第1章绪论
1．1问题提出及研究意义
虽然锚杆锚固技术与锚索锚固技术在锚固段荷载传递机理方面具有一定相似性，但与锚杆相比，锚索是空间螺旋结构，当锚索受拉时会产生一个垂直于截面的扭矩，该扭矩使锚索各股钢绞线反向旋转，从而降低锚索的轴向拉力。是否考虑锚索在拉拔过程中的扭矩解旋作用，对评价锚索承载能力影响很大。而大多数学者重点关注锚索锚固技术应用层面，在理论公式推导中都进行了简化假设，基本不考虑锚索受拉过程产生的扭矩解旋作用及影响，目前还没有一个合适的计算模型来进行锚索的工程设计，不考虑锚索扭矩效应的设计理论已不能满足工程实践的需要。
目前锚索承载机制研究、锚固设计理论以及计算方法等尚不够完善，对锚索锚固力学传递规律、锚固系统失效模式及锚固界面关系等的认识有待进一步深化，且随着锚固工程实践的发展，不断出现新的问题。因此，针对锚索结构特征，考虑拉拔荷载作用下锚索与锚固剂之间的相互作用以及锚索锚固单元与围岩耦合机制等多种因素，进行拉扭耦合传力锚索拉拔锚固段失效机制研究，对深化和丰富现有锚索锚固基础理论具有重要的理论意义和工程实用价值。
我国早期的房屋结构经历了长时间的承载作用，很多房屋出现裂缝及结构问题。在一些地震频发区，房屋结构的失稳往往是由钢筋与混凝土的脱锚引起的。在悬臂梁及大跨度挑台中，由于只有一端为固定端，此时钢筋与混凝土之间的锚固更为重要。房屋的主体结构大都是钢筋混凝土结构，钢筋混凝土结构中钢筋受力，主要依靠钢筋和混凝土之间的黏结锚固作用，钢筋的锚固在混凝土(轻骨料混凝土已广泛应用)结构中起到重要作用。通过增加钢筋的锚固可以增加结构稳定性并减少钢筋使用量。因此，研究钢筋与黏结材料之间的锚固力学性能，对评估锚固结构稳定性具有重要意义。
在巷道及隧道工程中，岩体扰动后会有高地应力从而会产生大变形。由于岩体中存在节理，使得岩体强度降低、易于变形，且由于滑动会产生平行和垂直岩块方向的位移。锚杆作为支护的一种重要技术，可有效控制岩体的变形及相对滑移，从而减少岩体失稳破坏现象的发生。锚杆体本身有较强的抗拉能力，加固节理岩体时可以有效防止岩体的离层； 但在复杂岩体中，锚杆还会受到由于岩体层间错动而产生的剪力。锚杆在拉力和剪力作用下会产生拉伸和挠曲变形，锚杆的变形对岩体稳定性有较大影响，因此，研究锚杆的力学特性对判断加锚节理岩体稳定性具有重要意义。




锚杆支护是岩土锚固工程的一种重要支护方式，并广泛地应用于地下巷道以及边坡围岩等方面的加固与支护。目前对锚杆锚固质量的测试手段主要有： ①扭矩扳手法； ②液压千斤顶拔出测试法。这两种方法均有较大局限性，主要表现为： ①仅能对一定数量的锚杆应力及极限承载能力进行测试； ②扭矩扳手的精度不足且不能适用于全长锚固的锚杆； ③液压千斤顶拔出测试法不仅耗时、费力且具有破坏性，对于锚杆长度较长、锚固段的锚固质量较好的锚固体而言，其强度往往远大于锚杆自身强度，所以，在测到锚杆极限承载力之前，锚杆杆体自身就可能已经被拉断，而且，在进行拔出试验时，也有可能对锚杆周围岩体产生扰动，从而影响工程岩体的稳定性。
锚杆的无损检测技术主要是采用动态激励的方法，以应力波在一维杆体中的传播反射特征为理论基础，通过相应的技术手段对反应波谱进行分析，从而获得应力波的特征量与锚固力之间的关系。根据锚杆的材料性质，一般作如下假定： ①材料是均匀而且是各向同性的，并且服从胡克定律； ②假设位移相当微小，以致对动力激发的反应总是线弹性的； ③锚杆界面在振动时仍保持平面，做整体运动； ④不考虑锚杆纵向伸缩而引起的横向变形。在具体实施过程中，采用现阶段可行的测试技术，在锚杆端头垂直于横截面方向通过力锤施加一激振力，并通过加速度传感器接收振动响应信号，然后，再对振动响应信号进行提取与分析，最后，得到振动响应信号的特征量和锚固力、锚固长度等之间的动态本构关系，从而实现对锚杆的实际工作状态进行可靠性评价。锚杆锚固质量的无损检测方法与技术研究，已成为目前岩土工程界研究的热点和难点问题。
1．2国内外研究现状
1．2．1锚索受拉与反转扭矩耦合效应分析

在国内外大量边坡、隧道以及矿山开采等工程中，预应力锚索作为一种有效的支护技术手段，在岩土工程界得到了普遍的应用。预应力锚索锚固技术能够充分发挥和提高岩土体稳定性，有效控制工程岩土体变形，减轻支护结构的自重，节约工程材料，保证工程的安全稳定。锚索锚固技术已成为解决现代岩土工程稳定问题经济、有效的加固手段之一。
锚索(预应力钢绞线)是由多根高强度钢丝构成的绞合钢缆，生产时一般以高碳钢盘条为原料，经过表面酸洗后冷拔成钢丝，然后，按照结构将一定数量的钢丝捻成股，再通过消除应力的稳定化处理而成。预应力钢绞线具有抗拉强度高、长短可调、抗剪性强等特点，适用于岩土工程的加固和监测。1934年，法国在阿尔及利亚Cheurfas混凝土坝加高和缺陷处理中首次应用了预应力锚索锚固技术，此后，该技术迅速在欧洲、北美洲、澳大利亚、南非等岩土与采矿发达地区得到普及和推广。随着锚固理论和工业制造技术的进步，高强度钢丝和钢绞线的出现，锚索结构体系的设计和施工技术取得了长足的进步。随着各国基础设施建设的迅速发展，锚索锚固技术广泛应用于岩土锚固工程的各个领域。我国最早使用预应力锚索锚固技术是在1960年梅山水库大坝基础加固工程中，其设计承载力达到3000 kN。目前我国最大的预应力锚索工程是三峡工程。经过半个多世纪的发展，锚索在结构和质量、配套的施工设备、锚固机制，以及参数设计方法和应用范围等方面都得到了迅速的发展和完善。
1. 锚索拉伸力学性能研究进展
锚索在工程使用中以受拉为主，为保障其使用的安全性和可靠性，国内外学者对锚索的受拉力学性能展开了大量的研究。康红普等通过拉伸试验将锚索的拉力位移曲线划分为四个阶段： 初始承载阶段、弹性变形至屈服阶段、屈服后强化阶段、破断阶段。张小鹏等研究了钢绞线在拉伸状态下断丝检测方法及松弛过程中的塑性应变量，并拟合出轴向拉力与钢绞线应变的线性公式。孔庆凯等推导出了钢绞线弹性模量的简洁表达式，并通过模拟研究了钢绞线的柔软性能，指出在复杂受力状态下，用等截面圆杆来等效钢绞线是不恰当的。Ghoreishi等用有限元方法评估了钢绞线在拉伸荷载下多种线性静力分析模型的有效性和局限性，发现线性模型能够对捻角不超过20°的1×7钢绞线轴向力学性能进行准确预测。陈冲等研究了拉伸作用下钢绞线截面应力的真实分布规律，并考虑了摩擦的影响。发现： 当不考虑钢丝间摩擦时，钢绞线中心钢丝等效应力略小，外层钢丝的等效应力逐渐变大； 当考虑摩擦作用时，各钢丝接触面上的等效应力最大，中心钢丝的等效应力次之，外层钢丝的等效应力最小。吴志杰通过有限元分析发现，钢绞线相邻钢丝层和同层钢丝间接触区域均处于复杂应力状态，而其他非接触区域仍处于单轴拉伸应力状态。邢心魁等对钢绞线进行了动态力学拉伸试验，分析了不同应变率对预应力钢绞线力学性能的影响规律，发现随着应变率的增大，钢绞线的屈服强度增加，而屈服应变和极限应变却在降低。钱海敏等通过ABAQUS模拟研究了不同接触状态对钢绞线截面塑性发展的影响，发现相邻钢丝间均接触时，侧丝可以充分发挥承载作用，是较为理想的受力状态。
2. 锚索拉扭耦合力学性能研究
目前，国内外学者多数关注锚索受拉时的轴向力学性能，而忽略了扭矩的存在及其带来的影响。作为螺旋结构的钢丝绳的力学性能研究相对比较成熟。钢丝绳与钢绞线结构相似，但又有本质不同： ①捻距不同，钢丝绳的捻距一般是直径的5~8倍，钢绞线的捻距一般是直径的12~16倍； ②用途不同，前者用于吊装、安装、拖拽等工具，后者用来做建筑材料； ③编束的方法不同，前者是用细钢丝(直径1 mm左右)，后者是用粗钢丝(直径可达5 mm以上)绞索。钢丝绳柔韧性比钢绞线好，主要作用是张拉，不考虑松散性问题。但其研究经验可以借鉴到钢绞线上来。扭转是钢丝绳重要的机械特性之一，因捻制型钢丝绳具有特殊的螺旋结构，在拉伸荷载以及钢丝绳自重作用下导致内部存有一定扭矩，扭矩的存在会加速钢丝绳的磨损及影响其安全使用。许多学者已经致力于研究钢丝绳在轴向力和扭转力矩组合下的力学响应。
目前，对钢丝绳拉扭耦合力学性能的研究主要分为试验法、解析法和有限元法。
钢丝绳的解析研究可追溯到20世纪50年代，经过多年的发展，目前可分为半连续模型和离散模型。Raoof和Hobbs首先提出了半连续模型，将钢丝绳股中的每层钢丝视作具有正交各向同性的“薄壁圆筒”，其机械特性与相应的钢丝层一致。利用此模型，单股钢丝绳的弯曲和扭转刚度可以得到有效预测，但同时为了确保这种正交各向薄层的力学性能更加接近于钢丝层真正的力学性能，要求捻制层内有足够多的钢丝(多于19根)以使其特性被平均，因而，不适用于1×7结构形式的简单绳股。与半连续模型相比，离散模型有着更多的应用。离散模型的基本方程是根据绳股中的每根钢丝来单独建立的。最初的离散模型为“纤维”模型，由Hruska提出，并由Knapp改进为适用于刚性绳芯的计算，该模型针对钢丝受纯拉伸情况提出，用来计算绳股的拉力和径向力，导出的刚度矩阵具有很好的对称性，但忽略了单根钢丝的弯曲和扭转刚度。Mcconnell和Zemke基于Hruska模型，在对钢丝绳进行建模时考虑了钢丝的扭转刚度，并指出钢丝的拉伸和扭转是相互耦合的，所得的刚度矩阵不对称。目前较准确和复杂的解析模型是基于Love曲杆理论的假设，通过这种方法，Machida和Durelli研究了单根钢丝的弯曲和扭转刚度对整绳刚度矩阵的影响。Costello和Phillips基于Love曲杆理论提出了预测单股钢丝绳力学性能的非线性解析模型，该模型考虑了钢丝半径和螺旋角的变化及其作用于钢丝上的弯矩和扭矩，但忽略了摩擦力。Kumar和Cochran将Costello的方程进行了线性化处理，导出了轴向刚度系数的线性化和封闭表达式。Huang研究了单股钢丝绳横向和径向的接触模式，忽略了局部接触变形，同时考虑了泊松效应，发现径向接触似乎是普遍的情况，即使钢丝层间没有初始间隙。
Utting和Jones对不同捻角的单股钢丝绳进行了固定加载端和自由加载端的拉伸试验。Jolicoeur和Cardou在对轴向荷载作用下钢丝绳股的解析模型进行分析后指出，对于将钢丝绳股作线弹性系统处理的理论模型，其刚度矩阵不对称与模型简化有关。基于Costello提出的钢丝绳理论，Feyrer详细阐述了捻制型钢丝绳在拉伸、弯曲、扭转及多种复合荷载作用下的力学建模及试验方法。Xiang等提出了表征多股钢丝绳在轴向拉力和轴向扭矩作用下力学响应的模型，该模型能够很好地预测绳索的整体刚度。同时，分析了双螺旋钢丝应力沿绳索轴向的变化。Foti和Martinelli建立了单股钢丝绳发生大位移和旋转的力学解析模型，考虑了钢丝绳的轴向力与扭矩的耦合关系及由于钢丝滑动造成的非线性、弯曲力矩与曲率间的关系等。Nikolaos等对螺旋体的轴向和扭转响应及它们内部的耦合关系进行了分析，并考虑了径向应变，给出了螺旋体结构响应的封闭表达式。Argatov建立了简单螺旋钢丝绳股的离散数学模型，研究了泊松比效应和局部接触变形对钢绞线横向收缩的影响，获得了拉伸扭转荷载作用下的螺旋钢丝绳股本构方程。李祖钜根据钢丝绳实际受载情况，分析了钢丝绳在拉伸荷载作用下的扭转特性，并分析了影响扭转的外部因素，为钢丝绳的设计和使用提供了参考。王世文等将几种离散模型的计算结果与试验结果进行了比较，提出并讨论了当前钢丝绳理论的一些不足之处及未来的研究方向。张景南阐述了钢丝绳扭转力矩与旋转角的关系，并给出了解析式。李楠和李玉瑾研究了深井提升钢丝绳的扭转，发现钢丝绳的扭转改变了股内钢丝的应力，从而导致绳股钢丝间出现应力集中。Zhang等研究了钢丝绳及其内螺旋构件在拉力作用下的动态扭转特性。
近年来，随着计算机硬件的发展和有限元理论的不断完善，有限元方法已成为分析钢丝绳力学问题的强有力工具。王桂兰等建立了钢丝绳捻制成形有限元计算模型，讨论了自扭转系数对加工应力应变的影响。孙建芳进行了钢丝绳成形过程数值模拟和制品力学强度研究，对简单直股和独立绳芯中钢丝的受力情况进行了分析。马军等建立了单股钢丝绳1×19三维有限元模型，分析了钢丝绳在轴向拉伸荷载作用下的轴向和横向应力分布，以及摩擦系数和捻向对钢丝应力的影响。张敏等基于ABAQUS对不同捻向的钢丝绳扭矩进行分析，发现同等扭矩下，交互捻的力学性能优于同向捻。Yu等采用LSDYNA软件，对钢丝绳股在横向荷载作用下的力学性能和丝间应力状态进行了研究。Karathanasopoulos和Kress建立了可用于单股钢丝绳在拉伸及扭转变形下力学性能模拟的二维有限元模型。王晓宇应用ABAQUS建立了拉伸荷载、纯弯曲荷载、剪切荷载的钢丝绳有限元仿真模型，并对钢丝绳的破坏失效形式进行了有限元分析。宋宝对牵引用编织钢丝绳拉扭复合荷载下力学性能进行了研究，发现扭转荷载的存在会抵抗编织钢丝绳的轴向变形，降低其柔性，扭转还会改变钢丝绳的受力状态。Felipe等采用有限元方法，对具有非对称破坏的钢丝绳的静力学性能和横截面应力应变分布进行了分析。Stanova等使用有限元法研究了不同类型螺旋股钢丝绳在自由转动情况下的受拉力学特性，发现钢丝间最大接触应力出现在钢丝绳的层与层之间，并且随着钢丝绳拉伸荷载的增加，钢丝绳的应力由钢丝绳的外侧向钢丝绳的内侧逐渐增加。针对具有相同结构参数的简单圆绳股与螺旋三角股钢丝绳，Chen等应用ANSYS分析了轴向拉伸与扭转作用下的力学特性与接触应力。Kalentev等通过ANASYS模拟了在拉力和扭转荷载条件下线接触绳股的应力和应变状态。
1．2．2拉扭耦合传力锚索拉拔锚固段失效机制
1. 锚索锚固失效模式及影响因素研究

锚索锚固系统是由三种材料(锚索、锚固剂和围岩)，两个界面(锚索与锚固剂界面、锚固剂与围岩界面)组成的。由于工程地质条件和环境复杂等因素造成锚固质量难以保证，从而使得锚固失效现象不时发生，其破坏失效形式也是多样化的。Jeremic和Delaire对岩体中注浆锚索的破坏形式进行了分析，指出锚索的失效类型为灌浆体岩体黏结失效、灌浆体锚索黏结失效。Potvin等发现锚索与灌浆体界面或灌浆体与岩体界面中的任何一个界面发生失效的可能性均很大，但锚索与灌浆体界面更可能反映锚索与岩体之间的荷载传递。Li和Stillborg认为全长黏结锚杆在受到拉拔作用时，破裂面主要由黏结体与岩体的接触面、锚杆与黏结体的接触面的界面黏结强度决定，黏结较弱的界面会先发生破坏。Cao等发现锚杆锚固体系的失效模式取决于锚杆黏结剂和黏结剂岩体的有效接触面积、界面接触应力以及材料实际受力状态。Hoek和Wood发现锚索从灌浆体中滑落造成的界面黏结失效是锚索支护的主要破坏模式。尤春安和战玉宝总结了四种主要失效形式(锚杆杆体的断裂、锚杆杆体与灌浆体产生滑脱、岩土体与灌浆体界面的滑脱、岩土体破坏)，并建议将重点放在界面力学行为特性研究上。赵一鸣总结了树脂锚固体四类主要失效类型(黏结失效类型、围岩失效类型、杆体破断失效类型、配件失效类型)，并将长时蠕变失效与树脂锚固体空洞锚固失效归为黏结失效类型。饶枭宇从界面模型和Mindlin解出发，推导出普通预应力锚索注浆体界面之间应力分布的弹性解，得出普通预应力岩锚失效的主要破坏模式为锚索与注浆体界面脱粘失效。
有些学者针对动压、冲击、爆破、开挖等条件下的锚索锚固问题开展了相关研究工作。郭相平等分析了复合顶板巷道在动压作用下，锚索支护失效原因及其失稳机理。孔翔等进行了冲击作用下预应力锚索失效形式占比率统计分析，发现冲击加载比恒力加载更容易导致锚索脱锚。罗强等基于室内模型试验，分析了群锚作用下单锚失效对边坡受力、变形特征和稳定性的影响。单仁亮等对爆破荷载作用下端锚和全长锚固锚杆的应力分布情况进行了试验分析，发现爆破荷载作用对端锚作用效果明显。江权等通过锦屏二级水电站地下厂房与主变室之间中隔墙的多根对穿预应力锚索失效实例，分析了导致对穿锚索失效的主要原因。
有些学者开始关注锚索扭转滑移现象。Burns和Tan发现锚杆和注浆体界面之间的黏结破坏属于注浆体的剪切破坏，而锚索受力后在注浆体中有很强的“解扭”趋势。Hyett等基于修正的Hoek锚固单元，考虑锚索受拉产生扭矩这一事实，提出了轴力复合扭矩力学模型。由于Hyett等将该扭矩的力学效果假设为一个等效轴力进行简化，因此得出了锚索轴向受拉产生的扭矩大小与拔出锚固段长度无关与实际情况不符的结论。由于该模型在扭矩处理中存在明显缺陷，并在数学推导过程中引入平均摩擦角的经验参数，因此，极大地降低了其理论价值和应用前景。Moosavi等研究了三类异型锚索，发现在荷载传递机理方面和破坏模式上，由于异形部位的变截面特性产生楔形受力状况，径向膨胀会产生附加径向应力作用于锚索注浆体界面上，对锚索的轴向解扭产生抑制作用，从而使得锚固材料性能得到了较大的发挥，锚固力得到显著提高； 其破坏模式也由锚索脱黏旋出造成的剪切注浆体失效转化为压剪组合下的注浆体破坏。范宇洁等分析了预应力锚索几何形状对锚索与砂浆界面的应力状态和破坏机理的影响，发现锚索在拉拔作用下，由于其本身的外形特征，环向与径向拉压组合应力共同作用在灌浆体上，造成径向开裂，锚索与灌浆体界面的黏结力降低，锚索发生扭转滑移。上述学者多基于锚固系统构成、结构失效形式，分析失效因素，得到诸多有益的结论，然而，忽略了锚索的“拉扭耦合”效应。对锚索拉拔“解扭”现象、异型锚索的试验研究以及几何形体理论分析等，都证实了从锚索扭转方面入手研究是有价值且可行的。
2. 锚索锚固失效过程数值模拟研究
涂小青使用RFPA2D模拟了混凝土基体中拔出钢纤维的过程，并对界面的强度、弹性模量进行了参数敏感性分析。赵玉萍等模拟了纤维从基体中拔出时的裂纹扩展和界面失效，发现增加界面的剪切强度和断裂韧性、减小界面裂纹萌生位移，均能提高界面脱黏荷载。张凯等采用ABAQUS中的弹簧单元，通过定义剪切刚度软化曲线，研究了锚杆直径、锚杆长度及砂浆剪切模量对锚杆峰值拉拔力的影响。丁秀丽等采用FLAC3D弹簧滑块系统，分析了单锚、群锚作用下岩体沿锚索轴向的应力和变形分布规律。吕庆等模拟分析了锚索预应力的扩散方式、应力传递规律和坡体变形响应规律。李宁等建立了深部裂隙岩体预应力锚索的摩擦接触节理单元数值模型，揭示了单锚与群锚加固的不同机制。张强勇等建立了裂隙岩体损伤破坏变形控制计算模型，分析了锚索锚固裂隙岩的空间锚固效应。
杨延毅和王慎跃建立了反映加锚节理岩体渐进破坏过程的损伤演化模型，发现高强度预应力锚索锚固可显著改善节理岩体的破碎程度、峰值强度、变形模量和稳定性。朱维申和李铀建立了预应力锚索模型，发现改变锚杆的倾角、增加锚杆预紧力和锚杆长度对锚固作用应力范围不明显。张海霞等运用ABAQUS模拟了嵌固在表面的CFRP（碳纤维增强塑料）筋对混凝土试件的黏结作用，分析了拉拔试件中CFRP筋应力、滑移和黏结应力的分布规律。徐前卫等开展了裂隙岩体预应力锚杆锚固作用机制研究。焦玉勇等考虑了非连续面处锚杆的横向剪切特性，通过相应的算法和公式对锚杆受力特性进行了模拟分析。李为腾等将修正的CABLE单元杆体模型嵌入FLAC3D程序中，进行了锚杆拉拔试验中的锚杆杆体破断失效模拟，实现了锚杆的宏观破断效果。王树仁等进行了拉力集中型和压力分散型预应力锚索锚固段锚固机理数值模拟分析，得到浆体在预应力作用下的轴力、剪力分布和锚孔周围岩体的受力状态以及锚索拉拔位移、承载体数量与锚固力的关系。
3. 锚固钢杆拉拔力学性能研究进展
锚杆锚固系统主要由五部分组成： 锚杆单元、黏结单元、岩石单元、锚杆黏结接触面单元和岩石黏结接触面单元。许多学者进行了锚固锚杆的实验室和现场拉拔试验，研究拉应力作用下锚杆的荷载传递机理。Li和Stillborg指出全长黏结锚杆承受拉伸荷载，破坏可能发生在黏结材料与岩石接触面、黏结材料或锚杆与黏结材料接触面，主要取决于哪一个破坏面最弱。Cao等将锚杆与黏结材料接触面失稳类型分为扩张滑移破坏和平行剪切破坏，并利用摩尔库仑屈服准则对两种破坏形式进行了分析。Singer指出岩石锚固系统锚杆荷载的传递能力主要依赖于锚杆与黏结材料接触面剪切力和黏结材料与岩石的接触面剪切力，接触面单元主要依赖于黏结材料的环绕厚度和外部岩石的强度。
在锚杆与锚固体相互作用力方面，Lutz和Gergely提出带肋锚杆与混凝土之间黏结力由化学黏聚力、摩擦力和机械咬合力组成，机械咬合力在带肋锚杆与混凝土的黏结力中起主要作用； 光滑锚杆与混凝土之间的黏结力主要取决于化学黏聚力和摩擦力。化学黏聚力是在水泥基凝胶体和钢筋之间产生的，摩擦力是混凝土与锚杆接触面产生的，机械咬合力是锚杆表面的肋与混凝土的相互作用产生的。徐有邻等把黏结力来源分为胶结力、摩阻力和咬合力，表明黏结力很大程度上取决于锚杆的外形和表面特征，进而分别对光圆锚杆和变形锚杆的黏结性能进行分析，并提出影响黏结强度的主要因素有混凝土强度、相对锚固长度和表面特征。
在锚固锚杆拉拔试验时锚固体破坏模式方面，带肋锚杆的拉拔试验的破坏形式主要分为两种： 锚杆肋前呈楔形锚固体劈裂破坏和锚杆肋压碎锚固体拔出式破坏。Tepfers分析锚杆锚固混凝土保护层裂缝扩展形式，当内压超过环向应力后产生纵向裂缝，并研究了变形带肋锚杆在破坏时的裂缝开展情况，将锚杆外部的破坏形态分为弹性阶段、塑性阶段、弹性内部裂缝环绕阶段，运用弹性厚壁理论解释裂缝的开展。徐有邻和汪洪等通过大量的试验阐明了变形锚杆、光面锚杆的黏结机理，以及拉拔破坏时构件裂缝开展的顺序。 Xu等指出在拉拔试验中，当无侧向压力时为劈裂破坏，逐级施加侧向压力时，逐渐过渡为拉拔破坏。Wu等通过试验得出同样强度和相同保护层厚度条件下，随着侧向拉力的增加，试件更可能呈劈裂破坏。Zhang等通过试验得出当未施加侧向力时，模型的破坏方式主要取决于保护层厚度与锚杆直径比。在双轴拉压应力下，破坏方式主要取决于混凝土强度、侧向拉压应力和保护层厚度与锚杆直径比。
在锚固锚杆的黏结滑移的研究方面，Lutz和Gergely通过特制单肋锚杆拉拔试验得到了剪切应力位移的关系式。Ma等提出了锚杆与黏结材料接触面剪切应力分布模型，并推导出全长黏结锚杆锚固力与位移关系式。Benmokrane等将锚杆与水泥浆接触面的黏结滑移关系简化成三段式曲线并进行了分析。姚显春等假设锚杆与黏结材料之间的剪应力均匀分布，实际上拉拔情况下锚杆界面剪应力近似服从指数分布，在很短的一段长度内就由峰值衰减到零值。黄明华等基于由锚杆拉拔试验所得荷载位移关系，建立了全长黏结式锚杆锚固段荷载传递非线性微分方程和锚杆黏结材料界面非线性剪切滑移模型，并对锚固段的锚杆轴力和锚杆黏结材料界面的剪应力特征进行分析。杨双锁等提出随着锚杆的变形锚固体发生变形，当锚固体变形小于第一临界变形时，锚固力逐渐增强； 当锚固体变形大于第一临界变形小于第二临界变形时，锚固力一直处于较大的工作状态； 当锚固体变形大于第二临界变形时，锚固力逐渐减小。Biscaia等通过围压下的双搭接剪切试验，研究了FRP筋与混凝土的黏结滑移关系。尤春安利用Mindlin位移解推导出全长黏结锚杆沿杆体剪应力和轴力分布解析关系式。
1．2．3锚固钢筋拉拔及受剪过程力学特性分析
1. 加锚节理岩体节理面抗剪性能分析

锚杆在岩体中不只受到轴向拉应力作用，而是通常在拉剪组合应力状态下工作。葛修润等运用室内直剪试验和理论分析的方法，分析锚杆对加锚岩体节理面抗剪性能的影响，并建立估算加锚节理面抗剪强度公式和锚杆最佳安装角公式。伍佑伦等基于加锚节理岩体中锚杆与岩体的相互作用机理，运用线弹性断裂力学的方法，分析了拉剪综合作用下和集中力作用下锚杆对裂纹尖端应力强度因子的影响，并研究了锚杆与节理面不同夹角情况对节理面的端部应力强度因子的影响。杨松林等根据锚杆与砂浆的黏结是否破坏，提出以指数函数和抛物线函数描述锚杆的侧剪应力，并推导出锚杆的横向剪应力与横向位移的关系式。张伟等根据锚杆切向和轴向变形特征，建立了加锚节理岩体中锚杆在剪切荷载作用下的变形模型，并加入表示挤压破坏长度的变量，分别解析出剪切荷载与剪切位移和轴向荷载与轴向位移的表达式。刘爱卿等运用数值模拟的方法，对预应力全长锚杆抗剪能力进行分析，发现围岩强度对节理面抗剪能力影响较为显著，加锚节理的抗剪能力与不加锚节理的抗剪能力相比有较大的提高； 施加预应力后，加锚节理的抗剪性得到进一步提高。王发玲等运用固体力学方法，对全长黏结型锚杆加固顺层边坡的机制进行研究，建立了锚杆轴力、剪力与抗滑力的线性函数关系式。位伟等在加锚节理岩体节理面附近，建立了锚杆的梁单元模型，反映了锚杆的拉压、剪切、弯曲变形状态和锚杆在塑性屈服后的硬化特征，发展了加锚节理岩体数值流形元模拟方法。李育宗等建立了锚杆横向剪力、轴向力和岩体约束三者共同作用的力学模型，得出锚固角越大，锚杆销钉作用越明显的结论。
Spang等基于室内试验，分析了锚杆主要参数对节理面抗剪能力的影响，并推导了全长黏结锚杆的最大承受力和剪位移预测公式。Grasselli模拟了岩石节理剪切试验，揭示了全长黏结和膨胀式锚杆不同的变形和剪切力效应。Jalalifar等进行了锚杆的双剪试验，分析了锚杆塑性铰位置、混凝土强度、锚杆轴力和锚杆直径对剪切节理面抗剪能力的影响。 Chen进行了不同安装角度、不同锚固体材料和不同节理间距的试验分析，优化了穿越节理面锚杆的抗剪性能。Li等模拟了不同安装角度、不同岩石强度和不同锚杆直径锚杆位移与剪应力的关系。Srivastava等进行了锚杆的大尺寸抗剪试验研究，表明施加锚杆可以增加节理面的抗剪强度，节理面强度与锚杆锚固剂接触面积、锚杆的安装密度和岩体强度有关。Maiolino等分析了不同锚杆直径和锚杆安装角度对节理面抗剪能力的影响，并计算出锚杆对节理面剪力和位移的贡献。Li等进行了玻璃纤维锚杆、岩石锚杆和锚索对节理面抗剪强度的贡献和锚杆破坏模式试验研究，结果表明岩锚对节理面抗剪的贡献最大，锚索次之，玻璃纤维锚杆最小； 岩锚和锚索的破坏方式为受拉破坏，而玻璃纤维锚杆由于抗剪能力差最终为受剪破坏。
2. 混凝土与钢筋黏结滑移试验方法
轻质混凝土在钢筋混凝土结构中具有不可替代的位置，钢筋与混凝土能共同工作，很大程度上就是因为两者之间具有一定的黏结强度，钢筋与混凝土二者之间的黏结锚固作用使得钢筋混凝土结构能够飞速发展。目前，国内外对普通钢筋混凝土的研究非常多，而对页岩陶粒钢筋混凝土等轻骨料钢筋混凝土研究相对较少，还未形成较为系统的理论。
钢筋混凝土黏结性能的研究方法主要有试验方法和数值模拟两种方法。试验方法主要为中心拉拔试验(轴拉试验)和梁式试验(全梁和半梁)法。
中心拉拔试验所采用的试件制作相对容易，构造简单，造价也比较低，是黏结试验方法中广泛应用的一种试验方法。尽管在试验中夹具垫板对混凝土试块会产生压应力影响，但不影响试验趋势以及其他数据的产生，结果更易处理，对钢筋外形特征变化尤为敏感，特别适用于测试钢筋外形变化对黏结性能变化的影响。该方法常常用于不同钢筋类型黏结性能比较的基准试验。试件一般为棱柱形，常采用立方体试件，钢筋预埋在试块的中心并贯通试件，试件混凝土进行水平浇筑，常温下养护。试验过程中，为了防止加载端混凝土受到局部挤压而产生应力集中，使测试数据与现实结构中钢筋端部附近的应力差异较大而影响测试结果的工程实用性，所以，在试件加载端与自由端的部分钢筋与接触混凝土进行脱空，一般采用PVC套管预埋在试件两端的钢筋与混凝土之间，从而设置一段无黏结区域。但是，对螺纹钢筋采用此方法进行试验时，试件常常由于受到较大机械咬合力作用而发生纵向劈裂破坏，故一般在此类试件内设置螺旋段箍筋，增加横向约束才能得到