氣囊擴孔擴大頭錨索空腔形成機理及實驗研究

來源: www.9494203.live 作者:lgg 發布時間:2015-08-10 17:44 論文字數:36958字
論文編號: sb2015080614390514049 論文地區:中國 論文語言:中文 論文類型:碩士畢業論文 論文價格: 150
本文是土木工程論文,本文首先介紹了錨索的分類、特點及錨索的錨固機理,然后著重介紹了現在常見的擴孔方法:機械擴孔方法、爆破擴孔方法及水力擴孔方法。對擴大頭錨索進行受力分析,

1緒論


1.1引言
隨著我國經濟的迅速發展,城市規模的不斷擴大,新建的建筑項目都是往20層一30層的高層建筑趨勢發展,對地下空間的利用也不斷加強,深基坑工程越來越多。鋪索(桿)作為支護體系的一部分,在基坑等基礎工程或者是巷道等項目中應用較多,大多作為工程的一部分使用,對于一些不可以采用鋼筋混凝土或鋼支撐的工程中用鋪索或錨桿代替。錨索是釆用鋼絞線或髙強鋼絲束作桿體材料,將拉力傳遞到穩定圍巖或土體的錨固體系統⑴。一般由桿件體、注衆體、錨具體、套管和有可能使用到的各種連接件構成。錨桿(索)作為支護體系組成的重要元件,在深基坑等基礎工程中應用較普遍,尤其體現在開挖深度深或寬度大的基坑,相比較釆用內支撐而言,釆用鋪索支護就有比較明顯的優勢。對于常見的一般錨桿鋪固段直徑大多數是l10mm-l20mm (而擴大體的錨索及錨桿錨固段直徑大約可達到400~2000mm)。摩檫力決定錨桿的抗拔力,摩擦力是錨固段與周圍土體之間的相互作用力[2]。常見的一般錨桿直徑小,導致單獨一根錨桿的抗拔力較小,在土層中釆用錨索作為支撐構件,增加錨桿錨固段長度以及縮小錨桿桿間距的方法可以滿足結構抗拔力設計的需要[3],但是若桿間距過小則會出現“群錨效應”,而且單單增加錨桿錨固段長度不可能無限制的提髙抗拔力,普通錨索應用受到限制。在深基坑支護工程中,一般對于承受彎矩和剪力的支護結構,當采用懸臂梁支護結構不能滿足承載力和變形要求時,內支撐和錨索這兩種方式可以增加水平支點,來滿足承載力及變形要求。在上述所說的方法中,第一種方法的優點:對于常出現的水平變形可以控制和有效減小,缺點:對地下主體結構的施工產生擾動和影響,施工成本高,工期大大延長,浪費時間及人力,而且內支撐的拆除支撐的工作比較繁瑣,大大浪費時間,使施工時間增多工期延長,拆除支撐的工作會對周邊環境產生振動擾動,對周圍環境的需求較高;采用第二種方法可以克服內支撐形式的缺點,增加其優點,更好的用于支護基礎工程中。錨索技術可以與其它構件共同使用增強支護能力例如:樁基礎、墻體、梁柱式網格結構,在一些較大寬度的深基坑中,與內支撐結構相比,釆用錨索支護,會產生更好的經濟效益,還可以提供寬敞的工作面在機械胡施工中,在高樓下方地下室施工中也可用錨索技術,大大加快工程建設速度。
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1.2錨索擴孔發展現狀及機理
錨桿的種類很多,一般通過錨筋來確定,錨筋有螺紋鋼筋、鋼絞線、髙強鋼絲等,通過鋪筋可以定義錨索及錨桿。錨索一般是指錨筋(即受拉件)為鋼絞線的錨桿,通常應用在大噸位錨固工程中,錨索受力較大,還需要施加預應力,受力形式分為鋪固段和自由段。由于描索是主動受力的,所以大部分是需要施加預應力的。正因為存在預應力,所以錨索多用在一些已經出現變形的部位,還有一些對變形要求很嚴格的工程部位。錨索結構的三部分是內錨頭、自由段和外錨頭。內錨頭常稱為錨固段,是依靠圍巖穩定性,提供錨索抗拔力的基礎;外錨頭設置在提供張拉力和鎖定部分;自由段是連接內、外錨頭的組件,但也承受拉力。一般而言,錨索是由鉆孔穿過軟弱圍巖或滑動面,把內錨頭錨畫在穩定的巖體中,然后通過外錨頭進行張拉和鎖定,進而獲得錨固力,以解決不穩定的地質體的穩定性問題。錨索俗稱鋼絞線,規格有12.7、15.24、17.8、18.9、21.6。擴孔錨索錨固段大于常規錨索(電纜)的直徑,可以縮短錨固段長度,提高鋪索的承載能力,有效地解決了軟弱圍巖或土鋪段長、承載力不高,可靠性低的問題。
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2錨索及成孔方法


2.1錨索的分類及特點
錨索一般是吊橋中在邊孔將主纜進行錨固時,將主纜分為許多股鋼束,這些鋼束鋪于錨定內,則鋼束被稱為錨索。錨索是通過外端固定在邊坡,另一端為預應力鋼絞線穿過邊坡滑動面,錨固在滑動面以內的穩定巖體中。由鉆孔穿過軟弱巖層或滑動面,把一段描固在堅硬的巖層中即內錨頭,然后在另一自由端稱之為外錨頭進行張拉,發揮不穩定巖體進行鋪固,施加圍巖壓力[37]。膠結式錨根:是先填入高強膠結材料,再放入錨束,膠結材料是填入孔底擴孔段內的,把錨根嵌固。錨根錨固力是握裹力與粘聚力的集合體,握裹力是膠結材料與錨束之間的,粘結力是粘膠料與錨孔巖之間的力。高強水泥砂衆、樹脂是常見的膠結材料。目前國內使用的用水泥砂萊,水泥、水及外加劑中,均不得含有有害成分如氯、硫等,水泥型號為高標號普通桂酸鹽水泥。機械式錨根:是利用倒模作用,用特制的三片鋼齒狀夾板起到這個作用,將根部卡固并鑲嵌牢固在孔底。⑵外錨頭又稱外錨固段,是錨索借以提供張拉噸位和鎖定的部位,是實現張拉,并在張拉后用以鎖定錨索,以保持錨索預應力的構件[38]。其種類有有很多比如錨塞式、常見的螺紋式、以及墩頭錨式外錨固段和鋼構架式外露鋪固段、常見的鋼筋輪圓柱體型錨墩式[39]。
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2.2擴大頭成孔方法的分類及特點
端部擴大頭錨索在錨索端部形成擴大頭,此時錨索直徑增大,接觸面積也增加了,此處的接觸面積是鋪索鋪固體擴大頭與周圍土體,同時擴大頭改變了描固力的提供方式,即未擴徑段向擴徑段過渡處形成一個臺階,在此處土體對擴大頭產生支承作用,這可以提高錨索的錨固力。目前,獲得擴大頭的方法有:機械擴孔、爆炸擴孔、水力擴孔等,機械擴孔有活塞往返移動,需要液壓裝置[47];爆炸擴孔,震動較大,現場管理困難,具有不確定安全因素;水利擴孔,需要高壓水射流。氣囊擴孔,擴孔設備為氣囊,水力擴孔或充氣擴孔皆可。目前最主要最常用的擴孔方法是機械擴孔,機械擴孔是土層錨索擴孔方法的其中一個應用的最早方法,同時也是最成熟的。機械擴孔以操作較熟練的常規孔徑鉆設成孔至設計要求孔深,隨后再擴大錨固段直徑。上述這一步驟采用擴孔鉆頭進行,到此時機械擴孔過程完成,最后下錨、注裝。機械擴孔方法的特點:簡便、易控制,該類使用機械擴孔的設備很多。如位于法國的代表公司Soletanche公司,英國公司以及日本、瑞典。法國生產的一種取芯擴孔設備其從外觀看就像一個筒體,這種取芯設備可以伸長或縮回徑向絞刀來進行擴孔,絞刀的變化與旋轉速度有關,該孔洞被切成圓桶形。英國通用鋪桿公司專利產品[49]:擴張方式為機械下壓,切削工具為刮刀,可一次性切削成兩個擴孔錐,其直徑均為300mm,沖洗介質為空氣,以使殘留物從孔內排出,見下圖2示。
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3氣囊擴孔變形實驗研究 29
3.1氣囊擴孔實驗前準備 29
3.2充氣壓力與膨脹體直徑關系的實驗研究 30
3.3氣囊擴孔實驗分析 39
本章小結 42
4 數值模擬計算分析 43
4.1氣囊擴孔模型建立 43
4.1.1FLAC3D 計算原理 43
4.2模型模擬 44
4.2.1 FLAC計算模型確定 46
4.2.2模型的邊界條件及模型模擬 46
4.3模擬結果分析 58
本章小結 60
5結論與展望 61
5.1 結論 61
5.2展望 62


4 數值模擬計算分析


氣囊充氣膨脹過程是一個很復雜并且不易測得的過程,在這個氣囊擴孔過程中,分析會涉及到材料、幾何、邊界等的非線性,要想對充氣膨脹過程有一個全面的了解,釆用數值模擬的方法能夠便捷地分析土體的應力場與位移場,模擬氣囊在壓力作用下,膨脹的過程即擠壓土體的過程。本節以有限差分軟件FLAC3D為工具,考慮土的性質、土的大變形以及氣囊性質和充氣壓力,對充氣作用下膨脹體即氣囊的變形進行模擬分析。在理論研究方面,由于解析解的復雜性,在數學計算處理上很困難,不易獲得結果,即使通過數學計算獲得了一個結果,但是,結果的正確性,準確度都有一定的缺陷,獲得的結論有一定的局限性。數值計算方法對主要的力學響應與力學機理能夠給予精確的模擬:在本科階段學的有限單元法以及有限差分法、高等書寫中用到的離散元法以及邊界元法、還有一些基坑工程及巷道支護、板翹結構等力學分析中用到的界面元法及塊體理論。FLAC 3D軟件的基本原理是拉格朗日差分法,釆用了顯式有限差分法并應用了混合單元離散模型,能準確模擬材料的屈服、塑性流動、軟化直至大變形。

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結論


針對氣囊擴孔錨索這一新型擴孔錨索結構,通過試驗和模擬研究,對錨固機理,擴孔位移等做了研究,從模型試驗出發,深入探討了氣囊膨脹機理與膨脹體直徑變化。通過圓孔擴張理論,分析在膨脹過程中周圍土體的應力與位移的變化規律。運用FLAC3D數值計算方法,建立了受力與位移分析模型,分析了不同力對擴體位移的影響。并對比得出的試驗結果與模擬結果,進行比較分析得出結果趨勢一致,進而驗證其正確性與準確性。本文首先介紹了錨索的分類、特點及錨索的錨固機理,然后著重介紹了現在常見的擴孔方法:機械擴孔方法、爆破擴孔方法及水力擴孔方法。對擴大頭錨索進行受力分析,了解其組成及特點、抗拔力及側阻力。并分析了上述幾種成孔方法的優缺點,引出氣囊法擴孔的概念,為氣囊擴孔試驗做準備。通過對氣囊擴孔模型的制作,對其制作上的特點進行了簡要的概述。在基于對充氣壓力與膨脹體直徑關系的實驗,考慮了兩種情況即無圍壓和有圍壓下充氣壓力與直徑之間的關系?;跉饽以谕馏w中膨脹近似為圓柱體的理論即等效圓柱體對氣囊的膨脹效應進行分析,可以通過體積計算出直徑。通過實驗得到充氣壓力與膨脹體直徑之間的曲線圖,分析曲線可以得到它們之間的關系。氣囊在土體中充氣擠壓土體形成空腔,氣囊膨脹,壓力與氣囊膨脹有一定關系,當充氣壓力達到一定值時,壓力值增幅減小而膨脹體積增加即達到極限充氣壓力。本章對氣囊膨脹實驗的的研究得到p-d曲線,對模擬結果提供實驗依據。本章釆用數值模擬的方法,對受不同力作用下,擴大體直徑的變化及應力變化進行模擬分析。
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參考文獻(略)


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