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锚杆是将拉力传递到稳定的岩层或土体的锚固体系,这种体系在工程领域有着广泛的工程应用与前景,但是目前其理论研究滞后于工程应用,满足不了工程需求,其锚固机理以及锚固段应力分布规律、界面力学行为等都还没有得到统一的解答,对锚杆的设计也主要采用稳定系数的方法。因此,研究锚杆的锚固机理以及对影响锚杆锚固效果的参数进行分析,有着实际的工程意义。本研究主要内容包括: ⑴基于局部变形理论,探讨了拉力型锚杆界面剪应力和轴向荷载分布形态,该分布形态表现为双曲线形式,分析曲线发现,锚杆的前半部分承担着锚杆锚固承载力的80%;同时分析该函数发现影响锚杆锚固效果的主要参数有锚固体的几何参数r、锚固体的材料参数综合弹性模量E、围岩体与注浆体的综合参数K。 ⑵基于莫尔—库伦强度准则以及基本假定,推导了拉力型锚杆锥形破坏半径范围的理论计算公式,拉力型锚杆在极限状态下,锚杆有不同的破坏形式,岩体破坏面形式与锚杆的锚固长度有关,根据锚固长度确定锚杆的临界锚固长度,锚杆分为长锚破坏和短锚破坏。其中发生长锚破坏时,破坏面为柱面和曲线回转面组成的复合面,发生短锚破坏时,破坏面为单一的双曲线回转面。 ⑶通过设计不同的锚固参数,对锚杆进行拉拔实验,得到了锚杆在拉拔过程中不同破坏形态的荷载—位移曲线,该荷载—位移曲线为拉拔过程中的全曲线,包括了锚杆破坏的初期、荷载持续期、以及残余摩擦期;并记录了破坏发生的全过程。通过拉拔过程中的荷载—位移曲线分析,将锚杆在拉拔过程划分为弹性阶段、弹塑性阶段、脱粘阶段、残余摩擦阶段,并对每一阶段的界面剪应力做了详细分析,为锚杆体界面力学模型提供参考。 ⑷研究了不同锚固参数下锚杆各界面剪应力分布情况,通过实验发现锚杆在沿杆体和垂直于杆体两个方向都是衰减的,并非均匀分布;在靠近孔口最大,锚杆的主要承载力主要在锚固段的前部。锚固类结构各界面剪应力存在着相互作用关系,其中第二界面剪应力是第一界面剪应力不断衰减的结果。 ⑸采用数值分析软件对影响拉力型锚杆锚固效果的参数进行数值分析,分析了在不同锚固条件下锚杆的锚固效果,主要参考了围岩类型、灌浆体强度、灌孔直径、锚固深度几个因素。通过分析发现,锚杆锚固效果是受多因素控制的,锚杆锚固效果存在着一个合理的锚固长度以及一个最佳孔径比,选择合理的锚固参数可以优化锚固效果,同时有利于锚固系统各材料充分发挥性能。