基于现场拉拔试验的复合地层中预应力锚索轴力传递规律数学模型的构建方法技术

本发明专利技术提供一种基于现场拉拔试验的复合地层中预应力锚索轴力传递规律数学模型的构建方法，所述构建方法的步骤为：对复合地层中预应力锚索的浆体‑岩土体界面工作性状和荷载传递机理作出合理化假设与简化；开展第一组预应力锚索现场拉拔试验，计算上部地层中预应力锚索锚固段浆体与岩土体之间的平均极限粘结强度；开展第二组预应力锚索现场拉拔试验，计算下部地层中预应力锚索锚固段浆体与岩土体之间的平均极限粘结强度开展第三组预应力锚索现场拉拔试验，计算表征浆体‑岩土体相对位移和浆体‑岩土体剪切应力之间力学关系的刚度系数k。

【技术实现步骤摘要】
基于现场拉拔试验的复合地层中预应力锚索轴力传递规律数学模型的构建方法
本专利技术涉及岩土工程领域，特别是涉及预应力锚索轴力传递规律数学模型的构建方法。
技术介绍
预应力锚索技术是一种被广泛地应用于基坑、边坡、巷道等岩土与地下工程领域的有效加固手段。预应力锚索的加固效果和工作性状对被加固体的安全与稳定以及经济效益具有重要影响，因此一直以来都是工程师和研究人员的重点关注对象。由于预应力锚索加固工程场地水文地质条件的隐蔽性及复杂性，影响预应力锚索加固效果和荷载传递规律的因素较多且其机理较为复杂。因此在研究预应力锚索的加固效果和荷载传递规律时采用能够反映预应力锚索实际工作状态的手段是保证研究成果可靠的前提。在不同的研究手段中，试验是较为可靠的研究手段。近年来，基于试验手段研究锚索或预应力锚索荷载传递规律的装置和方法取得了一定的进展。例如中国专利文献CN111579229A公开了一种用于锚索预应力传递规律研究的试验装置及其工作方法，通过采用钢筒内填充砂浆模拟材料的设计，其可以使用钢筒来模拟围岩边界，用砂浆模拟材料来模拟围岩内部，合理的模拟出了锚索的固定环境；然后其通过在钢筒内设置锚索对中架来令锚索在钢筒内形成一个纺锤状结构，导致轴力减小，可以更加准确有效的检测到锚索位于钢筒内的预应力；最后其通过单孔穿心传感器、锚索轴力穿心传感器、磁通量传感器实现对锚索各个部位的预应力进行监测，通过监测数据对锚索预应力的传递规律进行研究；例如中国专利CN202073094U公开了预应力锚索连接器，利用锚索连接器的应用对现场监测轴力传递力非常方便，通过了解锚索轴力的传递，对设计和控制受力可作到实时监控。然而，采用以上装置和方法均无法构建复合地层中预应力锚索轴力传递规律的数学模型。已有研究表明，预应力锚索的轴力传递规律与锚杆的轴力传递规律具有本质的区别，大量现场拉拔试验证实，锚杆轴力沿长度方向的分布近似呈高斯型正态曲线。由于预应力锚索的锚固段位于被加固体的深部，拉拔装置作用于岩土体表面的反向压力与注浆后岩土体自身的卸载对锚索锚固段外端的受力状态的影响可以忽略不计，因此预应力锚索锚固段外端的轴力最大，并逐步向岩土体深部衰减。事实上，如何利用预应力锚索现场拉拔试验获取的复合地层中预应力锚索的极限粘结强度构建轴力传递规律的数学模型，目前暂未见报道，这给复合地层中预应力锚索的设计优化带来了一定的困难。
技术实现思路
本专利技术针对以上不足之处，提供了一种基于现场拉拔试验的复合地层中预应力锚索轴力传递规律数学模型的构建方法，该构建方法理论依据合理、操作简单、能够真实反映不同类型地层中预应力锚索极限粘结强度对轴力传递规律的影响效应，可方便地应用于复合地层中预应力锚索的二次设计优化。为了实现上述内容，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术提供一种基于现场拉拔试验的复合地层中预应力锚索轴力传递规律数学模型的构建方法，所述构建方法的步骤为：(1)对复合地层中预应力锚索的浆体-岩土体界面工作性状和荷载传递机理作出合理化假设与简化；(2)推导整个预应力锚索锚固段均未达到塑性状态时的轴力传递规律方程T1(x)；(3)推导上部地层中预应力锚索锚固段局部范围内达到塑性状态时的轴力传递规律方程T2(x)；(4)推导上部地层中预应力锚索锚固段全部达到塑性状态时的轴力传递规律方程T3(x)；(5)推导上部地层中预应力锚索锚固段全部范围和下部地层中预应力锚索锚固段局部范围达到塑性状态时的轴力传递规律方程T4(x)；(6)推导整个预应力锚索锚固段均达到塑性状态时的轴力传递规律方程T5(x)；(7)开展第一组预应力锚索现场拉拔试验，并基于第一组预应力锚索现场拉拔试验结果计算上部地层中预应力锚索锚固段浆体与岩土体之间的平均极限粘结强度Cupper；(8)开展第二组预应力锚索现场拉拔试验，并基于第二组预应力锚索现场拉拔试验结果计算下部地层中预应力锚索锚固段浆体与岩土体之间的平均极限粘结强度Clower；(9)开展第三组预应力锚索现场拉拔试验，并基于第三组预应力锚索现场拉拔试验结果计算表征浆体-岩土体相对位移和浆体-岩土体剪切应力之间力学关系的刚度系数k；(10)建立复合地层中预应力锚索轴力传递规律的数学模型。进一步的，步骤(1)中所述假设与简化的内容具体为：(1.1)随拉拔力的不断增大，复合地层中预应力锚索的浆体-岩土体界面工作性状逐渐由弹性状态向塑性状态过渡；(1.2)当复合地层中预应力锚索的浆体-岩土体界面工作性状处于弹性阶段时，复合地层中预应力锚索的浆体-岩土体相对位移和复合地层中预应力锚索的浆体-岩土体剪切应力之间的力学关系符合虎克定律；(1.3)当复合地层中预应力锚索的浆体-岩土体界面工作性状处于塑性阶段时，复合地层中预应力锚索的浆体-岩土体剪切应力随复合地层中预应力锚索的浆体-岩土体相对位移的增大保持不变；(1.4)复合地层中预应力锚索的荷载传递机理符合弹簧-粘片力学模型。进一步的，步骤(2)中所述整个预应力锚索锚固段均未达到塑性状态时的轴力传递规律方程T1(x)的推导过程为：整个预应力锚索锚固段均未达到塑性状态时的浆体-岩土体剪切应力分布函数F1(x)表达式为：对公式(1a)在0→x范围内进行积分，得到整个预应力锚索锚固段均未达到塑性状态时的轴力传递规律方程T1(x)为：其中，P1pullout是整个预应力锚索锚固段均未达到塑性状态时预应力锚索受到的拉拔力，范围为π是圆周率；x是预应力锚索锚固段上某点至预应力锚索锚固段末端的距离；dgr是预应力锚索锚固段浆体的直径；k是表征浆体-岩土体相对位移和表征浆体-岩土体剪切应力之间力学关系的刚度系数；E是预应力锚索钢绞线的弹性模量；A是预应力锚索钢绞线的横截面面积；是预应力锚索锚固段总长度；Cupper是上部地层中预应力锚索锚固段浆体与岩土体之间的平均极限粘结强度。进一步的，步骤(3)中所述上部地层中预应力锚索锚固段局部范围内达到塑性状态时的轴力传递规律方程T2(x)的推导过程为：假设从自预应力锚索锚固段始端算起，此时处于塑性状态的预应力锚索锚固段长度为满足的条件为：上部地层中预应力锚索锚固段局部范围内达到塑性状态时的浆体-岩土体剪切应力分布函数F2(x)为：对公式(2a)在0→x范围内进行积分，得到上部地层中预应力锚索锚固段范围内达到塑性状态时的轴力传递规律方程T2(x)为：其中，是上部地层中预应力锚索锚固段局部范围内达到塑性状态时预应力锚索受到的拉拔力，范围为：是上部地层中的预应力锚索锚固段长度；是下部地层中的预应力锚索锚固段长度；是预应力锚索锚固段总长度；与之间的关系为π是圆周率；x是预应力锚索锚固段上某点至预应力锚索锚固段末端的距离；dgr是预应力锚索锚固本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于现场拉拔试验的复合地层中预应力锚索轴力传递规律数学模型的构建方法，其特征在于，所述构建方法的步骤为：/n(1)对复合地层中预应力锚索的浆体-岩土体界面工作性状和荷载传递机理作出合理化假设与简化；/n(2)推导整个预应力锚索锚固段均未达到塑性状态时的轴力传递规律方程T

【技术特征摘要】
1.基于现场拉拔试验的复合地层中预应力锚索轴力传递规律数学模型的构建方法，其特征在于，所述构建方法的步骤为：
(1)对复合地层中预应力锚索的浆体-岩土体界面工作性状和荷载传递机理作出合理化假设与简化；
(2)推导整个预应力锚索锚固段均未达到塑性状态时的轴力传递规律方程T1(x)；
(3)推导上部地层中预应力锚索锚固段局部范围内达到塑性状态时的轴力传递规律方程T2(x)；
(4)推导上部地层中预应力锚索锚固段全部达到塑性状态时的轴力传递规律方程T3(x)；
(5)推导上部地层中预应力锚索锚固段全部范围和下部地层中预应力锚索锚固段局部范围达到塑性状态时的轴力传递规律方程T4(x)；
(6)推导整个预应力锚索锚固段均达到塑性状态时的轴力传递规律方程T5(x)；
(7)开展第一组预应力锚索现场拉拔试验，并基于第一组预应力锚索现场拉拔试验结果计算上部地层中预应力锚索锚固段浆体与岩土体之间的平均极限粘结强度Cupper；
(8)开展第二组预应力锚索现场拉拔试验，并基于第二组预应力锚索现场拉拔试验结果计算下部地层中预应力锚索锚固段浆体与岩土体之间的平均极限粘结强度Clower；
(9)开展第三组预应力锚索现场拉拔试验，并基于第三组预应力锚索现场拉拔试验结果计算表征浆体-岩土体相对位移和浆体-岩土体剪切应力之间力学关系的刚度系数k；
(10)建立复合地层中预应力锚索轴力传递规律的数学模型。


2.根据权利要求1所述的基于现场拉拔试验的复合地层中预应力锚索轴力传递规律数学模型的构建方法，其特征在于，步骤(1)中所述假设与简化的内容具体为：
(1.1)随拉拔力的不断增大，复合地层中预应力锚索的浆体-岩土体界面工作性状逐渐由弹性状态向塑性状态过渡；
(1.2)当复合地层中预应力锚索的浆体-岩土体界面工作性状处于弹性阶段时，复合地层中预应力锚索的浆体-岩土体相对位移和复合地层中预应力锚索的浆体-岩土体剪切应力之间的力学关系符合虎克定律；
(1.3)当复合地层中预应力锚索的浆体-岩土体界面工作性状处于塑性阶段时，复合地层中预应力锚索的浆体-岩土体剪切应力随复合地层中预应力锚索的浆体-岩土体相对位移的增大保持不变；
(1.4)复合地层中预应力锚索的荷载传递机理符合弹簧-粘片力学模型。


3.根据权利要求1所述的基于现场拉拔试验的复合地层中预应力锚索轴力传递规律数学模型的构建方法，其特征在于，步骤(2)中所述整个预应力锚索锚固段均未达到塑性状态时的轴力传递规律方程T1(x)的推导过程为：
整个预应力锚索锚固段均未达到塑性状态时的浆体-岩土体剪切应力分布函数F1(x)表达式为：



对公式(1a)在0→x范围内进行积分，得到整个预应力锚索锚固段均未达到塑性状态时的轴力传递规律方程T1(x)为：



其中，P1pullout是整个预应力锚索锚固段均未达到塑性状态时预应力锚索受到的拉拔力，范围为
π是圆周率；
x是预应力锚索锚固段上某点至预应力锚索锚固段末端的距离；
dgr是预应力锚索锚固段浆体的直径；
k是表征浆体-岩土体相对位移和表征浆体-岩土体剪切应力之间力学关系的刚度系数；
E是预应力锚索钢绞线的弹性模量；
A是预应力锚索钢绞线的横截面面积；

是预应力锚索锚固段总长度；
Cupper是上部地层中预应力锚索锚固段浆体与岩土体之间的平均极限粘结强度。


4.根据权利要求1所述的基于现场拉拔试验的复合地层中预应力锚索轴力传递规律数学模型的构建方法，其特征在于，步骤(3)中所述上部地层中预应力锚索锚固段局部范围内达到塑性状态时的轴力传递规律方程T2(x)的推导过程为：
假设从自预应力锚索锚固段始端算起，此时处于塑性状态的预应力锚索锚固段长度为满足的条件为：



上部地层中预应力锚索锚固段局部范围内达到塑性状态时的浆体-岩土体剪切应力分布函数F2(x)为：



对公式(2a)在0→x范围内进行积分，得到上部地层中预应力锚索锚固段范围内达到塑性状态时的轴力传递规律方程T2(x)为：



其中，是上部地层中预应力锚索锚固段局部范围内达到塑性状态时预应力锚索受到的拉拔力，范围为：




是上部地层中的预应力锚索锚固段长度；

是下部地层中的预应力锚索锚固段长度；

预应力锚索锚固段总长度；

与之间的关系为
π是圆周率；
x是预应力锚索锚固段上某点至预应力锚索锚固段末端的距离；
dgr是预应力锚索锚固段浆体的直径；
k是表征浆体-岩土体相对位移和表征浆体-岩土体剪切应力之间力学关系的刚度系数；
E是预应力锚索钢绞线的弹性模量；
A是预应力锚索钢绞线的横截面面积；
Cupper是上部地层中预应力锚索锚固段浆体与岩土体之间的平均极限粘结强度。


5.根据权利要求1所述的基于现场拉拔试验的复合地层中预应力锚索轴力传递规律数学模型的构建方法，其特征在于，步骤(4)中所述上部地层中预应力锚索锚固段全部达到塑性状态时的轴力传递规律方程T3(x)的推导过程为：
此时处于塑性状态的预应力锚索锚固段长度
上部地层中锚固段全部达到塑性状态时的浆体-岩土体剪切应力分布函数F3(x)为：



将公式(3a)在0→x范围内进行积分，得到上部地层中锚固段全部达到塑性状态时的轴力传递规律方程T3(x)为：



其中，是上部地层中预应力锚索锚固段全部达到塑性状态时预应力锚索受到的拉拔力，范围为：



Clower是下部地层中预应力锚索锚固段浆体与岩土体之间的平均极限粘结强度；

是下部地层中的预应力锚索锚固段长度；

是预应力锚索锚固段总长度；
π是圆...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭盼盼，龚晓南，赵小晴，李宝建，魏支援，汪亦显，朱成伟，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33