[发明专利]一种塑性阶段锚杆锚固段侧摩阻力预测方法

说明书

本发明提供一种塑性阶段锚杆锚固段侧摩阻力预测方法，包括：确定锚杆‑岩土层界面位移与侧摩阻力的关系式；利用莫尔‑库伦屈服条件、非关联流动法则表达界面层在塑性流动状态下的径向位移和轴向位移；其中，孔壁产生的位移满足Winkler假设，注浆体产生的位移满足胡克定律，依此建立径向应力方程；根据径向应力方程，联立界面位移与侧摩阻力的关系式，建立并求解界面层的位移微分方程；根据位移微分方程求解结果以及界面位移与侧摩阻力的关系式，获得塑性阶段锚杆侧摩阻力沿锚固深度的分布函数模型，进行侧摩阻力预测。本发明充分揭示并利用了锚杆与岩土相互作用的物理力学性实质，计算精度高，结果稳定可靠，计算参数物理意义清晰，易于实施。

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，具体涉及一种塑性阶段锚杆锚固段侧摩阻力预测方法。

背景技术

锚杆作为岩土锚固技术的重要构件，通过杆体与灌浆层、灌浆层与岩土层之间的摩擦提供抗拔承载力。目前，锚杆侧摩阻力分析模型的局限性主要有两点：(1)无法预测塑性阶段下锚杆侧摩阻力沿着锚固段的分布情况；(2)预测模型中参数的物理意义不明确。

侧摩阻力分布研究的不足导致工程中锚杆极限承载力计算精度较低，在国家设计规范中，锚杆的安全系数值一般取为2，而钢筋砼、钢结构安全系数一般取为1.35-1.4，表明锚杆承载力的计算精度远远小于结构工程，并因此造成大量的资源浪费。目前锚杆承载力的计算结果在很大程度上依据经验进行修正，对于缺乏经验的岩土锚杆，计算精度更低。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了如下的技术方案。

一种塑性阶段锚杆锚固段侧摩阻力预测方法，包括以下步骤：

确定锚杆-岩土层的界面位移与侧摩阻力的关系式；

利用莫尔-库伦屈服条件、非关联流动法则表达锚杆-岩土层在塑性流动状态下的径向位移和轴向位移；其中，径向位移包括：岩土体孔壁受到径向作用力所产生的位移和注浆体受到径向作用力所产生的位移；

当孔壁产生的位移满足Winkler假设，注浆体产生的位移满足胡克定律时，建立径向应力方程；

根据径向应力方程，联立界面位移与侧摩阻力的关系式，建立并求解锚杆-岩土层的位移微分方程；

根据位移微分方程求解结果、以及界面位移与侧摩阻力的关系式，获得塑性阶段锚杆侧摩阻力沿锚固深度的分布函数模型，进行侧摩阻力预测。

优选地，所述确定锚杆-岩土层界面位移与侧摩阻力的关系式，包括以下步骤：

取锚杆中某一深度处的单元体为研究对象，其上表面受此深度轴力作用，下表面受此深度轴力与轴力经过此单元体的变化量的合力作用，四周则受其与锚固体接触面在此深度的摩阻力作用；

在受力模型中，N(z)代表在深度z处单元体的轴力，τ(z)代表深度z处单元体的侧摩阻力；

对于单元体，由静力平衡条件得：

N-N-dN-2πrτ(z)dz＝0 (1)

式中，r为锚固体半径，dz为单元体长度；

整理(1)式得：

由胡克定律，单元体在轴力作用下位移w(z)与轴力N(z)的关系为：

将(3)式代入(2)式，得到w(z)与τ(z)之间的微分方程：

式中，E为锚杆等效弹性模量。

优选地，所述利用莫尔-库伦屈服条件、非关联流动法则表达锚杆-岩土层在塑性流动状态下的径向位移和轴向位移，包括以下步骤：