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为了更好的指导“汗海-沽源-平安城500KV输电线路项目”锚固基础的设计和施工,为了对该锚固型式的锚固机理有个深入的认识,本文对全长粘结式竖向岩石锚杆力学机理进行了分析,对该项目锚固基础现场拉拔试验进行了分析,并对锚固体应力进行了相关的数值模拟研究。具体完成的工作如下:
1.对全长粘结式竖向岩石锚杆力学机理进行了分析,得出竖向岩石锚杆力学传递最一般性的规律。对输电线路竖向岩石锚杆应用背景、结构构造、受力特点、施工工艺和优点进行了详细的阐述。
2.对现场试验进行分析研究,得出锚杆基础的破坏形式、竖向抗拔承载力及其影响因素、水平极限承载力、锚杆应变特征。
3.选取合理的本构模型及参数,建立有限元模型,确立边界条件和荷载情况,对竖向岩石锚杆进行有限元数值模拟。包括锚固体位移和应力的分布特征以及锚固体应力分布影响因素的模拟。
通过以上三方面的研究,得出以下结论:
1.强风化岩石地基中的岩石锚杆基础不可能形成45°的倒锥体破坏面,只能根据混凝土养护条件和锚杆基础周围结合体的强度,沿着锚孔与岩石的结合面或锚杆带动周围一定范围内的岩石整体上拔破坏。
2.影响锚杆基础竖向抗拔力的因素较多,主要包括混凝土的养护期、锚杆直径与锚固深度、锚杆基础孔距、工程地质条件等。混凝土的养护期长则容易在锚杆周围形成一个砂浆与强风化岩石的结合体,从而提高竖向承载力;增加锚杆的直径或长度在一定范围内可以提高竖向承载力,但它们并非线性关系;孔距对竖向承载力有一定的影响,适当增大直锚式基础的孔距,并据此调整上部塔座板间距,可能会对锚杆基础的群锚效应的发挥有利,从而提高其极限抗拔承载力;工程地质条件也对锚杆基础的承载力有一定的影响,工程地质条件差的承载力明显低。 3.在强风化岩石中采用直锚式基础,只要混凝十有足够的养护期,在锚杆周围形成一个砂浆与强风化岩石的结合体,从而达到增加断面尺寸的效果,水平承载力是足以满足要求的。
4.竖向岩石锚杆应变峰值在孔口,远离孔口的方向应变逐渐减小,到端部应变值达到最低。随着荷载的增加,应变也不断的增加,但是锚杆端部的应变增加不是很大。
5.锚固体顶面受荷载作用时,锚固体的轴力在端部最大,逐渐向末端减小,最后趋于零。锚固体位移值的变化呈非线性特征,锚固体位移在荷载施加处(孔口)最大,沿锚固体方向逐渐减小,而且减小幅度在孔口较大,随着远离荷载作用面减小幅度逐渐变小。应力也呈非线性变化特征,靠近孔口附近很短距离内剪应力从零迅速增加到最大,随后,剪应力沿锚固体方向,在很短距离内又迅速减小,剪应力减小到一定值之后,沿着锚固体方向保持平缓下降。
6.剪应力大小与施加的荷载有关,随着荷载的增大,剪应力的峰值在不断的增大,并且剪应力的分布区域不断向下扩展,但是剪应力区向下扩展的范围却非常有限。
7.锚固长度越小,剪应力峰值越大,不同锚固何置处的剪应力也越大,其剪应力分布曲线越陡峭:锚固长度越大,剪应力峰值越小,不同锚固位置处的剪应力也越小,其剪应力分布曲线越平缓。说明锚固能力的大小与锚固长度有关。适当的增加锚固长度可以减小锚固体端部应力峰值,并且使得沿锚固体全长范围内的应力分布更加合理,可以在一定程度上提高锚杆的锚固能力。但是无限制的增加锚固长度却是毫无意义的,因为过长的锚固体并不能充分发挥它的锚固能力,只能造成材料上的浪费。所以锚固长度存在一个最优值。
8.锚固体的半径越小,剪应力的峰倩越大,分布范围越小,剪应力曲线越陡峭;半径越大,其所受的剪应力的峰值越小,分布范围较大,剪应力曲线越平缓。说明在相同荷载作用下,锚固体半径大的剪应力分布更均匀,受力性能更好,但是实际中也存在一个最优值。
9.锚固体的应力分布还与岩体的性质有关,E/Ea的值越大,即岩石越坚硬,同一荷载水平下,最大剪应力越大,分布范围较小,集中程度越大;E/Ea的值越小,即岩石越松软,最大剪应力越小,剪应力分布范围越大,越均匀。
总之,养护期、锚固体半径、锚固长度、锚距及岩体性质对锚固基础承载能力均有重要的影响,在锚固设计过程中,应该针对不同的岩体选择不同的锚固参数,从而达到优化目的,使设计即安全又经济。