毕业设计（论文）开题报告

题 目 材料状态对1Cr13Ni马氏体不锈钢

钎焊变形的影响

专 业 名 称 焊接技术与工程

班 级 学 号

学 生 姓 名 唐明欢

刘奋成 11030112 指 导 教 师

填 表 日 期 2015 年 4 月 7 日

目 录

1选题的依据及意义： ..................................................................... 1

2国内外研究概况及发展趋势（含文献综述）： ........................... 1

2.1 1Cr13Ni马氏体不锈钢的特点........................................................................ 1

2.2 1Cr13Ni马氏体不锈钢的焊接现状................................................................ 1

2.3 金属构件的机械加工和残余应力.................................................................. 2

3研究内容及实验方案： ................................................................. 3

3.1研究内容........................................................................................................... 3

3.2实验方案........................................................................................................... 4

3.2.1 实验材料................................................................................................ 4

3.2.2 实验设备................................................................................................ 4

3.2.3 实验方法................................................................................................ 4

4研究目标、主要特色及工作进度 ................................................. 5

4.1 研究目标.......................................................................................................... 5

4.2 主要特色.......................................................................................................... 5

4.3工作进度........................................................................................................... 5

5参考文献 ......................................................................................... 6

1选题的依据及意义：

1Cr13Ni马氏体不锈钢具有淬透性好，抗腐蚀性好，良好的机械性能，并且价格便宜，因而此类钢广泛运用于现代工业和现代制造业中。1Cr13Ni马氏体不锈钢钎焊变形行为严重影响材料工件精度，影响钢结构的外观和使用性能，甚至导致整个钢结构失效，给企业造成巨大的损失。

因此，对1Cr13Ni马氏体不锈钢钎焊变形原因进行研究，控制焊接变形量，对于改善焊接件性能和提高企业生产效率具有重要意义，本文着重研究材料应力状态对1Cr13Ni马氏体不锈钢钎焊变形的影响。

2国内外研究概况及发展趋势（含文献综述）：

2.1 1Cr13Ni马氏体不锈钢的特点

由于1Cr13不锈钢的塑性和韧性都差，冷却时易在焊缝上和热影响产生裂纹, 因此需要缓慢地冷却焊缝和热影响区及过热区。

在焊接热循环的作用下，热影响区晶粒急剧胀大，从而使焊缝变脆, 即使选用的焊接材料与母材匹配的情况下，焊缝金属也会产生脆化问题，要选用的焊接材料以含Cr 、Ni 要高些为宜。

2.2 1Cr13Ni马氏体不锈钢的焊接现状

随现代工业和科学技术的迅速发展，在对不锈钢数量需求日益增加的同时, 也对其使用性能提出了更高要求。1Cr13Ni马氏体不锈钢在温度30℃以下时的弱腐蚀介质中,即在大气、蒸气、淡水中,具有良好的耐腐蚀性能,且价格便宜,因而该类不锈钢在机械制造中得到广泛应用。1Cr13Ni不锈钢的焊接工艺性能较差,其主要是淬硬倾向大和过热倾向大，金属组织的塑性和韧性也有差别，冷却时容易在焊缝和不完全熔化区、过热区产生裂纹，并在热影响区产生粗大的马氏体组织[1]。2004 年，水利部水工金属结构质量检验测试中心的朗等人对1Cr13Ni马氏 1

体不锈钢焊接进行简要的阐述，对于 1Cr13Ni的焊接材料选择 G202、G207 时需要进行高温预热和焊后进行700～750℃高温回火，当选择奥氏体焊条如 A102、A102、A202、A207 是焊后不要求进行热处理，但热影响区有可能产生一些淬硬层。在焊接工艺方面，建议采用较大的焊接电流，焊后缓冷。为了防止焊接中合金元素的烧损，提高焊缝的综合性能，采用低电压短弧操作，并且在整个焊接过程中保持弧长一定，收弧时应把弧坑填满。在多层焊时，必须对每道焊缝进行严格的清渣，要保证焊透。厚件采用钨极氩弧焊打底，待冷却后再焊接下一层。应尽量减少焊接层数，以免重复对焊接熔池的加热，使热影响区扩大，降低焊缝的综合机械性能及耐蚀性。为了获得具有足够韧性的细晶粒组织，应在焊缝冷却到120～150℃时，保温2h，使奥氏体的主要部分转变成马氏体，再进行高温回火[2]。

1Cr13Ni不锈钢的焊接，目前多采用焊条电弧焊。焊接时宜选用较小的焊接电流和尽快的焊接速度以及窄焊道、分段跳跃焊， 防止因应力集中产生裂纹。文献[3] 规定，为了防止1Cr13Ni 马氏体钢焊接时产生裂纹，焊前需经200 ～ 400℃的预热, 焊后缓冷到150 ～200 ℃。针对1Cr13 马氏体钢的焊接易产生裂纹，可选用含Cr +Ni 的焊接材料进行施焊，同时在焊接时每焊50 %～ 60 %要进行锤击(30 ～ 50 次为宜)目的是清除焊接应力，把拉应力变为压应力，防止焊缝裂纹。

2.3 金属构件的机械加工和残余应力

金属构件在冶炼、乳制、彈接、冷加工等过程中由于不均勾的冷却、组织构造的变化而在材料内部产生不均勾的应力。在材料加工成形后,上述应力并未完全消失,仍有部分作用与影响残留在构件内，这种残留的作用与影响称为残留应力或残余应力。残余应力在构件内部自相平衡而与外力无关。凡没有外部作用,物体内部保持自相平衡的应力，称为物体的固有应力，或称为内应力，亦称为初应力。残余应力即是一种固有应力。残余应力的存在对材料的形状精度、力学性能等均有重大影响，它的形成随构件的材质、形状、成形和加工工艺过程等的不同而不同，在煌接构件的制造和热处理过程中尤为明显。存在残余应力,一方面会降低工件强度，使工件在制造时产生变形和开裂等工艺缺陷；另一方面又会在 2

制造完成后的自然释放过程中使材料的疲劳强度、应力腐烛等力学性能降低。在工作温度、工作介质及残余应力的共同作用下,构件的抗疲劳强度、抗脆断能力、抗应力腐蚀开裂及高温螺变开裂的能力都将大大下降低[4]。

机械加工引起工件变形的原因可以分为弹性变形、塑性变形、热变形和残余应力变形。文献[5-6]对导致产生加工变形的诸多因素进行了分析，其中残余应力的释放与重分布对薄壁构件的影响较大。文献[7]提出根据工件变形后的几何形状，计算出变形部位的变形量和变形特征曲线的曲率，采用弹塑性理论和有限元计算的方法获得校正时的下压位移量，依据此位移量对工件进行校形。

由刘东等[8]实验得出结论：(1) 在加工薄壁整体结构时，将加工过程分为粗加工和精加工两个过程。精加工毛坯取自粗加工毛坯的中心部位。用这样的精加工毛坯加工整体薄壁零件可以有效的减小加工后的变形。而且粗加工毛坯厚度越厚，工件最后的变形越小。 (2) 经过粗加工去除上下表面所获得的精加工毛坯，内部残余应力的分布比不进行粗加工的毛坯内部残余应力分布更均匀，应力值更小。而且粗加工毛坯厚度越厚，残余应力值越小、分布越均匀。这也是为什么用经过粗加工的毛坯进行精加工能减小工件变形的主要原因。

陈五一等[9]实验得出锻造时产生的应力分布情况，锻造铝合金LD10中最大残余压应力出现在锻饼边缘的表层和锻饼中心这类金属流动最快的区域，而最大残余拉应力则出现在锻饼中心的表层和锻饼腰部中间一些金属流动缓慢的区域。 3研究内容及实验方案：

3.1研究内容

本课题以棒状1Cr13Ni马氏体不锈钢为原材料，先对其进行粗加工，研究粗加工对材料表层组织应力的影响，然后分别用500℃，700℃和900℃退火温度退火保温，并比较不同退火温度对组织性能及残余应力的影响。退火冷却时，比较不同退火介质对组织及残余应力的影响。退火完全冷却后，用应力分析仪测定几组材料的不同应力并比较钎焊后的变形情况。具体研究内容包括以下3个方面：

1） 研究粗加工对材料表层组织应力的影响

粗加工将材料加工成所需的形状，本阶段主要研究不同的加工余量对工件产 3

生的不同残余应力影响及研究机械加工会导致相变。

2）研究退火温度与退火介质对工件组织性能的影响

将粗加工后的工件在500℃，700℃和900℃温度下退火保温，并分别用空冷和炉冷2种冷却方式进行冷却，比较其组织成分和残余应力情况。

3）测定精加工后的应力状态，并与钎焊件的变形情况对比

用Strss3000型X射线应力分析仪测定精加工后工件的应力状态，并将不同应力状态的钎焊件进行对比，从而获得残余应力状态对钎焊变形的影响规律。

3.2实验方案

3.2.1 实验材料

本实验采用1Cr13Ni马氏体不锈钢棒材，其化学成分如下：

C:≤0.15

Si:≤1.00

Mn:≤1.00

P:≤0.035

S:≤0.030

Ni:0.60

Cr:11.50~13.50

3.2.2 实验设备

AST Stress3000型X射线应力分析仪快速、有效测量齿轮、轴承、轧辊、曲轴、凸轮轴、压力容器管道以及其它一些零部件在热处理、机加工、焊接、喷丸、滚压等处理过程中产生的残余应力。X射线衍射法是目前国际上最流行，也是最准确可靠的残余应力测量方法。

3.2.3 实验方法

实验前要对试样进行清理，将试样的对接面在砂纸上进行打磨，尽量磨平，保证对接面光滑、平整。同时去除表面残留的氧化物。将磨好的试样用丙醇、乙醇等溶液进行清洗。去除试样表面的灰尘、表面的油污等杂质。

4

本课题采用单因素实验方法，即在其它参数不变的情况下改变其中的一个工艺参数进行实验。本课题采用分组进行实验，首先将样品分组在进行不同方式的粗加工，观察其表面组织，并用AST Stress3000型X射线应力分析仪测定其残余应力，再将样品分别在500℃，700℃和900℃温度下退火保温，并分别用空冷和炉冷2种冷却方式进行冷却，观察其组织及用AST Stress3000型X射线应力分析仪测定残余应力。待其完全冷却后，精加工后用AST Stress3000型X射线应力分析仪测定不同组的残余应力。待钎焊完成记录不同组的钎焊件变形情况。 4研究目标、主要特色及工作进度

4.1 研究目标

1）通过对粗加工件应力数值的比较，确定粗加工对表层组织应力的影响。

2）通过对不同退火温度后工件残余应力值的比较，确定退火温度和退火介质对残余应力的影响。

3）通过对精加工后残余应力数值和钎焊件变形的比较，研究残余应力对钎焊变形的影响。

4.2 主要特色

1Cr13Ni马氏体不锈钢已广泛运用于各种领域，而其焊接性较差，已严重制约其运用，其中变形问题尤为突出，而钎焊具有温度低，变形小的特点。通过对材料状态对1Cr13Ni马氏体不锈钢钎焊变形的影响的研究，寻求最佳的应力状态以使其钎焊变形最小具有非常重要的实际意义。

4.3工作进度

1.检索文献，翻译外文资料一篇，完成开题报告 2015.3.10～2015.4.10

2.研究粗加工对材料表层组织应力 2015.4.11～2015.4.20

3. 研究退火温度与退火介质对工件组织性能的影响 2015.4.21～2014.5.15

4. 测定精加工后的应力状态，并与钎焊件的变形情况对比 2015.5.15～201.6.2 5

5.撰写毕业论文、答辩 2014.6.3～2014.6. 22 5参考文献

[1] 齐春华,陈宇,苏立伟.1Cr13(马氏体)不锈钢的焊接[J]. 水利科技与经济,2006,12(6):404-405.

[2] 王香云,尉世凯.马氏体不锈钢焊接接头动态断裂韧性的研究[J]. 兵工学报 2007，28(8).

[ 3] 杜国华.焊接手册[ K]. 北京:机械工业出版社, 2004,44

[4]《改进的希尔伯特-黄变换(HHT)在多模式Lamb波检测中的应用》[J],“无损检 测” 20xx年,第8期,22-28.

[5] Zone-Ching Lin, Wun-Ling Lai, H Y Lin, et al. The Study of Ultra-precision Machining and Residual Stress for NiP Alloy with Different Cutting Speeds and Depth of Cut. [J]. Journal of Material Technology, 2000, 97(1): 200-210.

[6] 孙杰, 柯映林, 吴群等. 大型整体结构件数控加工变形校正的关键技术研究

[J]. 机械工程学报, 2003, 39(8): 120-124.

[7] SUN Jie, KE Ying-lin, KANG Xiaoming. Study on technology strategies for guarantee machining precision of large-scale integrated aircraft parts [M]. Progress of Machining Technology. Beijing: Aviation Industry Press, 2002: 695-701.

[8] 刘东等. 大型薄壁整体结构件加工变形仿真[J].系统仿真学报.2008, 20(6)

[9] 孙舒晨,陈五一等. LD10锻造铝合金内部残余应力分析[J].科技创新导报.2010,6

6

 

第二篇：20xx0910 赵久欢 开题报告--修订1

硕士学位论文

开题报告

北京门头沟格构挡土墙结构优化研究

专业：交通运输工程

研究方向：路基工程

导师：沈宇鹏

研究生：赵久欢

学号：12125777

开题时间：20xx年9月

一、 研究背景及意义

边坡失稳是人类所面临的三大自然灾害(边坡失稳、地震、洪水)之一，其发生频率远远超过其它两项，发生地区也遍布全球各地。例如19xx年世界著名的意大利瓦依昂库岸滑坡造成了2000人死亡，滑坡体积高达3×10 7m3； 19xx年发生的长江新滩滑坡使得整个新滩古镇全部被毁而滑入长江，因监测预报、疏散及时而使得全镇1371人幸免遇难；20xx年8月7日，甘南藏族自治州舟曲县 “8·8”特大泥石流灾害中遇难1434人，失踪331人据报道：据调查仅我国每年由于各类边坡失稳所造成的财产损失就高达200亿元，特别是近20年来，随着我国现代化事业的飞速发展，如现代铁路、高速公路、大型能源大中型水利水电设施等工程项目的建设，不可避免地会遇到大量的各类自然边坡或人工边坡，这些复杂多样的自然或人工边坡，若处置不当，不仅会严重地影响和威胁人们的生命和财产安全，而且还会直接影响到工程建设项目的顺利实施和安全运营。由此可见，进一步加强边坡治理工程的研究具有十分重要的现实意义。

边坡工程是路基工程的一个重要分支，涉及工程地质、工程数学、岩土 力学、结构力学等多个学科领域，它包括人工边坡和自然斜坡、滑坡以及崩 塌体。人们对边坡工程的研究已经过了近一个世纪的发展历程，研究内容涉 及岩土体的基本理论与结构、试验方法、稳定性分析、数值模拟计算与仿真防治技术与监测方法等。

就边坡防治技术而言，传统的治理措施主要包括：(1)减轻或终止诱发边坡失稳的外部环境因素，如截流排水、卸载反压、坡面防护等；(2)采取改善边坡岩土体内部或结构面的力学性质和物理结构，如土质改良、土钉墙、灌浆加固等；(3)采取抗滑工程措施直接阻止边坡的失稳，如挡土墙、抗滑桩、锚杆(索)加固等。岩土锚固是岩土工程领域的重要分支。在岩土工程中采用锚固技术，能较充分地调用和提高岩土体的自身强度和自稳能力，大大缩小结构物体积和减轻结构物自重，显著节约工程材料，并有利于施工安全，已经成为提高岩土工程稳定性和解决复杂的岩土工程同题最经济最有效的方法之一。岩土锚固已在我国边坡、基坑、矿井、隧洞、地下工程，坝体、航道、水库、机场及抗倾、抗浮结构等工程建设中获得广泛应用。而格构锚固技术则是上个世纪末首先在日本开始应用并逐步传入我国的一种集边坡坡面生态防护、岩土体改良、浅表层及深层岩土加固于一体的新型加固、防护技术，具有边坡加固与坡面防护的双重功效，被誉为是理想的地质灾害治理的绿色工程。该防治技术目前在我国各类边坡工程特别是高等级公路、三峡工程中得到越来越广泛的应用，备受国内工程界重视。但由于格构锚固技术发展历程较短，应用超前于理论研究，当前无论就其加固机理分析、试验研

究，还是工程设计计算都有待进一步深入研究，以便该项新技术在我国能够得到更好、更快的发展和应用。

二、 研究现状

（1）已有成果综述；

边坡防治技术包括边坡加固技术与防护技术。纵观国内外边坡防治技术的发展历程，基本可分为以下四个阶段：一是自20世纪50年代以前，边坡防治技术主要以各类挡土墙支挡为主，同时辅以排水阻渗；二是自20世纪60年代至70年代，在继续使用各类挡土墙对边坡进行支挡的同时，大力开发了抗滑能力强，应用于大、中型滑坡的抗滑桩新型支挡结构，并对其受力机理和设计计算进行了深入研究；三是自20世纪80年代至90年代初，在继续使用小直径抗滑桩的同时，开始将大直径人工挖孔抗滑桩用于大型、特大型滑坡的工程支挡中，同时锚杆(索)在边坡防治工程中开始大量使用，这时锚杆(索)一般多采用锚墩作为反力装置，特别是锚索与抗滑桩的联合应用，出现了桩锚支护结构，大大改善了一般抗滑桩的受力条件，并节减了抗滑桩的工程造价；四是自20世纪90年代初至今，在继续使用传统的支挡加固技术的同时，开始应用格构锚固技术，同时喷锚网技术在岩质边坡中也大量使用，特别是进入2l世纪以来，随着高速公路的快速发展和三峡工程的建设，人们对环境保护意识的进一步增强和对边坡治理工程中美观的要求，喷锚网技术在边坡治理工程中应用有逐年下降的趋势，而格构锚固技术则得到了快速发展和广泛的应用，并成为当前边坡防治技术中研究的热点问题之一。

（2）国内外研究现状

格构锚固技术主要由格构框架梁、锚杆(索)和框架内植被三部分组成。可认为格构锚固技术是随锚杆(索)加固技术和格构护坡技术的发展而逐渐发展起来的一种新型边坡加固与防护技术。

就单纯锚杆技术而言，其发展历史已超过一个世纪，19xx年，美国首先用岩石锚杆支护矿山巷道。19xx年在阿尔及利亚切尔伐斯坝的加高工程中，首先采用承载力为10000kN的预应力岩石锚杆来保持加高后坝体的稳定。在稍后的时间里，印度的坦沙坝、南非的斯登布拉斯坝、英国的亚格尔坝和奥地利的斯布列希坝也同样采用预应力锚杆加固。19xx年法国Bauer公司采用土层锚杆。80年代，英国、日本等国研究开发了一种新型锚固技术——单孔复合锚固，改善了锚杆的传力机制，能大大提高锚杆的承载力和耐久性。英国采用单孔复合锚固技术，在软土中使锚杆的承载力达到1337kN。19xx年，澳大利亚在Warragamba重力坝加固工程中采用由65根15．2rran的钢绞线组成的锚杆，最大承载力达16500kN。中国北京的京城大厦、王府饭店、上海太平洋饭店等大型基坑工程采用预应力土层锚杆背拉桩墙结构。奥地利、

英国、美国、国际预应力协会、日本和中国相继制定了地层锚杆的技术规范。之后锚杆(索)技术逐步得以应用和发展，并成为岩土工程领域的一个重要分支。

目前国内外对锚杆(索)技术己进行了大量的理论研究、数值模拟研究以及试验研究等，所使用的各类锚杆的种类多达600多种，其设计计算理论相对成熟，各国也先后颁布了相应的国家或行业技术规范或规程，应用领域涉及矿山、水利、公路、铁路、市政等众多部门，特别是近年来在一些大型岩土加固工程中得到了成功应用，如在长江链子崖危岩体加固中所使用的锚索吨位达到3000kN级，在举世瞩目的三峡工程永久船闸高边坡和薄衬砌墙的加固工程中，预应力锚索及全长粘结锚杆均发挥了重要的作用。然而，对于格构锚固技术由于其发展历程较短，无论对锚杆(索)和面层格构框架梁相互协同作用的机理研究、格构梁内力计算研究，还是其设计方法、设计理论研究，特别是在方案和结构优化设计等方面的研究还相当有限。人们对其加固机理及设计计算方法的认识尚未达成共识。

格构锚固技术在日本等国家推广应用已有二十余年的历史，主要应用于中、小型人工开挖和自然边坡的整治加固工程，而在国内的应用相对起步较晚。但近年来随着我国水利水电、高速公路、城市建设等的高速发展以及三峡工程的建设，工程边坡灾害问题日趋严重，边坡防治己成为工程界十分重视的研究领域。格构锚固技术作为边坡防治工程中的一项新技术在国内越来越受到人们的关注和重视，并逐渐成为一种主要的边坡加固与防护技术。近年来，除传统的格构护坡在稳定边坡的坡面防护中继续进行大量应用外，格构锚固技术作为一种集边坡加固与坡面防护于一体的新技术在不稳定边坡中也逐步得到日益广泛的应用，并涌现出了许多新型式，如浆砌石格构锚固、现浇格构梁锚固、预制预应力混凝土格构锚固(Prestressing Concrete FrameAnchor Method，即PC格构锚固工法)和Q&S格构锚固(Quick&Strong)预应力混凝土格构锚固(PC)首先在日本开始推广应用，它是将预制预应力混凝土面层框架和现浇锚杆(索)有机组合在一起对不稳定边坡实施加固与坡面防护，并在19xx年成立了预应力混凝土框架协会，制定出了《预应力混凝土框架锚固设计施工指南》，实现了PC工法标准化和系列化设计和施工，

预制预应力混凝土格构的结构型式有四种，即十字型(C)、半正方形(SS)、正方形(S)和一字型(B)。由于PC格构锚固工法施工技术要求和机械化程度较高，国内目前应用较少。Q&s格构锚固工法也首先在日本开始推广应用，并成立了Q&S框架协会。该工法是先在工厂里预先组装好可折叠的钢筋笼，然后运送到施工现场在被加固的坡面上按矩形或菱形打开，同时在钢筋笼中喷射混凝土即可。Q&S工法具有使用快捷、经济，且抵抗坡体变形能力强的特点。浆砌石格构锚固是国内外广泛使用的一种以边坡防护为主的护坡方法，

锚杆主要起固定浆砌石格构的作用和对坡体的表层进行加固，主要使用于整体稳定的边坡，其型式有方型、窗型、菱形、人字型等。现浇格构梁锚固是采用现浇的钢筋混凝土面层框架梁与锚杆(索)联合组成复合结构对不稳定边坡进行加固和坡面防护，锚杆(索)主要对不稳定边坡进行阻滑加固，现浇格构梁主要为锚杆(索)提供锚拉反力，同时在格构框架内客土植草可达到坡面防护的目的。由于该加固方法面层格构框架梁整体现浇，因此，具有整体刚度大、施工灵活的特点，近年来，该技术在我国得到了越来越广泛的应用。

目前，国内对格构锚固技术的研究主要是对我国应用较多的现浇格构梁锚固技术而展开的，研究内容多涉及格构框架的内力计算问题、数值模拟、室内与现场试验研究以及工程实际应用问题。在格构框架梁的内力计算方面，最初提倡使用倒梁法进行计算，即将格构梁的内力视为柱下十字交叉基础的内力计算模式，把格构纵、横梁看作是倒置的连续梁进行内力计算。该计算方法提出了两个假设前提条件：(1)将锚杆(索)视为铰支点，基底反力视为荷载；(2)格构梁的基底反力为直线分布。由于这种计算方法忽略了格构框架梁的整体协调变形和基底反力的非线性分布，因此，其设计值往往偏于保守。一些国内学者相继采用各自方法提出了一些研究锚索的理论。

唐辉明、许英姿等人则采用Winkler地基模型对格构梁的内力进行计算，即将格构梁视为弹性地基梁，按梁的特征长度将地基梁分为无限长梁、半无限长梁和有限长梁，通过梁的边界条件，建立并求解弹性地基梁微分方程而得到格构纵、横梁的内力与变形。

吴荣燕等人将有限差分法引入格构梁的内力计算中，假设坡体为Winkler弹性地基，以梁的挠度为未知量，用差分法求解梁的微分方程，再利用内力和挠度的关系求得各结点的内力值。

李德芳等人根据Winkler假定，用Visual C++编制了相应计算程序，应用结构力学中的矩阵法，将连续的格构梁划分为若干个单元的离散体，并借助力的平衡条件和位移协调条件用矩阵建立方程，然后使用计算机求解梁的内力，并将其计算结果应用到京珠高速公路粤境某段的格构锚固边坡治理中。

肖世国、周德埘等人研究指出：在预应力锚索的张拉阶段和工作阶段，其根本差异在于地基反力的变化。在预应力锚索张拉刚刚完成的阶段(即张拉阶段)，坡体反力主要是由格构梁压迫岩土体而产生的被动岩土体压力；当锚索预张拉完成并锚固抑制稳定后(即工作阶段)，坡体反力主要是由岩土体变形压迫格构梁而产生主动岩土体压力。张拉阶段，锚索张拉力为己知，坡体反力为未知；工作阶段，岩土体压力即主动岩土体压力为己知，锚索张拉抑制力为未知。格构梁的计算可拆分成单片梁的形式计算，在张拉阶段和工作阶段可分别按Winkler地基模型和连续梁的方法计算地梁内力，取其最不利组合作为设计依据。

吴礼舟、胡瑞林提出：采用Winkler弹性地基梁模型计算格构梁内力时，通常忽略边坡岩土体和格构之间摩擦阻力影响，指出：对于预应力格构锚固而言，摩擦阻力较小但确实存在，在非预应力格构锚固中不应忽略，并通过实际工程进行了验证，摩擦力可使格构梁的弯矩降低3 1％。

许英姿运用ANSYS软件对格构锚固结构与坡体相互作用进行了三维有限元模拟，通过模拟分析计算指出：在格构梁均匀压应力作用下，滑坡体内部土体的强度有所提高；受压塑性区首先出现在格构梁的悬臂端部，受拉塑性区则首先在外围梁的梁脚处出现，塑性区范围仅仅限于表层土；岩土体的变形模量对应力的分布和大小的影响不大。

李立、刘东裂等人利用FLAC3D三维有限差分软件建立数值分析模型，发现：格构梁空间模型与平面模型的弯矩曲线存在差异。纵梁的弯矩分布不对称，正弯矩最大值出现在靠近坡顶的锚固力作用处，横梁的弯矩分布大致呈轴对称形式，且弯矩值的大小受横梁在边坡位置以及边坡力学参数的影响。空间模型的分析结果更准确地反映格构梁受力情况及纵横梁问的相互影响。

杨明、胡厚林等人在福建漳龙高速公路和溪段花岗岩风化壳类土质边坡上进行了格构锚索的抗拔和预应力损失现场试验，研究类土质边坡的锚固特性，并进行刚度分析。通过对土与结构相互作用原理，导出了格构梁内力计算模型，并采用拉格朗日元法对预应力锚索地梁加固的类土质边坡进行了数值模拟。认为：预应力格构锚固具有普通锚固措施不能达到的优越性。

夏雄、周德培等人在京珠高速公路某段进行了岩石边坡现浇钢筋混凝土格构梁现场试验研究。试验表明：设计中使用静力平衡分析法能较好体现真实情况，因此，对格构梁的内力求解时应优先选用Winkler"弹性地基梁理论。同时提出：预应力锚索格构非常适用于浅层风化严重的岩层和堆积层厚度较大的滑坡体加固。

林国耀301采用室内模型试验对格构梁进行了研究，分析了斜坡坡率、格构梁自重和梁问覆土荷载和锚固力之间的关系，并得出了一些有益的结论，对格构梁的设计提供参考。

刘小丽等人结合“川藏公路前龙段滑坡机理及整治技术研究”科技项目，对格构锚固进行了大型的室内地质力学模型试验，基于格构梁与岩土体的协调变形情况，提出了预应力格构锚固的有限元力学计算模型，并将格构锚固工作状态划分为三个阶段：预应力的分级张拉阶段；锚索预应力张拉完毕后的格构梁正常工作阶段；格构梁的极限状态工作阶段。

马迎娟等人以室内模型试验为手段，通过正交试验研究了格构梁节点处荷载沿纵横梁的分配规律及同一锚固力作用下纵横梁的合理刚度匹配问题，提出了基于双参数地基模型的格构梁内力计算方法。

三、 研究内容

（1）格构挡墙支护机理分析

格构锚固技术的工作机理是通过格构挡墙将边坡坡体的过剩的土压力（下滑力）、岩石压力等通过一定的传力机制将分配给格构结点的锚索，再由锚索将力传递到相对稳定地层，从而是边坡在锚固力作用下成为更加坚固的整体，从而保持边坡的稳定性。

（2）格构挡墙传力特点和侧向土压力的特点

依据边坡开挖时的变形、受力特性以及应力扩散原理、摩尔．库仑强度理论，通过安装土压力盒，研究挡墙后覆土的应力变化规律。安装钢筋计，锚索计，研究挡土墙横梁、竖梁和锚索之间的传力特点。

（3）倾斜式与直立格构挡墙之间的不同

分析倾斜式的格构锚固与高边坡直立式格构挡土墙在作用机理，传力特点，模型的异同点。分析两种格构形式锚索与挡墙的传力机制差异，同时进行高边坡直立式格构挡墙的稳定性研究。研究直立式格构锚固对锚索的特殊要求，通过建模考察边坡整体的稳定性。

（4）MIDAS /GTS格构优化分析研究

门头沟两个测点各自安装了水平向土压力盒，垂直向土压力盒，钢筋计，锚索计分别对格构式挡土墙后的回填土，格构梁钢筋，锚索的应力和应变进行测试。根据工程的进度，土回填的间隔期以及后期堆载预压时间，对现场进行跟踪监测，分别通过测试得到土体的水平压力，垂直土压力，锚索应力，研究格构梁钢筋的应力，从而得到一个完善的实际格构挡墙受力传力模型。在现场测试的基础上，用结构有限元软件midas模拟该直立式格构式挡墙，将两者进行正交比较分析。通过各种参数的优化，最终研究适合该工程的格构优化设计要求，并在此基础上延伸研究。

四、 研究方法：

针对以上研究内容：

1、 收集相关现行规范和格构式边坡支护的技术指标

收集关于格构式挡土墙相关的结构参数，熟悉边坡的概况及变形特征，工程地质条件。当地的水位地质资料，地质勘察报告，调查各土层的相关参数，边坡的岩性情况，抗震烈度表等。

2、在门头沟的相应测点，安装土压力盒，锚索计，钢筋计。测定不同深度填土的水平垂直土应力，锚索应力，挡土墙梁的横纵向钢筋应力。(断面呢) 在门头沟区采空棚户区改造石泉砖厂定向安置房项目边坡工程的东面71号竖梁和75号竖梁之间，和西面25号竖梁28号竖梁之间，两个测试点安装相应

的覆填土水平向，竖直向土压力盒测试在不同填土厚度的应力应变，后期堆载预压土压力的变化，在相应的竖梁上安装钢筋计，在锚索上安装锚索计。通过测试钢筋计和锚索计的应力应变，从而研究高边坡直立式格构挡土墙的传力机制。

3、整理测试数据绘制不同填土厚度下土应力和应变，竖梁横梁钢筋应力，锚索应力随时间的曲线图。

在东西两面两个测试点，选取不同断面，画出同一断面下不同填土厚度的筋计应力-时间曲线图，研究从前期快速填土预压，一直到后期填土达到高度要求堆载预压。通过不同时期土应力的变化情况，归纳总结出覆土厚土，预压，温度等对覆土应力的影响机制。同理研究钢筋计应力-时间的变化规律，锚索计-时间的变化规律。如图：

土压力图示例 锚索计应力示例

4、用MIDAS GTS 建模模拟测试工点。并与现场测试数据进行正交比较。 通过《门头沟区采空棚户区改造石泉砖厂定向安置房项目边坡工程(A6边坡)岩土工程勘察报告》，和相关《规范》得到建模的土层、挡墙、填土相关的系数和技术指标。用有限元软件MIDAS GTS建立模型，通过模型计算的到的数据和现场测试数据进行正交比较。

5、格构式挡土墙的结构优化设计研究。

采用有限元软件MIDAS GTS，将边坡稳定性，锚索计应力，土应力长度作为条件，以边坡稳定性为最终控制目标，进行参数的优化设计，提出一整套适合高边坡直立式格构挡土墙的安全、经济和快捷的支护方案。

五、 技术路线

六、 论文创新点

1、系统研究了北京地区高边坡支护工程中采用直立式格构式挡土墙的土应力的变化规律和格构与锚索计的传力机制，建立相应的计算模型。最终论证这种新型的边坡支护方式在北京地区工民建工程中的可行性。

2、较系统地进行了不同覆填土深度和堆载预压条件下，挡墙后填土水平垂直向应力、锚索应力和挡墙竖梁和横梁应力变化特征研究及相互影响关系；

3、综合研究了高边坡直立式格构挡土墙的内力变化和传力机制的基础上，通过有限元软件的建模分析，提出高边坡直立式格构挡土墙结构优化的一般措施。

在有余力的情况下可以继续做的延伸创新点： 1)岩土锚杆的结构形式与传力机制；

2)各类地层中锚杆固定长度粘结应力特性与固定长度有效因子； 3)快速、高效与多功能的钻孔机具； 4)锚杆的腐蚀与防护； 5)锚杆的长期工作性能；

6)地震、冲击荷载、变异荷载等条件下锚杆的性能； 7)锚杆预应力对岩土体应力重分布及岩土体力学性能的影响；

七、 论文研究进度计划

目前正在进行的工作

1）查阅了相关的文献、资料，确定了研究方向；

2）掌握了基本的研究方法；

3）掌握了MIDAS GTS有限元分析软件的应用。 工作计划进度表

八、论文结构

1绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国内研究现状

1.2.2 国外研究现状

1.3 存在的不足

1.4 研究内容

1.5 技术路线

2 格构挡墙支护机理分析

2.1 格构挡墙侧向土压力的特点；

2.2 锚索和挡墙间的作用机理分析。

2.3 倾斜式与直立挡墙之间的不同

3 现场测试分析

3.1现场条件

3.2现场监测项目的布置

3.3 结果分析

3.3.1 土压力的特点

（1）不同加载时间、不同层的竖向土压力的特点

（2）不同加载时间、不同层的侧向土压力的特点

（3）不同加载时间、不同层的侧向土压力系数的特点（侧向/竖向）

3.3.2 格构挡墙的应力特点

（1）不同加载时间、不同层的挡墙压力的特点

（2）不同加载时间、不同层的侧向土压力与挡墙压力的对比分析

3.3.3 锚端拉力的特点分析

不同层锚端拉力的特点分析

3.4 结论

4 优化分析方法

4.1正交试验设计原理

4.2 影响因素的确定

4.3 因素水平的确定

4.4 考核指标的选择

4.5 正交的模型建立

5 计算结果与正交分析

5.1 正交模型与现场数据的对比分析

5.2 正交模型计算结果

5.3 极差分析

5.4 方差分析

5.5 结论

6结论

6.1 高边坡直立式格构挡土格构式优化措施

6.2研究方法总结

6.3 支护方式的选择

5结论与展望

致谢

九、 参考文献

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