三维锚杆的数值模拟及其相互作用分析
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摘要
三维锚杆的数值模拟及其与结构、岩基的相互作用分析一直是土木、水利
领域研究的重要课题。对目前的分析方法进行研究、对比、改进，提出更合理、
适用的数学模型和计算方法，在实际工程中具有重要意义。
首先，本文在总结对比现有几种锚杆数值分析方法的基础上，对考虑了灌
浆切向受力性态的三维锚杆单元理论及应用进行了深入研究，用有限元方法开
发了计算程序，并通过实例对不同分析方法的特点和实用性进行了研究和验证。
其次，本文对结构和基础的接触问题研究现状进行了回顾分析，并在“空
间无厚度接触单元”的基础上，提出了模拟接缝面切向滑动的本构关系，采用
“变增量搜索法”进行计算，通过算例分析得到了该模型的合理性、实用性验
证。
最后，作为工程应用实例，对三峡船闸人字门支持体结构-锚杆-岩基的相
互作用进行了计算分析，得到了各部分的变形特征和应力规律，给工程设计提
供了一些具有实用价值的参考依据。
Abstract
The numerical simulating methods of bolt and it's interaction with structure and rock foundation are key problems in the research of civil engineering and hydraulic structure engineering. It's very important to improve the old calculation methods and mathematics models based on deeply researching and contrasting of them.
First of all, this dissertation reviews several bolt numerical simulating methods which are used at present, and makes special research to the theory and applicability of the 3-D bolt element which takes the tangential mechanics properties of the grout into account. By means of the FEM and the models mentioned, the program is developed to simulate the bolt and the structure. Through an example, the characteristics and the feasibilities of several analysis methods are verified to be correct.
Secondly, around the present research situation about the interaction analysis of structure and foundation, this dissertation gives a detail review. Based on the 3-D non-thickness jointed element theory, a new model is proposed which simulates the tangential slip effect of the jointed face. By means of Increment Loads searched automatically Methods, the program is achieved to validate the feasibilities of the model.
At last, applying- the methods mentioned before, this dissertation analyses the interaction among the structure, bolt and rock foundation of miter gates' support structure in Three George project's forever lock, and draws conclusions of each part's mechanics characteristics. These results are very useful to the design of the project.
领域研究的重要课题。对目前的分析方法进行研究、对比、改进，提出更合理、
适用的数学模型和计算方法，在实际工程中具有重要意义。
首先，本文在总结对比现有几种锚杆数值分析方法的基础上，对考虑了灌
浆切向受力性态的三维锚杆单元理论及应用进行了深入研究，用有限元方法开
发了计算程序，并通过实例对不同分析方法的特点和实用性进行了研究和验证。
其次，本文对结构和基础的接触问题研究现状进行了回顾分析，并在“空
间无厚度接触单元”的基础上，提出了模拟接缝面切向滑动的本构关系，采用
“变增量搜索法”进行计算，通过算例分析得到了该模型的合理性、实用性验
证。
最后，作为工程应用实例，对三峡船闸人字门支持体结构-锚杆-岩基的相
互作用进行了计算分析，得到了各部分的变形特征和应力规律，给工程设计提
供了一些具有实用价值的参考依据。
Abstract
The numerical simulating methods of bolt and it's interaction with structure and rock foundation are key problems in the research of civil engineering and hydraulic structure engineering. It's very important to improve the old calculation methods and mathematics models based on deeply researching and contrasting of them.
First of all, this dissertation reviews several bolt numerical simulating methods which are used at present, and makes special research to the theory and applicability of the 3-D bolt element which takes the tangential mechanics properties of the grout into account. By means of the FEM and the models mentioned, the program is developed to simulate the bolt and the structure. Through an example, the characteristics and the feasibilities of several analysis methods are verified to be correct.
Secondly, around the present research situation about the interaction analysis of structure and foundation, this dissertation gives a detail review. Based on the 3-D non-thickness jointed element theory, a new model is proposed which simulates the tangential slip effect of the jointed face. By means of Increment Loads searched automatically Methods, the program is achieved to validate the feasibilities of the model.
At last, applying- the methods mentioned before, this dissertation analyses the interaction among the structure, bolt and rock foundation of miter gates' support structure in Three George project's forever lock, and draws conclusions of each part's mechanics characteristics. These results are very useful to the design of the project.
引文
1．华东水利学院 《弹性力学问题的有限元法》修订版水利电力出版社 1978．10
2．姜弘道、陈和群 《有限单元法的程序设计》 水利电力出版社 1989．10
3．张燎军、傅作新、朱岳明等，三峡永久船闸闸墩—锚杆—岩基的非线性耦合分析，岩石力学与工程学报，1998．6
4．雷小燕，三维锚杆单元理论及其应用，工程力学，Vol．13 No．2，1996．5
5．傅作新、梅明荣、张燎军、陈和群，大型船闸闸墙锚杆的分析与设计，土木工程学报，Vol．32 No．1，1999．2
6．朱伯芳 《有限单元法原理与应用》 水利电力出版社 1979．9
7．陈和群、彭宣茂《有限元法微机程序与图形处理》河海大学出版社 1992．9
8．朱岳明、庞作会等，“九五” 国家重点科技项目，高碾压混凝土重力坝渗流分析和防渗结构的研究，高碾压混凝土重力坝防渗面板结构的应力分析方法研究，河海大学，1999．12
9．张燎军、傅作新、钮新强，交叉施工缝对混凝土结构整体性影响的研究，水力发电，1997年第三期
10．岩土工程中的锚固技术，中国岩土锚固工程协会主编，地震出版社，1992
11．岩土锚固工程技术，中国岩土锚固工程协会，人民交通出版社，1996．10
12．程良奎、张作(王眉)、杨志银编著，岩土加固实用技术，地震出版社，1994
13．王淑云、方保镕、王如云 《数值分析方法》河海大学出版社 1996
14．中国矿业学院数学教研室 《数学手册》 清华大学 1980．9
15．章青，工程结构不连续介质力学问题的理论模型、分析方法及应用，河海大学博士学位论文，2000．6
16．赵宁，带锚杆结构分析的界面元法，水利水电科技进展，1995．10
17．邵炜、金峰、王光纶，用于接触面模拟的非线性薄层单元，清华大学学报(自然科学版)，1999．2
18．雷小燕，接触摩擦单元的理论及其应用，岩土工程学报，Vol．16 No．3，1994．5
19．彭宣茂、傅作新、张子明，岩基中的垂直锚杆分析，岩土工程学报，Vol．13 No．5，1991．9
20．河海大学工程力学研究所项目报告，长江三峡永久船闸第一闸首接触形态研究(一)
21．河海大学工程力学研究所项目报告，长江三峡永久船闸第一闸首接触形态研究(二)
22. C.S.Desai, Interaction Analysis of Anchor soil system, J. Geotech. Eng.112,P537～P553,1986
23．苏超、姜弘道、钱向东等，三峡永久船闸衬砌墙结构及结构锚杆受力仿真分析，河海大学学报，Vol．27 No．6，1999．11
24. C.S.Desai,Thin Layer Element for Interfaces and joints, Int. J. Numer.and. Methods Gemech. 8, P19～P43,1984
25．朱焕春、肖明、李浩，锚杆抗剪性能现场试验研究，岩石力学与工程学报，第18卷 增刊，1999．8
26．尤春安，全长粘结式锚杆的受力分析，岩石力学与工程学报，Vol．19 No．3，2000．5
27．梅明荣，三峡船闸衬砌墙—锚杆—岩基的相互作用分析，人民长江，Vol．26 NO．3
28．朱焕春，反复张拉荷载作用下锚杆工作机理试验研究，岩土工程学报，Vol．21 No．6，1999．11
29．蒋宇静、Y.Tanabashi，锚杆对软岩隧道变形的加固作用，岩石力学与工程学报，第18卷 增刊，1999．8
30．朱浮声、郑雨天，全长粘结式锚杆的加固作用分析，岩石力学与工程学报，Vol．15 No．4，1996．12
31．钟新谷、徐虎，全长锚固锚杆的横向作用研究，岩土工程学报，Vol．19 No．1，1997．1
32．顾金才、沈俊、陈安敏、明治清，锚固洞室受力反应特征物理模型试验研究，岩石力学与工程学报，第18卷 增刊，1999．8
33．宋二祥，地下结构的有限元分析，岩石力学与工程学报，第18卷 增刊，1999．8
34．叶伟峰、林文亮，三峡工程永久船闸高边坡系统锚杆动态设计，人民长江，Vol．29 No．1，1998．1
35．王俊石、翟才旺，预应力锚索工程抗滑稳定安全度评价，水力发电，1997年第4期
36．吕黄、陈颂潮，嵌岩桩内嵌岩锚杆在盐田港的应用，水运工程，1999年第2期
37．邓净，预应力锚索在渔洞水库松动体处理中的应用，云南水力发电，1999年第2期
38．陈荣、邓学景等，砂固结锚固室内试验及砂土强度特性理论的再认识，岩石力学与工程学报，Vol．19 No．1，2000．1
39．褚炳麟、陈敬麟等，以物理模型试验探讨卵砾石层隧道岩栓支撑之力学行为，岩石力学与工程学报，第18卷 增刊，1999．8
40．葛修润、丰定祥等，砂固结内锚头预应力锚杆研究，岩石力学与工程学报，第18卷 增刊，1999．8
41．阎莫明，岩石锚索在矿山井巷工程中的应用，岩石力学与工程学报，第18卷 增刊，1999．8
42．李斯海，厦门市仙岳山隧道围岩稳定性三维有限元计算分析，岩石力学与工程学报，Vol．19 No．2，2000．3
43．高锋、杨启贵，三峡工程岩锚加固技术现场试验论证，人民长江，Vol．29 No．1，1998．1
44．陈宝林、蒋忠信，预应力锚索加固宝成二线松散层滑坡问题探讨，路基工程，1999年第2期
45．侯朝炯，杆体可伸长锚杆的原理及应用，岩石力学与工程学报，Vol．16 No．6，1999．11
46．贾金青、高小明，锚杆在强风化岩中摩阻分析研究，工程力学(增刊)，1995
47．殷宗泽、朱泓、许国华，土与结构材料接触面的变形及其数学模拟，岩土工程学报，Vol．16 No．3，1994．5
48．邹志晖、汪志林，锚杆在不同岩体中的工作机理，岩土工程学报，Vol．15 No．6，1993．11
49．张发明、刘宁、赵维炳，岩质边坡预应力锚固的力学行为及群锚效应，岩石力学与工程学报，Vol．19(增)，2000．6
50．孙建生、永井哲夫、樱井春辅，岩石力学与工程学报，Vol．1 3 No．3，1994．3
2．姜弘道、陈和群 《有限单元法的程序设计》 水利电力出版社 1989．10
3．张燎军、傅作新、朱岳明等，三峡永久船闸闸墩—锚杆—岩基的非线性耦合分析，岩石力学与工程学报，1998．6
4．雷小燕，三维锚杆单元理论及其应用，工程力学，Vol．13 No．2，1996．5
5．傅作新、梅明荣、张燎军、陈和群，大型船闸闸墙锚杆的分析与设计，土木工程学报，Vol．32 No．1，1999．2
6．朱伯芳 《有限单元法原理与应用》 水利电力出版社 1979．9
7．陈和群、彭宣茂《有限元法微机程序与图形处理》河海大学出版社 1992．9
8．朱岳明、庞作会等，“九五” 国家重点科技项目，高碾压混凝土重力坝渗流分析和防渗结构的研究，高碾压混凝土重力坝防渗面板结构的应力分析方法研究，河海大学，1999．12
9．张燎军、傅作新、钮新强，交叉施工缝对混凝土结构整体性影响的研究，水力发电，1997年第三期
10．岩土工程中的锚固技术，中国岩土锚固工程协会主编，地震出版社，1992
11．岩土锚固工程技术，中国岩土锚固工程协会，人民交通出版社，1996．10
12．程良奎、张作(王眉)、杨志银编著，岩土加固实用技术，地震出版社，1994
13．王淑云、方保镕、王如云 《数值分析方法》河海大学出版社 1996
14．中国矿业学院数学教研室 《数学手册》 清华大学 1980．9
15．章青，工程结构不连续介质力学问题的理论模型、分析方法及应用，河海大学博士学位论文，2000．6
16．赵宁，带锚杆结构分析的界面元法，水利水电科技进展，1995．10
17．邵炜、金峰、王光纶，用于接触面模拟的非线性薄层单元，清华大学学报(自然科学版)，1999．2
18．雷小燕，接触摩擦单元的理论及其应用，岩土工程学报，Vol．16 No．3，1994．5
19．彭宣茂、傅作新、张子明，岩基中的垂直锚杆分析，岩土工程学报，Vol．13 No．5，1991．9
20．河海大学工程力学研究所项目报告，长江三峡永久船闸第一闸首接触形态研究(一)
21．河海大学工程力学研究所项目报告，长江三峡永久船闸第一闸首接触形态研究(二)
22. C.S.Desai, Interaction Analysis of Anchor soil system, J. Geotech. Eng.112,P537～P553,1986
23．苏超、姜弘道、钱向东等，三峡永久船闸衬砌墙结构及结构锚杆受力仿真分析，河海大学学报，Vol．27 No．6，1999．11
24. C.S.Desai,Thin Layer Element for Interfaces and joints, Int. J. Numer.and. Methods Gemech. 8, P19～P43,1984
25．朱焕春、肖明、李浩，锚杆抗剪性能现场试验研究，岩石力学与工程学报，第18卷 增刊，1999．8
26．尤春安，全长粘结式锚杆的受力分析，岩石力学与工程学报，Vol．19 No．3，2000．5
27．梅明荣，三峡船闸衬砌墙—锚杆—岩基的相互作用分析，人民长江，Vol．26 NO．3
28．朱焕春，反复张拉荷载作用下锚杆工作机理试验研究，岩土工程学报，Vol．21 No．6，1999．11
29．蒋宇静、Y.Tanabashi，锚杆对软岩隧道变形的加固作用，岩石力学与工程学报，第18卷 增刊，1999．8
30．朱浮声、郑雨天，全长粘结式锚杆的加固作用分析，岩石力学与工程学报，Vol．15 No．4，1996．12
31．钟新谷、徐虎，全长锚固锚杆的横向作用研究，岩土工程学报，Vol．19 No．1，1997．1
32．顾金才、沈俊、陈安敏、明治清，锚固洞室受力反应特征物理模型试验研究，岩石力学与工程学报，第18卷 增刊，1999．8
33．宋二祥，地下结构的有限元分析，岩石力学与工程学报，第18卷 增刊，1999．8
34．叶伟峰、林文亮，三峡工程永久船闸高边坡系统锚杆动态设计，人民长江，Vol．29 No．1，1998．1
35．王俊石、翟才旺，预应力锚索工程抗滑稳定安全度评价，水力发电，1997年第4期
36．吕黄、陈颂潮，嵌岩桩内嵌岩锚杆在盐田港的应用，水运工程，1999年第2期
37．邓净，预应力锚索在渔洞水库松动体处理中的应用，云南水力发电，1999年第2期
38．陈荣、邓学景等，砂固结锚固室内试验及砂土强度特性理论的再认识，岩石力学与工程学报，Vol．19 No．1，2000．1
39．褚炳麟、陈敬麟等，以物理模型试验探讨卵砾石层隧道岩栓支撑之力学行为，岩石力学与工程学报，第18卷 增刊，1999．8
40．葛修润、丰定祥等，砂固结内锚头预应力锚杆研究，岩石力学与工程学报，第18卷 增刊，1999．8
41．阎莫明，岩石锚索在矿山井巷工程中的应用，岩石力学与工程学报，第18卷 增刊，1999．8
42．李斯海，厦门市仙岳山隧道围岩稳定性三维有限元计算分析，岩石力学与工程学报，Vol．19 No．2，2000．3
43．高锋、杨启贵，三峡工程岩锚加固技术现场试验论证，人民长江，Vol．29 No．1，1998．1
44．陈宝林、蒋忠信，预应力锚索加固宝成二线松散层滑坡问题探讨，路基工程，1999年第2期
45．侯朝炯，杆体可伸长锚杆的原理及应用，岩石力学与工程学报，Vol．16 No．6，1999．11
46．贾金青、高小明，锚杆在强风化岩中摩阻分析研究，工程力学(增刊)，1995
47．殷宗泽、朱泓、许国华，土与结构材料接触面的变形及其数学模拟，岩土工程学报，Vol．16 No．3，1994．5
48．邹志晖、汪志林，锚杆在不同岩体中的工作机理，岩土工程学报，Vol．15 No．6，1993．11
49．张发明、刘宁、赵维炳，岩质边坡预应力锚固的力学行为及群锚效应，岩石力学与工程学报，Vol．19(增)，2000．6
50．孙建生、永井哲夫、樱井春辅，岩石力学与工程学报，Vol．1 3 No．3，1994．3