述其分布情况。但这些研究都是基于对锚固体进行拉拔实验通过实测值拟合得到的。由于灌浆体施工参数和岩土体初始状态不尽相同,各类模型并不能对锚固体剪应力分布情况和拉拔失效过程进行全面解释。  影响土层全长粘结锚杆承载力的主要因素为水泥砂浆特性、锚固长度、围压水平等;而进一步研究发现灌浆体表面具有微观的皱曲,这种粗糙的表面对锚固力学传递过程有着至关重要的影响。锚固力学传递规律及其演化过程作为锚固理论的重要组成部分,反映了锚固系统从加载到失效的过程,尤其是临近失效的力学状态。它对于确定锚固有效长度、设计参数、锚固设计方法有着至关重要的意义。对灌浆体与土体之间粘结力的传递及滑脱过程必须考虑包括灌浆体表面粗糙程度在内的实际接触情况。  通过对影响灌浆体状态的可预见性因素如:粘土种类、密实程度、含水率、灌浆体水灰比、灌浆体含砂率、砂类、钻孔方法等进行分类和控制,采用均匀实验设计的方法,获得上述不同因素组合下的灌浆实体。然后采用接触测量的方法,获得大量的一维曲线来表征其表面粗糙程度。采用尺码法、结构函数法两种方法对数据进行处理,并对实验因素和维数值的关系进行了初步的讨论,发现密实程度和掺入水泥浆的砂砾种类对分形维数值有较大影响。  接下来利用WM函数生成特定维数曲线,并导入ANSYS生成土层锚固体界面模型。实现了界面细观破坏机制描述的塑性贯通区,获得了模型从加载到失效的力学数据。着重讨论了界面演化过程中水平位移分量和总位移量的变化特征,发现随着剪应力水平提高,界面层处的水平位移梯度逐渐提高,在临界状态下梯度极大,总位移量由连续分布向非连续分布转变;针对模型中部竖直路径上的水平位移分量分析,发现其在不同剪应力水平下分布具有明显差别;利用能量的观点对“围压可在一定程度上提高拉拔承载力”的结论进行了解释;最后提取界面曲线中部某点在不同剪应力水平作用下的Ux分量,提出了四线性的本构模型。
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