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锚固技术因其锚固体承载能力大、施工简便、成本低廉等优点被广泛应用于混凝土结构和岩土工程加固中。锚固技术一般是指先在混凝土或岩体等基体表面钻孔，然后用粘结剂将锚杆锚固于基体中。锚杆在拉拔荷载作用下通常会发生以下破坏型式:锚杆杆体拉断、界面脱粘、粘结层剪切破坏、基体锥形破坏和复合破坏。因此，预测锚固系统在不同破坏型式下的极限承载力及破坏过程具有重要的工程意义。解析方法作为探究锚固系统应力传递机制和破坏机理的有效手段，始终受到科研人员和工程技术人员的普遍关注。由于几何形状和加载方式的对称性，锚杆的拔出问题可看作是三维轴对称问题。然而，现有的解析研究大多采用基于剪滞理论的一维简化模型，不能完全反映锚固系统的实际受力状态。此外，现有的三维轴对称解析研究仅限于弹性范围，忽略了基体的变形以及界面和粘结层的非线性特性。因此，发展更为合理且适用于锚杆拉拔破坏全过程非线性分析的三维轴对称解析方法，仍然是当前锚固工程领域的迫切需求。本文以断裂力学思想和弹性力学三维轴对称理论为基础，提出考虑锚杆非线性拉拔特性的三维轴对称解析方法，建立不同破坏型式下锚杆拉拔全过程的三维轴对称解析解，本文主要研究内容和结论如下:
(1)基于断裂力学思想，将锚杆-粘结剂界面脱粘视为界面剪切裂纹的扩展，利用界面三线性粘结滑移关系，提出界面脱粘破坏时锚杆拉拔全过程的三维轴对称解析方法，建立界面剪切裂纹不同扩展阶段锚固系统应力场、位移场、极限抗拔力和荷载位移关系的三维轴对称解析解，通过与已有拉拔试验数据及轴对称弹性理论解的对比，验证所提方法的正确性和优越性，在此基础上探讨锚固长度对锚杆拉拔特性的影响。结果表明，采用本文方法计算的极限抗拔力和荷载位移曲线与实测值吻合良好，计算精度明显高于已有轴对称弹性理论方法。特征锚固长度决定了界面剪切裂纹扩展规律，并且存在最小锚固长度和临界锚固长度。当锚固长度小于最小锚固长度时，荷载位移曲线表现出显著的峰后软化特征;当锚固长度大于最小锚固长度时，荷载位移曲线发生回弹且回弹程度随锚固长度增加而增强。当锚固长度小于临界锚固长度时，极限抗拔力随锚固长度增加显著增大;当锚固长度大于临界锚固长度时，随着锚固长度的增加，极限抗拔力的增速明显减小。只需给定各介质基本力学参数和界面粘结参数，本文方法能有效地预测界面脱粘时锚杆拉拔破坏的全过程，并计算特征锚固长度、最小锚固长度和临界锚固长度，而无需任何标定，可为实际工程中锚固体系的设计及参数选择提供理论依据;
(2)针对界面脱粘过程中基体发生锥形破坏的情况，采用应力函数法提出考虑基体锥形-脱粘复合破坏的锚杆拉拔全过程的三维轴对称解析方法。以基体最大主拉应力为判据确定基体锥形破坏的可能性和开裂位置，建立锚杆拉拔过程中各应力分量、基体开裂荷载、锥形角、锥体高度和极限抗拔力的解析表达式。通过与已有拉拔试验数据及轴对称弹性理论解的对比，验证方法的正确性和优越性。比较了三维轴对称解析解和一维解析解的差异及适用范围，从理论角度对一维解析方法的可行性和适用性进行验证。结果表明，采用本文方法计算的极限抗拔力、锚杆轴向应力及界面剪应力分布曲线与实测值基本一致，计算精度明显高于已有轴对称弹性理论方法。三维轴对称解析解与一维解析解的差异随基体弹性模量的减小而增大。当基体弹性模量较小时，如土体、砂等，三维轴对称解析解与一维解析解具有明显差异，泊松比的影响不可忽略。因此，在锚杆的设计和计算中应合理地考虑泊松比的影响，以期更准确地反映锚杆的实际受力状态。本文提出的三维轴对称解析解满足平衡方程、应力边界条件和界面连续性条件，不限于特定的界面粘结滑移本构关系和材料属性，当不考虑泊松比影响时可退化为一维解析解，具有适用范围广、通用性强的特点;
(3)针对砂浆锚杆中砂浆剪切破坏问题，基于断裂力学思想，将砂浆剪切破坏看作砂浆沿平行于界面方向的剪切裂纹扩展，采用三维轴对称解析方法对砂浆剪切裂纹扩展全过程进行分析，建立砂浆剪切裂纹不同扩展阶段应力场、位移场、极限抗拔力和荷载位移关系的三维轴对称解析解。通过与已有拉拔试验数据、数值解、轴对称弹性理论解及一维解析解的对比，验证所提解析解的正确性、有效性和适用性。在此基础上研究锚固长度对锚杆拉拔特性的影响，并提出锚杆破坏型式的预测方法。结果表明，锚固长度对砂浆剪切裂纹扩展规律和荷载位移曲线有显著影响。当锚固长度较小时（如锚杆的5倍直径），砂浆剪应力沿锚长方向近似为均匀分布，荷载位移曲线的形状与砂浆剪应力-剪切位移曲线类似，三维轴对称解析解与一维解析解基本一致。随着锚固长度的增加，砂浆剪应力分布的不均匀性逐渐增强。当锚固长度大于特征锚固长度时，荷载位移曲线呈现明显的非线性特征，三维轴对称解析解与一维解析解的差异较为显著，锚杆泊松比的影响不可忽略。只需给定各介质基本力学参数、砂浆剪切参数和界面粘结参数，本文提出的三维轴对称解析解能准确合理地预测锚杆的破坏型式及拉拔全过程，为砂浆锚杆的设计和计算提供可靠的理论参考。
(1)基于断裂力学思想，将锚杆-粘结剂界面脱粘视为界面剪切裂纹的扩展，利用界面三线性粘结滑移关系，提出界面脱粘破坏时锚杆拉拔全过程的三维轴对称解析方法，建立界面剪切裂纹不同扩展阶段锚固系统应力场、位移场、极限抗拔力和荷载位移关系的三维轴对称解析解，通过与已有拉拔试验数据及轴对称弹性理论解的对比，验证所提方法的正确性和优越性，在此基础上探讨锚固长度对锚杆拉拔特性的影响。结果表明，采用本文方法计算的极限抗拔力和荷载位移曲线与实测值吻合良好，计算精度明显高于已有轴对称弹性理论方法。特征锚固长度决定了界面剪切裂纹扩展规律，并且存在最小锚固长度和临界锚固长度。当锚固长度小于最小锚固长度时，荷载位移曲线表现出显著的峰后软化特征;当锚固长度大于最小锚固长度时，荷载位移曲线发生回弹且回弹程度随锚固长度增加而增强。当锚固长度小于临界锚固长度时，极限抗拔力随锚固长度增加显著增大;当锚固长度大于临界锚固长度时，随着锚固长度的增加，极限抗拔力的增速明显减小。只需给定各介质基本力学参数和界面粘结参数，本文方法能有效地预测界面脱粘时锚杆拉拔破坏的全过程，并计算特征锚固长度、最小锚固长度和临界锚固长度，而无需任何标定，可为实际工程中锚固体系的设计及参数选择提供理论依据;
(2)针对界面脱粘过程中基体发生锥形破坏的情况，采用应力函数法提出考虑基体锥形-脱粘复合破坏的锚杆拉拔全过程的三维轴对称解析方法。以基体最大主拉应力为判据确定基体锥形破坏的可能性和开裂位置，建立锚杆拉拔过程中各应力分量、基体开裂荷载、锥形角、锥体高度和极限抗拔力的解析表达式。通过与已有拉拔试验数据及轴对称弹性理论解的对比，验证方法的正确性和优越性。比较了三维轴对称解析解和一维解析解的差异及适用范围，从理论角度对一维解析方法的可行性和适用性进行验证。结果表明，采用本文方法计算的极限抗拔力、锚杆轴向应力及界面剪应力分布曲线与实测值基本一致，计算精度明显高于已有轴对称弹性理论方法。三维轴对称解析解与一维解析解的差异随基体弹性模量的减小而增大。当基体弹性模量较小时，如土体、砂等，三维轴对称解析解与一维解析解具有明显差异，泊松比的影响不可忽略。因此，在锚杆的设计和计算中应合理地考虑泊松比的影响，以期更准确地反映锚杆的实际受力状态。本文提出的三维轴对称解析解满足平衡方程、应力边界条件和界面连续性条件，不限于特定的界面粘结滑移本构关系和材料属性，当不考虑泊松比影响时可退化为一维解析解，具有适用范围广、通用性强的特点;
(3)针对砂浆锚杆中砂浆剪切破坏问题，基于断裂力学思想，将砂浆剪切破坏看作砂浆沿平行于界面方向的剪切裂纹扩展，采用三维轴对称解析方法对砂浆剪切裂纹扩展全过程进行分析，建立砂浆剪切裂纹不同扩展阶段应力场、位移场、极限抗拔力和荷载位移关系的三维轴对称解析解。通过与已有拉拔试验数据、数值解、轴对称弹性理论解及一维解析解的对比，验证所提解析解的正确性、有效性和适用性。在此基础上研究锚固长度对锚杆拉拔特性的影响，并提出锚杆破坏型式的预测方法。结果表明，锚固长度对砂浆剪切裂纹扩展规律和荷载位移曲线有显著影响。当锚固长度较小时（如锚杆的5倍直径），砂浆剪应力沿锚长方向近似为均匀分布，荷载位移曲线的形状与砂浆剪应力-剪切位移曲线类似，三维轴对称解析解与一维解析解基本一致。随着锚固长度的增加，砂浆剪应力分布的不均匀性逐渐增强。当锚固长度大于特征锚固长度时，荷载位移曲线呈现明显的非线性特征，三维轴对称解析解与一维解析解的差异较为显著，锚杆泊松比的影响不可忽略。只需给定各介质基本力学参数、砂浆剪切参数和界面粘结参数，本文提出的三维轴对称解析解能准确合理地预测锚杆的破坏型式及拉拔全过程，为砂浆锚杆的设计和计算提供可靠的理论参考。