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锚固技术通过埋设在岩石或土中的锚杆，将结构物与地层连接在一起，由锚杆传递结构物受力或使地层自身得到加固，以保持结构物和岩土体的稳定。与传统加固支护技术相比，岩土锚固技术通过改造和利用地层自身力学性能，将原来作为单纯外荷的地层改变为部分自承载体，不仅提高结构稳定性，而且还能改善周围环境、降低工程造价并缩短工期。锚固技术在土木、水电、海洋及地质等工程领域得到了广泛应用。锚固体系一般由锚杆、浆体及地层等组成，从材料角度，锚固体系属于多相介质材料，具有非均质、各向异性特点，其中还包括第1类（锚杆与浆体）、第2类（浆体与地层）、第3类（地层内部）等多组界面。尽管锚固技术出现较早，但对锚固机理及计算理论的研究却起步较晚。虽然许多学者进行了大量理论与试验研究工作，也取得了不少成果，但受到地质条件、施工条件、锚固体结构特性、测试水平等众多因素的制约，许多成果缺乏普遍性和准确性，对锚固机理还缺乏深入认识，没有建立合理的锚固体系计算模型，没有形成一个能真实反映界面粘结力分布的理论体系，也没有确切的界面粘结一滑移关系式，制约了应用研究的进一步发展。主要表现在以下几个方面：
(1)没有合理的锚固体系计算模型锚固系统由锚杆（索）、浆体、岩土体及介质界面等材料组成。其中，除锚杆的力学特性比较简单之外，其余材料都具有非线性、非均质及非连续等复杂的力学特性。因此，选择合理的计算模型，既能客观地反应实际受力特征，又能使计算分析成为可能，是锚固理论发展的关键。
(2)没有正确地描述界面剪应力分布规律国内外众多关于锚杆的计算方法及规范假定在极限荷载下，锚固体界面剪应力沿锚杆长度均匀分布，由此可得出锚杆锚固力与锚固长度成正比。试验表明：锚阎段剪应力沿杆长分布是非均匀的，锚杆长度存在临界值。许多学者采用不同类型曲线进行界面剪应力分布，如：指数函数、双曲函数、高斯函数等。该方法虽然简单，但由于其假设与实际不符（峰值剪应力在锚固段最外端，没有考虑地层力学性质等），不能正确地反映锚固状态的实际情况，难于推广应用。锚固理论的发展重点在于建立合理的锚固体系计算模型，在此基础上得到锚固段具有普遍意义的应力分布规律，为锚固工程设计提供理论依据。
(3)欠缺从细观角度研究锚固作用机理整个锚固段的应力与变形规律。
(4)缺乏对锚固系统中界面力学特性的研究锚固系统的承载性能主要与不同介质接触界面特性有关。对于锚固系统而言，其接触面力学特性最为复杂。解决这一问题面临着两大课题：一是不同材料接触界面力学特性及其参数测定；二是建立合理的界面力学分析模型。
锚固机理的深入认识，除了提高测试水平，还需要计算理论、方法的突破与改进。针对锚固系统研究现状，本文基于内聚力理论建立锚固体系界面模型，采用解析与数值两个方法研究不同边界条件下粘结锚杆受力性状，进一步认识锚固体系作用机理。
论文《粘结式非预应力锚杆荷载传递机理的解析与数值模型研究》分七个部分来阐述，各部分内容安排如下：
第一部分：重点阐述论文的研究背景、意义、研究内容与创新点。第二部分：通过对现有文献的阅读和总结，阐述论文所涉及内容的研究与应用现状。主要有：锚固技术发展。包括应用现状、新材料、新工艺、新型式及新设备，规范规程等；锚固机理研究。包括试验工作、解析方法及数值方法等；内聚力裂纹模型研究及基于ABAQUS平台的子程序方法等。第三部分：被动全长粘结锚杆荷载传递机理解析方法。考虑土体不同方向位移解耦，分别研究土体沿锚固体轴向位移及土体沿锚固体法向位移的解答，并进行参数分析。第四部分：排水与非排水条件下全长粘结锚杆承载性能解析方法。解析方法基于剪滞理论，分别研究排水与非排水条件下的解答，将解析解与数值解进行对比并比较分析不同排水边界条件下承载性能的差异。第五部分：基于约束法的粘结锚杆荷载传递机理数值分析。计算模型基于ABAQUS平台，考虑锚杆与浆体、浆体与地层两个接触界面，浆体材料采用混凝土损伤模型，土体采用扩展Drucker-Prager模型；研究全长与非全长粘结锚杆在不同荷载值、摩擦系数、浆体刚度及锚杆尺寸等参数下的受力性状。第六部分：基于内聚力理论的浆土界面模型并将其应用于全长粘结锚杆性状分析。在Caballero模型的基础上考虑复合裂纹模式，借助塑性力学方法建立浆土界面本构矩阵；其数值实现采用ABAQUS的UEL子程序；分析拉伸、剪切及复合裂纹性状以验证模型的有效性并将界面模型应用到全长粘结锚杆分析其界面剪应力及承载特性。第七部分：总结论文的成果和结论，对论文的研究前景进行展望。
本文在总结国内外相关文献的基础上，基于内聚力理论建立了浆土界面模型，利用解析与数值方法对锚固机理开展研究。具体内容为：
(1)利用土体变形模式对被动锚杆进行了解析分析。分别考虑了土体沿锚固体切向与法向位移两种情况。对于土体沿锚固体轴向位移，通过假定土体位移模式得到了锚固体弹性与弹塑性解。其中，弹塑性解考虑了锚头、锚端及两端同时屈服等三种情况。当土体位移为零时，解答退化为锚杆受拉拔荷载情形。对于沿锚固体法向土体位移，采用锚杆横向经验变形模式，得到了相应的解答。在弹性情况下，若不考虑法向与切向位移耦合效应，通过叠加可得到法向与切向土体位移同时作用下的解答。参数分析表明：土体的位移趋势及模式对被动受荷锚杆性状有明显的影响。受力性状主要与界面刚度、强度、锚杆长度及土体变形模式有关。
(2)采用剪滞理论对排水与非排水条件下弹性土体中的锚杆进行了解析分析，分析中设定土体剪应力为界面剪应力的线性分布函数。排水条件下，孔隙水充分消散，有效应力与总应力相等，而在非排水情况下，不考虑孔隙水压力消散。解析结果与基于ABAQUS平台的数值结果了对比。解析结果表明：锚土相对刚度（在所考虑的范围内）基本不影响锚杆拉拔力；在各种工况下，不排水边界下锚杆应力均较排水条件下小；锚杆拉拔力对界面摩擦系数相当敏感，在排水条件下，锚杆拉拔力与界面摩擦系数成正比。当摩擦系数较低时（小于0.2），非排水与排水条件下锚杆拉拔力比值约为0.9，随着摩擦系数增加，其比值不断降低，当摩擦系数等于1.0时，其比值约为0.6。
(3)基于ABAQUS对比分析了全长粘结与非全长粘结锚杆受力性状。计算模型考虑了锚杆与浆体有浆体与土体两个界面，其中，前者采用TIE约束，后者采用基于MC准则的相互作用模型，浆体采用混凝土损伤模型，土体采用DP准则。分析表明：非全长粘结锚杆与全长粘结锚杆的受力机理有很大的不同，非全长锚杆中，锚固段浆体受拉，而非锚固段浆体受压；而全长锚杆中，浆体全长受拉。其他条件相同情况时，非全长粘结锚杆比全长粘结锚杆侧摩阻力发挥水平更高，其极限承载力也更高。锚杆的承载力随浆一土界面的摩擦系数、锚固长度以及锚杆直径增大而增大，增大幅度逐渐减小趋于稳定。浆体刚度对锚杆承载力影响不大，但对锚杆侧阻力的分布以及浆体轴力影响较大。
(4)基于内聚力理论构建了筋土界面模型。模型将界面开裂破坏考虑为材料不断弱化的过程，采用双曲线作为裂纹势面，材料参数包括抗拉强度、粘聚力及摩擦系数等，界面弱化控制参数采用材料断裂能，并考虑I、Ⅱ型裂纹断裂能的耦合作用。借用塑性力学方法建立材料本构关系。界面模型采用零厚度界面单元，通过基于ABAQUS的用用户单元子程序UEL进行数值实现并分析了拉伸、剪切及复合裂纹等三种情况。结果表明：模型能模拟材料弹性变形、开裂破坏及摩擦滑移等三个状态；峰值应力除了受材料抗拉强度、法向应力等参数影响外，还与裂纹面加载角度有关；断裂能不影响峰值应力，但影响峰后软化段形态，随着断裂能增加，特征位移增大。
(5)采用内聚力界面模型对全长粘结锚杆进行了性状分析。结果表明：界面剪应力非均匀分布，荷载作用下，锚头处首先出现局部滑移，随着荷载的增加，滑移逐渐向锚端处扩展，相应地，界面峰值应力也向锚端处迁移，当界面完全破坏时，跌落到残余应力值。峰值剪应力，锚杆拉拔力随模量比增大而增加，也随剪胀角、断裂能及摩擦角增大而增加。锚杆拔拉力残余随剪胀角及摩擦角增加而增大，随着模量比的增加，锚杆拉拔力不断增大，并且其脆性不断增强，随着断裂能的增加，锚杆拉拔力及破坏位移均不断增大。
与已有研究成果对比，论文的创新点体现为：(1)本文将接触界面损伤破坏拟为粘性材料向摩擦材料转化的过程，考虑裂纹形成的过程区，基于内聚力理论建立浆土界面模型。模型包括弹性变形、微裂纹萌生至宏观裂纹形成、摩擦滑移三个受力变形阶段；模型将断裂能作为材料参数，能考虑拉伸裂纹、剪切裂纹及复合裂纹三种情况。(2)在Abramento和Whittle研究工作的基础上，将剪滞理论应用到弹性多孔介质，得到排水与非排水边界条件下全长粘结锚杆承载性能解析解。该方法假定：排水条件下，孔隙水充分消散，有效应力与总应力相等；非排水情况下，不考虑孔隙水压力消散。(3)基于土体位移模式，对全长粘结被动锚杆进行解析分析，得到了弹性及弹塑性解。其中，弹塑性解答包括锚头屈服、锚端屈服及两端同时屈服等情况。当土体位移为零时，解析结果退化到锚杆受拉性状。