一種基于數學模型預測錨桿極限承載力的計算方法技術

本發明專利技術涉及錨桿錨固中對錨桿承載力進行檢測的方法技術領域，具體涉及一種基于數學模型預測錨桿極限承載力的計算方法，包括以下步驟：步驟一：建立錨固界面剪切滑移模型；步驟二：確定錨桿的極限抗拔荷載；步驟三：確定錨固長度對粘結強度的影響系數ψ，確定巖體的裂隙間距對粘結強度的影響系數K1、確定巖體的裂隙張開度與充填物對粘結強度的影響系數K2；步驟四：確定預測錨桿極限承載力的數學模型。本發明專利技術通過對實際工程錨桿承載力影響因素的分析與探討，對錨桿承載力計算公式進行修正，得到綜合條件下錨桿承載力計算模型。可準確預測出錨桿極限承載力，且精準度和穩定度較高，可廣泛應用于實際工程中。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及錨桿錨固中對錨桿承載力進行檢測的方法
，具體涉及一種基 于數學模型預測錨桿極限承載力的計算方法。
技術介紹
錨桿錨固技術具有成本低廉、加工簡便、安裝方便、施工速度快等優點，其在巖土 工程中發揮著越來越重要的作用，但其極限承載力的精準確定一直是一大難題。我國錨桿 的實際抗拔力大多是通過現場拉拔實驗得出來的，而拉拔實驗常常是帶有破壞性的，而且 拉拔的數量也有限定，需要尋找合理的模型計算并預測其極限抗拔力。有許多學者提出了 錨桿承載力的計算理論，但這些理論方法還是存在一定的局限性：難以滿足在復雜環境下 圍巖支護技術的要求；極限承載力預測建立在彈塑性錨桿剪應力與位移的線性關系上；不 能精確地預測出實際工程錨桿極限承載力。 針對錨桿承載力計算模型，漿體與巖土體界面是錨固系統的薄弱面，在彈性狀態 下，全長粘結式錨桿所受的剪應力范圍較小，而最大剪應力數值較大，錨桿的剪應力與錨桿 運動位移成線性關系。大量工程實踐表明，周圍環境的綜合性與復雜性使得錨桿剪應力一 位移關系趨于曲線，該曲線基本包括3個特征段：第I階段為彈性變形階段；第II階段為彈 塑性混合變形階段，隨著荷載的增大，錨固段部分區域內剪應力達到極限值而開始產生塑 性變形，形成局部塑性區且塑性區隨著荷載的增大而逐步擴展，第III階段為塑性變形段 或破壞階段，塑性變形貫通錨固界面，錨桿的抗拔荷載主要由錨固界面的殘余剪切強度提 供，此時即使增加較小的軸向荷載也會產生很大位移。為了確定錨桿的極限抗拔荷載，在實 際應用中，通常采用合理的數學模型對實測荷載位移數據進行擬合以預測錨桿的極限抗拔 荷載值，根據彈性力學中的物理關系知錨桿的抗拔荷載與錨桿的剪應力成正相關，二者的 變化趨勢基本相同。 現有技術中也出現了一些采用針對數學模型錨桿承載力的預測方法，例如專利號 為201410391795. 3的專利技術專利，公開了一種基于三次多項式模型的錨桿承載力預測方法， 其步驟主要包括：（1)建立一個三次多項式模型，用線性回歸法求解所述三次多項式模型 參數；（2)使用該模型預測錨桿極限位移值SU和錨桿極限靜荷載值PU; (3)將所得極限位 移值SU與已知的所有實測位移值進行對比，重新確定三次多項式模型；（4)根據所建立的 三次多項式模型，已知位移錨桿承載力進行預測。該專利技術建立的三次多項式模型模擬 精確度和穩定度較高，而且受錨桿P-S曲線的不光滑度影響較小一些，使用范圍更廣。但發 明的錨桿承載力預測方法并沒有綜合考慮影響錨桿承載力的關鍵因素，不能較好的反映出 錨固界面荷載傳遞的非線性特性，預測的結果往往與工程實際還是存在一定的偏差。 由此可見，能否專利技術出一種新的理論體系來建立錨桿極限承載力數學計算模型， 該數學計算模型考慮到錨桿的錨固段荷載傳遞涉及到注漿體和巖土材料的物理非線性、幾 何非線性、非均質性和非連續性以及錨固交界面的接觸非線性等力學特性，可實現準確預 測錨桿極限承載力的計算方法成為本領域技術人員亟待解決的技術問題。
技術實現思路
本專利技術的目的之一是為解決錨桿極限承載力的預測結果往往與工程實際還是存 在一定的偏差的問題，提供。本專利技術修 正了錨桿剪應力與位移的關系，建立全長粘結式錨桿剪應力與錨桿位移關系的指數模型。 另外，在工程實際中，錨桿的承載力計算公式不能準確地預算出極限承載力，宄其原因在于 計算模型沒能綜合考慮影響錨桿承載力的關鍵因素，造成計算結果與實際值相差很大。本 專利技術通過對實際工程錨桿承載力影響因素的分析與探討，對錨桿承載力計算公式進行修 正，得到綜合條件下錨桿承載力計算模型。 為了達到上述技術效果，本專利技術的技術方案包括： -種基于數學模型預測錨桿極限承載力的計算方法，所述構建方法包括以下步 驟： 步驟一：建立錨固界面剪切滑移模型：建立全長粘結式錨桿剪應力與錨桿位移關 系的指數模型，確定剪應力表達式； 步驟二：確定錨桿的極限抗拔荷載：建立數學模型對實測荷載位移數據進行擬合 以預測錨桿的極限抗拔荷載值，對錨桿錨固段荷載傳遞特征進行有效分析；計算錨固體的 軸力，基于靜力平衡條件和變形協調條件，結合步驟一所得到的剪應力表達式，確定錨固體 的軸力公式，進一步根據邊界條件確定錨桿的最大抗拔力計算公式； 步驟三：確定錨固長度對粘結強度的影響系數步，確定巖體的裂隙間距對粘結強 度的影響系數K1、確定巖體的裂隙張開度與充填物對粘結強度的影響系數K2; 步驟四：確定預測錨桿極限承載力的數學模型：結合步驟三確定的所述錨固長度 對粘結強度的影響系數步、巖體的裂隙間距對粘結強度的影響系數K1、巖體的裂隙張開度 與充填物對粘結強度的影響系數K2，確定預測錨桿極限承載力的計算公式。 所述步驟一中的確定剪應力表達式包括：假定T(Q)=m((|)且滿足m(+00)=T(max) 得剪應力-位移關系曲線為指數函數，現將錨桿抗拔作用下的剪應力一位移曲線簡化，得【主權項】1. 一種基于數學模型預測錯桿極限承載力的計算方法，其特征在于，所述構建方法包 括W下步驟： 步驟一；建立錯固界面剪切滑移模型：建立全長粘結式錯桿剪應力與錯桿位移關系的 指數模型，確定剪應力表達式； 步驟二；確定錯桿的極限抗拔荷載；建立數學模型對實測荷載位移數據進行擬合W預 測錯桿的極限抗拔荷載值，對錯桿錯固段荷載傳遞特征進行有效分析；計算錯固體的軸力， 基于靜力平衡條件和變形協調條件，結合步驟一所得到的剪應力表達式，確定錯固體的軸 力公式，進一步根據邊界條件確定錯桿的最大抗拔力計算公式； 步驟確定錯固長度對粘結強度的影響系數確定巖體的裂隙間距對粘結強度的 影響系數Ki、確定巖體的裂隙張開度與充填物對粘結強度的影響系數K,; 步驟四；確定預測錯桿極限承載力的數學模型：結合步驟=確定的所述錯固長度對粘 結強度的影響系數iK巖體的裂隙間距對粘結強度的影響系數Ki、巖體的裂隙張開度與充 填物對粘結強度的影響系數K,，確定預測錯桿極限承載力的計算公式。2. 根據權利要求1所述的一種基于數學模型預測錯桿極限承載力的計算方法，其特征 在于，所述步驟一中的確定剪應力表達式包括：假定Tw=mw且滿足T得剪 應力-位移關系曲線為指數函數，現將錯桿抗拔作用下的剪應力一位移曲線簡化，得出剪 應力的表達式；^乂二[^1-6""''),:"7,<"?/,>、了1=了。〇11>。），式中；3為衰減因子，反 映圖形形狀，一般根據剪應力和位移的邊界值，利用最優化技術分析確定；Tp為剪應力峰 值巖層和砂漿之間的抗剪強度，Tp= 0.Imin(fg，f。)，其中fg，f。分別為砂漿和巖體的抗壓 強度，±層與砂漿之間的抗剪強度應取決于±層的抗剪強度^/> + c為砂漿與± 層之間的粘聚力，0為剪切滑移面上法向總應力，^為±體的內摩擦角，m,為剪應力達到峰 值時所需最小的錯桿位移；為X斷面處錯桿的位移。3. 根據權利要求1所述的一種基于數學模型預測錯桿極限承載力的計算方法，其特 征在于，所述步驟二確定錯桿的極限抗拔荷載具體包括；設桿端受力為F，錯桿的長度為 以^錯桿的尾端為坐標原點，錯桿軸線為坐標軸建立坐標系，沿坐標方向，在距離坐標原 點X處取一長度為dx的單元體進行分析，根據單元平衡條件；Ty+本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于數學模型預測錨桿極限承載力的計算方法，其特征在于，所述構建方法包括以下步驟：步驟一：建立錨固界面剪切滑移模型：建立全長粘結式錨桿剪應力與錨桿位移關系的指數模型，確定剪應力表達式；步驟二：確定錨桿的極限抗拔荷載：建立數學模型對實測荷載位移數據進行擬合以預測錨桿的極限抗拔荷載值，對錨桿錨固段荷載傳遞特征進行有效分析；計算錨固體的軸力，基于靜力平衡條件和變形協調條件，結合步驟一所得到的剪應力表達式，確定錨固體的軸力公式，進一步根據邊界條件確定錨桿的最大抗拔力計算公式；步驟三：確定錨固長度對粘結強度的影響系數ψ，確定巖體的裂隙間距對粘結強度的影響系數K1、確定巖體的裂隙張開度與充填物對粘結強度的影響系數K2；步驟四：確定預測錨桿極限承載力的數學模型：結合步驟三確定的所述錨固長度對粘結強度的影響系數ψ、巖體的裂隙間距對粘結強度的影響系數K1、巖體的裂隙張開度與充填物對粘結強度的影響系數K2，確定預測錨桿極限承載力的計算公式。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：孫冰，曾晟，黃振江，付志國，梁展平，馬艾陽，肖佳輝，
申請(專利權)人：南華大學，
類型：發明
國別省市：湖南;43