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基于氮化硼砂浆锚固体的边坡抗震韧性提升技术研究

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基于氮化硼砂浆锚固体的边坡抗震韧性提升技术研究

作者：唐玮男重庆交通大学

学位级别：硕士

我国土地广袤拥有大量的地震活跃区域,地震运动频繁。锚杆支护作为土质边坡中常用的支护措施,对地震的抵御能力较低,系统恢复困难,韧性较差,在地震作用下,易发生不可逆转的破坏,一旦失效便为永久性失效。因此提升锚固系统韧性,提高其抗... 详细信息

我国土地广袤拥有大量的地震活跃区域,地震运动频繁。锚杆支护作为土质边坡中常用的支护措施,对地震的抵御能力较低,系统恢复困难,韧性较差,在地震作用下,易发生不可逆转的破坏,一旦失效便为永久性失效。因此提升锚固系统韧性,提高其抗震能力,对于提高人民的生命财产安全以及国家重大交通战略的部署具有重要意义。本文依托国家重点研发项目子课题“重点区结构安全和抗灾韧性提升关键技术与装置”（编号2021YFB2600604,2021 YFB2600600）,以高烈度地震区高压注浆锚杆支护土质边坡为载体,基于多孔介质流体力学理论、接触力学、材料力学、韧性评价理论等,采用理论分析、室内试验、数值分析相结合的研究方法,对高压注浆条件下锚固段浆体扩散范围、氮化硼砂浆锚固段力学性能、锚固边坡动力响应特性与韧性评价方法进行分析研究,并且开展针对性试验,具体研究内容及结论如下:（1）基于多孔介质流体力学建立非饱和土幂律型浆体渗透扩散模型,对扩散参数解析后表明,锚孔半径、时间、渗透系数、注浆压力对渗透扩散行为为正向影响;而稠度系数、流变指数、孔隙率、基质吸力则为负向影响。结合氮化硼浆体流变试验发现,随着氮化硼粒径增大,浆体的稠度系数与流变指数随之减小;同时塑性粘度与屈服应力也同步减小,但浆体扩散范围却随之增大。随着其添加量的增多,浆体稠度系数、塑性粘度与屈服应力同步增大,而流变指数与浆体扩散范围呈现出减小的趋势。（2）通过开展氮化硼砂浆锚固段力学试验发现,当氮化硼粒径较小时,对锚固砂浆抗压强度、抗折强度、弯曲韧性,耦合土体无侧限抗压强度、摩擦角、粘聚力均有明显提升效果;当粒径较大时,氮化硼对锚固砂浆与耦合土体强度参数提升效果减弱,甚至对砂浆抗压强度、弯曲韧性、耦合土体无侧限抗压强度有所衰减。随着氮化硼添加量的增多,砂浆抗压强度、抗折强度、弯曲韧性,耦合土体无侧限抗压强度、摩擦角、粘聚力均呈现出先增大后减小的变化趋势,在0.5%时到达峰值。其中提升效果最明显的是添加量为0.5%的50nm氮化硼试件,对砂浆抗压、抗折强度、弯曲韧性分别提升24%、32%、48%;耦合土体无侧限抗压强度、摩擦角、粘聚力分别提升18%、6%、8%。（3）基于土层锚杆拉拔试验,对锚杆破坏模式与荷载传递特性进行分析,揭示了界面应力破坏演化规律。研究表明,氮化硼砂浆锚杆在拉拔过程中主要经历:粘结阶段、滑移阶段、破坏阶段。锚-土界面粘结应力行为属于典型的应力强化型。锚杆轴力与锚固深度的关系呈现出倒“S”型曲线衰弱分布,同时曲线在70mm处存在明显拐点。拉拔荷载较小时,锚-杆界面粘结应力集中区分布在锚杆中上部（45mm）,锚杆中、下部粘结应力呈现负指数状分布;当荷载不断增加,部分试件粘结应力集中区呈现出逐渐向锚杆中部转移的趋势。当氮化硼添加量为0.5%,粒径为50nm时锚-土界面粘结强度最大,为542.11k Pa且轴力与锚-杆界面粘结应力分布更加均匀。确定最优添加比例为0.5%的50nm氮化硼材料。（4）基于FALC 3D建立考虑扩散作用的普通砂浆与氮化硼砂浆的锚固边坡、普通砂浆锚固边坡、氮化硼砂浆锚固边坡共四个模型,并对模型在7、8、9级烈度地震作用下的动态响应进行研究。结果表明,考虑扩散作用后氮化硼砂浆锚固边坡最大位移减小6%、10%、3%,锚杆轴力峰值分别减少10%、17%、16%;考虑扩散作用后普通砂浆锚固边坡最大位移减小7%、17%、4%,锚杆轴力峰值分别减少35%、16%、20%。此外,考虑扩散作用的氮化硼砂浆锚固边坡与普通砂浆锚固边坡相比坡体加速度放大系数减少38%、4%、6%;边坡最大位移减小37%、6%、4%,氮化硼砂浆有效减小了共振效应,控制了边坡最大位移的产生与发展。同时,锚杆轴力峰值分别减小0.1%、2%、16%;锚杆界面位移峰值分别减小34%、5%、4%。在地震过程中锚杆主要承受拉力,产生向坡外的界面位移,呈现出锚杆被拔出。（5）构建以锚-土界面粘结强度与锚杆界面能量为评价指标的韧性计算模型,根据现有规范标准与理论对韧性等级划分,并提出判定标准,将边坡韧性评定为三个等级,即:Ⅰ级（高韧性）、Ⅱ级（中韧性）、Ⅲ级（低韧性）,判定标准为:Re1e为Ⅰ级、Re2ee1为Ⅱ级、Ree2为Ⅲ级,在锚-土界面粘结强度指标下:Re2分别为0.500（黏性土）、0.500（砂土）、0.470（碎石土）;Re1分别为0.750（黏性土）、0.750（砂土）、0.735（碎石土）;锚杆界面能量指标下:Re2为0.500;Re1为0.750。（6）依据工程实例,对考虑扩散作用的普通砂浆与氮化硼砂浆的锚固边坡、普通砂浆锚固边坡、氮化硼砂浆锚固边坡进行韧性评价。研究表明,考虑扩散作用后,锚-土界面粘结强度性能、锚杆界面能量性能与韧性指标均有所提升。在7、8级烈度地震

关键词：锚固边坡扩散模型地震响应氮化硼韧性提升

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锚固边坡锚索二次张拉时机的分析

公路交通科技（应用技术版） 2020年第9期16卷 4-8页

作者：孔世调刘泽刘遵鹏浙江交工国际工程有限公司浙江杭州310051 湖南科技大学土木工程学院湖南湘潭411201 河南省尧栾西高速公路建设有限公司河南洛阳471000

以郑西(郑州至西峡)高速公路EK1+640断面深路堑边坡为背景,对该边坡支护锚索的预应力进行了现场监测,分析了锚索预应力的损失规律及二次张拉时机,得到的主要结论如下:锚索张拉完成后,所有锚索的预应力均会出现不同程度的损失,预应力损... 详细信息

以郑西(郑州至西峡)高速公路EK1+640断面深路堑边坡为背景,对该边坡支护锚索的预应力进行了现场监测,分析了锚索预应力的损失规律及二次张拉时机,得到的主要结论如下:锚索张拉完成后,所有锚索的预应力均会出现不同程度的损失,预应力损失程度较大的锚索集中作用于每级边坡的坡顶处;对各个锚索二次张拉时的补偿效果进行了分析,可以知道锚索的预应力损失量越大,对其进行二次张拉时,其二次张拉时的预应力补偿比越大,其二次张拉的效果越明显;虽然在理论上讲,锚索张拉完成后的时间越久,对其进行二次张拉时锚索预应力的补偿效果越明显,但在张拉完成第20天以后的各个时间点对锚索进行二次张拉,其预应力在稳定阶段的值变化并不大,因此在锚索张拉完成第20天以后的各个时间点对锚索进行二次张拉,均可达到理想的预应力补偿效果。

关键词：锚固边坡预应力损失现场监测二次张拉

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锚杆参数对锚固边坡抗震性能的影响

山地学报 2013年第6期31卷 753-759页

作者：徐乾张永兴陈建功重庆大学土木工程学院山地城镇建设与新技术教育部重点实验室

提出了一种简化的锚杆岩土体相互作用的动力学模型,结合该模型,借助ANSYS有限元程序建立数值模型。为了研究了锚杆参数(弹模、横截面积、长度、间距)对锚固边坡的影响,通过变化各个参数,分析其对锚固边坡的抗震性能(位移、加速度和应力... 详细信息

提出了一种简化的锚杆岩土体相互作用的动力学模型,结合该模型,借助ANSYS有限元程序建立数值模型。为了研究了锚杆参数(弹模、横截面积、长度、间距)对锚固边坡的影响,通过变化各个参数,分析其对锚固边坡的抗震性能(位移、加速度和应力)的影响。分析结果表明:锚杆参数对锚固边坡抗震性能影响强弱不一,甚至还会起反作用。增大锚杆横截面积可以有效提高边坡抗震稳定性(位移最大降幅可达33%,加速度最大降幅37.4%,应力最大降幅42.37%);减小锚杆间距也可以改善边坡抗震性能(位移最大降幅可达7.53%,加速度最大降幅9.85%,应力最大降幅38.3%);而提高锚杆弹模并不能有效降低边坡变形,相反还会增大边坡水平地震加速度(最大增幅可达13.8%);增大锚杆长度对边坡抗震性能提高不大。因此,应通过调整合适的锚杆参数,来改善边坡抗震稳定性,这些结论对于锚固边坡的抗震设计有一定的借鉴作用。

关键词：锚杆参数锚固边坡抗震性能 ANSYS 抗震稳定性

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锚杆参数对锚固边坡抗震性能影响研究

岩土力学 2013年第S1期34卷 472-478,493页

作者：徐乾张永兴陈建功重庆大学土木工程学院重庆400045 重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室重庆400045

分析了锚固边坡锚杆与岩土体在动力荷载下的黏结机制,提出了一种简化的锚杆岩土体相互作用的动力学模型,推导了锚杆岩土体系统的动力响应解析解。结合该简化的锚杆岩土体动力学模型,借助ANSYS有限元程序建立锚固边坡数值模型,分析了在... 详细信息

分析了锚固边坡锚杆与岩土体在动力荷载下的黏结机制,提出了一种简化的锚杆岩土体相互作用的动力学模型,推导了锚杆岩土体系统的动力响应解析解。结合该简化的锚杆岩土体动力学模型,借助ANSYS有限元程序建立锚固边坡数值模型,分析了在地震荷载作用下,锚杆参数(弹性模量、横截面积、长度、间距)变化对锚固边坡抗震性能(位移、加速度、应力)的影响。分析结果表明:锚杆参数对锚固边坡抗震性能影响强弱不一,增大横截面积可以有效提高边坡抗震稳定性,减小间距也可以改善边坡抗震性能;而弹性模量和长度对边坡抗震性能提高不大,甚至还会起反作用。这些结论对于锚固边坡的抗震设计有一定的借鉴作用。

关键词：锚杆参数锚固边坡抗震性能 ANSYS 简化动力学模型抗震稳定性

基于改进变权-TOPISIS的锚固边坡失稳风险评估

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重庆交通大学学报（自然科学版） 2021年第2期40卷 108-115,142页

作者：叶险峰韩以江祝敕捷程雍湘潭大学土木工程与力学学院湖南湘潭411105

针对不同的变权函数有不同的适用范围,当决策评估对象中包含组态失衡度相差较大的多组状态值时,传统的变权函数适应性较低的问题,构造了一种基于组态失衡度和状态值的混合型状态变权函数。在实际应用中,因激惩平衡区间划分,使得状态值... 详细信息

针对不同的变权函数有不同的适用范围,当决策评估对象中包含组态失衡度相差较大的多组状态值时,传统的变权函数适应性较低的问题,构造了一种基于组态失衡度和状态值的混合型状态变权函数。在实际应用中,因激惩平衡区间划分,使得状态值离散度无法准确体现组态失衡度,为此提出了一种基于状态值到激惩平衡区间边界的距离的组态失衡度度量方案,将TOPISIS法与改进的变权函数相结合构成变权评估模型,并应用于基于多期监测数据的锚固边坡失稳风险评估中。研究结果表明:所提出的变权评估模型适用于锚固边坡失稳风险评估,同时其变权调节度与组态失衡度大小变化方向能保持完全一致,对优势和劣势状态敏感度更高,适用性更高、效果更好,为包含多组状态值的决策评估提供一种方法参考。

关键词：岩土工程 TOPISIS 状态变权函数锚固边坡监测数据风险评估

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坡顶超载下含软弱结构面锚固边坡承载特性

广西大学学报（自然科学版） 2023年第3期48卷 519-528页

作者：苗晨曦任景瑞李耀峰赵小军王晓毅赵强太原理工大学土木工程学院山西太原030024 山西省交通科技研发有限公司山西太原030000 华能左权煤电有限责任公司山西左权032600 山西交通控股集团有限公司吕梁南高速公路分公司山西吕梁032200

为了探究坡顶超载作用下含软弱结构面的锚固边坡承载特性,以软弱结构面长度为变量设计并制作完成了4组缩尺模型试验,借助位移计、轴力计等量测元件监测坡面位移、坡顶沉降和锚索轴力的发展规律,系统研究了软弱结构面发育对锚固边坡承载... 详细信息

为了探究坡顶超载作用下含软弱结构面的锚固边坡承载特性,以软弱结构面长度为变量设计并制作完成了4组缩尺模型试验,借助位移计、轴力计等量测元件监测坡面位移、坡顶沉降和锚索轴力的发展规律,系统研究了软弱结构面发育对锚固边坡承载特性和变形行为的影响。试验结果表明:软弱结构面发育伴随着框架梁变形模式的改变,结构面较长时,框架梁会因坡体下滑而发生旋转,实际工程中应根据结构面发育情况合理选择边坡水平位移的监测点。同时,不同层位处锚索调动顺序与结构面长度存在关联。设计时宜根据结构面分布及发育趋势,异化不同层位处锚索预应力幅值。

关键词：软弱结构面锚固边坡承载特性模型试验

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高速列车荷载作用下锚固边坡动力响应特征

中外公路 2018年第2期38卷 20-25页

作者：郭增张丽敏韩磊刘广利陈吉文张家口职业技术学院河北张家口075000 辽宁工程技术大学土木建筑工程学院中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院

以具体工程实例为依托,采取动力有限元与无限元相结合的分析方法,建立锚固边坡振动模型,对列车长期高速振动荷载影响下边坡岩土体及其锚固结构的动力响应特征展开了研究。结果表明:竖向位移动力特征显示,在高速列车荷载作用下,边坡竖向... 详细信息

以具体工程实例为依托,采取动力有限元与无限元相结合的分析方法,建立锚固边坡振动模型,对列车长期高速振动荷载影响下边坡岩土体及其锚固结构的动力响应特征展开了研究。结果表明:竖向位移动力特征显示,在高速列车荷载作用下,边坡竖向位移及加速度的最大值发生在坡脚处,最小值发生在坡顶处,随着边坡高度增加,竖向位移逐渐降低,且预应力锚杆框架对列车振动引起边坡沉降起到了一定的控制作用;水平位移动力特征显示,随着边坡高度增加,无锚固边坡水平方向位移峰值逐渐增大,水平位移动力响应最大值出现在坡顶,而坡脚的水平位移最小;列车荷载持续作用下,边坡岩土体内振动荷载逐步向远端传播,边坡位移变化范围也逐渐开始扩大,位移量值也开始增大,坡脚至第二级中部位移量达到1mm;在列车荷载作用下,上排锚杆轴力呈波动缓降趋势,缓降幅度0.63%,下排锚杆轴力呈波动上升趋势,上升幅度0.55%;边坡底部动态响应最为明显,振动加速度增幅最大,速度增幅次之,位移变化幅值最小,表明边坡底部的动力响应敏感性要显著大于边坡其他部位,这在边坡设计、加固治理中应引起格外注意。

关键词：高速列车振动荷载锚固边坡动力响应数值计算

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根据土体位移分析锚固边坡的稳定性

人民长江 2003年第11期34卷 14-16页

作者：盛维高孔宪宾江苏省淮沭新河管理处江苏淮安223005 淮阴工学院建工系江苏淮安223001

根据土—锚杆相互作用的分析,结合传统的计算边坡稳定的条分法,建立了以土体位移为基本参数的分析锚固边坡的新方法—位移法。用位移法可以算出锚杆在每个阶段位移下的工作力和相应的锚杆工作力极限,在此基础上再用传统的极限平衡法求... 详细信息

根据土—锚杆相互作用的分析,结合传统的计算边坡稳定的条分法,建立了以土体位移为基本参数的分析锚固边坡的新方法—位移法。用位移法可以算出锚杆在每个阶段位移下的工作力和相应的锚杆工作力极限,在此基础上再用传统的极限平衡法求出锚固边坡的稳定安全系数。根据这些计算和分析给出了对锚固边坡稳定性具有普遍意义的结论。

关键词：位移法土-锚杆相互作用边坡稳定性锚固边坡

基于斜条分法的均质土坡稳定性分析及其在锚固边坡中的应用

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基于斜条分法的均质土坡稳定性分析及其在锚固边坡中的应用

作者：郑跃成都理工大学

学位级别：硕士

针对传统竖向条分法应用于锚固边坡稳定性分析中存在土条与锚杆相交的问题,本文提出按锚杆方向划分土条的斜条分极限平衡分析思路,该方法中锚杆只穿过单个土条,避免锚杆与土条相交带来的受力分析困难。以均质土坡为例,应用Sarma法条间... 详细信息

针对传统竖向条分法应用于锚固边坡稳定性分析中存在土条与锚杆相交的问题,本文提出按锚杆方向划分土条的斜条分极限平衡分析思路,该方法中锚杆只穿过单个土条,避免锚杆与土条相交带来的受力分析困难。以均质土坡为例,应用Sarma法条间力假定,本文先推导斜体分法的稳定性系数(FS)解析式,并利用Python语言编写计算程序,结合算例检验本文方法的适用性,并对算例验证结果呈现出的若干问题给出了定性解释;分析坡高(H)、坡角(β)、容重(γ)、内摩擦角(φ)、黏聚力(c)对临界条分倾角(δ)、条间切向力折减系数(R)的影响,应用最小二乘曲面拟合、多元线性回归分析,结合MATLAB、SPASS软件分别建立确定δ、R的方法;最后将本文斜条分法应用到锚固边坡稳定性分析中检验本文方法的适用性。具体得到如下结论:(1)均质土坡算例检验发现:当条分倾角(本文定义为竖直方向沿坡面外倾方向旋转角度δ)>60°时,FS计算出现不收敛现象;大部分δ对应的FS比竖向条分法的计算结果偏大,但对应某一特定条分倾角(本文定义为临界条分倾角δ)的稳定性系数与竖向条分法的计算结果比较接近,δ越接近δ,计算结果的偏大程度越小;δ随坡体参数变化而变化;Sarma法假定的条间切向力相对于其它斜条分法假定的条间切向力偏大。(2)计算表明:δ(c,β)函数确定的δ值与实际δ值虽然存在一定误差,但按δ(c,β)函数确定δ值对应FS与传统竖向条分法计算结果已经十分吻合。(3)计算表明:不同δ对应折减函数R(H、φ、γ、β、c)的折减效果存在一定差异,δ=60°对应折减函数的折减效果较差,但就折减后各δ对应FS与δ对应FS的相对误差而言,各δ对应折减函数均具备基本的适用性。(4)锚固边坡算例验证表明:当锚固角度(本文定义为锚杆入射方向与水平方向的夹角θ)为30°时,即δ=60°时,本文方法计算结果与其它方法结果相对误差较大;当θ为35°(δ=55°)、40°(δ=50°)、45°(δ=45°)时,本文方法计算结果和其它方法计算结果的相对误差均比较小,并且随锚固角度的变大呈现逐渐减小的趋势,一定程度上能够说明本文斜条分法求解锚固边坡稳定性系数具备可行性。

关键词：锚固边坡稳定性分析极限平衡法斜条分回归拟合