隧道锚的承载性能及其影响因素研究

悬索桥的隧道锚是承担主缆荷载的关键部件。现有研究表明隧道锚的承载性能主要受围岩、埋深、锚碇体外观等参数影响。为进一步验证其内在规律和参数敏感性,通过考虑埋深、锚碇体长度、围岩类别等影响因素,设计并进行了隧道锚的室内模型试验,研究各因素对隧道锚抗拔承载力的影响;然后基于室内模型试验的相关参数,采用数值方法对室内模型试验进行数值模拟,结果表明,数值方法研究结果与模型试验结果较为吻合;模型试验获得的影响因素规律和破坏特征与数值方法结论一致。研究结果显示,隧道锚承载力的主要影响因素依次为围岩类别、埋深、锚碇体底角等参数,锚碇体长度影响不明显。     

隧道锚承载特性及其破坏模式探究

隧道式锚碇的楔形结构造成锚–岩系统在不同的加载阶段表现出不同的承载能力,其中极限承载力又因锚–岩系统的破坏类型不同发掘空间巨大。首先基于一般力学原理和方法,分析锚–岩系统可能的破坏类型和隧道锚承载的阶段性,提出不同阶段隧道锚的承载力估值公式。利用数值试验和自编的破坏面追踪程序,揭示锚–岩系统的破坏演化规律,同时探究锚体结构楔形角和埋深对隧道锚的破坏面形态、破裂角和承载力的影响,主要结论如下:(1)破坏性数值试验追踪得到的锚–岩系统最终破坏形态为下窄上开口的倒喇叭形,室内2D模型试验结果验证了该破坏形态。(2)锚–岩系统的承载具有显著的三阶段特征,加载初期锚–岩界面无附加应力产生,中期界面压应力随工程荷载近似呈线性增长,加载后期界面压力随围岩破坏迅速降低。阶段承载的力学机制在于:隧道锚初始承载力仅依赖于锚体结构自身,由锚碇自重和由自重产生的界面挤压力、抗剪力两部分组成;而极限承载力取决于锚碇夹持岩体的范围,因而依赖于破坏面的位置、形态和破裂角等数据。数值试验揭示的锚–岩界面的应力随荷载变化曲线和锚–岩系统塑性区的扩展过程佐证了力学模型概化和阶段划分方法的合理性。(3)根据锚体楔形角和埋深的敏感性分析结果,发现:浅埋深、大楔形角情况下,破坏面倾向于圆台状;当埋深在35～45 m、楔形角为2°～6°时则破坏面呈喇叭状,埋深较大时倾向于界面破坏。喇叭形较窄段破裂角为2～3倍楔形角,较宽段破裂角则在20°～25°范围内,拐点位置距后锚面的距离稳定在1/2H处。(4)隧道锚的埋深不影响初始承载力,但极限承载力随埋深增加而增大;随楔形角的增加,初始承载力逐渐走低,但极限承载力呈先增后降的变化规律,表明锚碇结构存在优势角。     

悬索桥隧道锚破坏模式研究

隧道锚是悬索桥的主要承力结构之一。本文在对隧道锚碇系统承载特性认识的基础上,基于岩土材料变形破坏的一般规律和锚碇围岩的受力特点,考虑到岩土体类型与性质、地形坡度和锚碇体形态等因素对锚碇系统稳定性的影响。通过数值仿真试验来研究这些因素对锚碇系统可能破坏模式的影响规律,揭示了不同影响因素下隧道锚围岩的破坏程度及模式明显不同。     

铁路悬索桥隧道式锚碇受载破裂力学行为研究

隧道式锚碇是悬索桥锚碇的一种主要类型,由于锚塞体与围岩形成复杂的受力体系,其承载机制尤其是受载破裂全过程的力学行为尚不十分清楚。基于ABAQUS建立岩体弹脆塑性损伤本构模型,该本构同时考虑岩体张拉和剪切破坏机制,能够较好地模拟岩体变形破裂全过程,拓展原本构模型的应用范围;通过损伤数值分析揭示不同埋深情况下隧道式锚碇的破裂力学机制。结果表明,隧道锚变形破坏存在显著的渐进破坏特征,埋深变化下破坏模式的转变与围压作用下岩体脆-延-塑性的转换特征相关;浅埋情况下围压较小,隧道锚体系"脆性"大,发生喇叭形的张拉-剪切破坏;深埋情况围压较大,体系"延性"增强,破坏模式转变为沿锚塞体与围岩接触界面的剪切破坏,其极限承载力较浅埋情况大幅度增加。隧道锚的喇叭形破坏面与传统认识的直线型破坏面存在明显差别,将直接影响其承载力计算模型的建立,因此在隧道锚设计计算中应关注破坏面的实际形态,这对其他类似锚固工程,如抗拔短桩或锚杆的承载力分析也有参考价值。     

隧道式锚碇承载机制的室内模型试验探究

为揭示隧道式锚碇的承载机制,探究加载过程中锚碇及周围岩体的力学响应规律,依托绿枝江大桥隧道锚工程,开展隧道锚1∶100室内三维地质力学模型试验。通过有效模拟散索鞍、主缆散股、预应力管道、钢绞线、等传力构件,真实地还原了隧道式锚碇的传力路径和特征。通过分析从加载到破坏过程中锚–岩界面压力,围岩应力、变形响应,揭示出隧道式锚碇抗拔承载过程的时空演化机制,并在分析深部岩体位移峰值点迁移规律和表观裂纹扩展过程的基础上,预测隧道式锚碇的破坏形态。主要结论有:(1)从加载到破坏过程中,锚–岩界面应力呈无响应(0～5P)–弹性增长(5P～13P)–加速增长(13P～19P)–迅速衰减(21P～23P)的阶段性特征;(2)自加载至破坏过程中,锚塞体是由后向前、逐层挤压上覆岩体,由近及远、逐步调动周围岩体联合承载的;(3) 5P荷载前,锚塞体和围岩基本无变形,5P～13P荷载下,锚体和围岩位移低速线性增长,13P～21P荷载下,锚体和围岩位移均加速增长且锚体位移增长速度大于岩体,23P荷载下岩体损伤严重,锚体因克服岩体束缚被拔出;(4)隧道锚表观裂纹是在锚塞体、围岩的位移加速增长后才产生,极限荷载下形成的网状破裂区为:拱顶以上50cm、洞底以下35 cm、墙左墙右各35 cm,隧道式锚碇最终的破坏形态为不对称的喇叭状。     

浅埋软岩隧道式锚碇稳定性原位模型试验研究

为了研究高拉拔荷载作用下浅埋软岩(泥岩)隧道式锚碇的稳定性(强度特性、变形规律及长期稳定性),以某在建的长江大桥隧道式锚碇工程为依托,开展了缩尺比例为1∶10的浅埋软岩(泥岩)隧道式锚碇原位模型试验(蠕变试验、极限破坏试验)。研究发现:浅埋软岩(泥岩)隧道式锚碇具有较高的承载能力,在设计荷载甚至在高于设计荷载几倍的荷载作用的情况下,其蠕变变形呈现出基本上趋于稳定的趋势,具有一定的长期稳定性。其破坏模式为锚塞体上方的岩体破裂成块体状,锚塞体下方沿与岩体接触面产生整体错动,破坏的下边界为锚塞体与岩体的接触带,锚塞体混凝土未发生破坏。此外,还探讨了在高拉拔荷载作用下,锚塞体地表围岩蠕变变形的空间分布规律以及锚塞体地表围岩、深部围岩各部位的变形规律。研究成果可为类似的工程提供参考和借鉴。     

重塑碎石土地基螺旋锚抗拔模型试验及承载机理分析

为研究螺旋锚基础的适用性,促进其在碎石土地基中的应用,在室内开展了重塑碎石土地基螺旋锚整模和半模轴向上拔静载荷试验。基于上拔荷载-位移关系曲线、碎石土体纵断面裂缝分布及形态等试验结果,分析碎石土中螺旋锚抗拔承载特性,以及锚盘对其承载性能的影响,研究螺旋锚抗拔承载机理。结果表明:浅埋于碎石土中的锚盘往往发生整体剪切破坏并且承载力具有弱化现象,而深埋锚盘主要发生上部土体局部剪切破坏进而变形逐渐增大;螺旋锚承载过程初期,锚盘上部碎石土被挤密,荷载与位移呈近似线性关系,随着荷载的增大,锚盘上部土体被压缩、剪切,导致变形不断增大,最终导致承载失效;锚盘数量越多、埋深越大,螺旋锚抗拔承载力越大、变形越小,增加埋深对承载力影响在小位移时即可充分发挥作用。因此,碎石土中螺旋锚属于一种深基础,锚盘与土体的相互作用是影响其承载力的主要因素。     

悬索桥隧道式锚碇系统力学行为研究

根据悬索桥隧道式锚碇系统数值模拟结果，通过现场原位相似模型试验进行验证，研究了锚碇系统的力学行为特征、变形机制及稳定状态。结果表明，在主缆张拉和运营阶段，围岩对锚碇的夹持作用是以锚碇前底板为支点来抵抗锚碇体后部向上转动和向前滑移。岩锚初始预应力、自由段长度、外部荷载量值控制着锚索及锚碇在锚碇系统中参与的荷载贡献值和作用时机。锚碇体倾角、长度、放大角、接触界面粗糙度及结合程度影响锚碇位移和系统的稳定性。     

大跨径悬索桥隧道锚变位分析

四渡河大桥是我国首次采用隧道式锚碇的大跨径悬索桥。基于实测综合确定的岩体参数,用三维弹塑性有限元法对包括下部公路隧道施工、隧道锚开挖、浇注、预应力施加、挂缆等全部工序进行了模拟。围岩和锚体混凝土离散为8节点三维实体单元,隧道和锚碇的喷射混凝土及二次衬砌离散为4节点三维壳单元。围岩采用修正的Mohr-Coulomb破坏模型。围岩开挖应力的释放用场变量相关折减弹性摸量法模拟。研究结果表明,浇注锚体混凝土阶段顶部围岩最大下沉位移2.3 mm,底部围岩竖向位移趋近于0。在正常缆力下,两个锚体围岩的位移场有部分的独立性,缆力增大时两锚体围岩形成共同的位移场。锚碇可能的破坏形式是两锚体向外侧歪斜拔出;锚碇周围岩体的位移均处于毫米的量级,远小于桥塔顶部位移的容许值。数值分析的结果为该大桥的设计与建造提供了可靠依据。     

基于变位规律的悬索桥锚碇隧道围岩损伤度安全阈值研究

 结合矮寨悬索桥隧道式锚碇的爆破施工,通过数值模拟方法,建立不同损伤度条件下隧道式锚碇变位特征分析模型群,得到不同损伤度条件下隧道式锚碇位移特征曲线。研究结果表明,在大缆拉力的作用下,模型以竖向和沿桥轴向的位移为主,作用表现为使锚碇沿大缆拉力方向滑移和竖直向上抬升。在损伤度D = 0.1,0.4条件下隧道式锚碇位移特征曲线存在2个拐点;当损伤度D = 0.2时,曲线为单峰值曲线,两锚碇附近围岩位移场分布均匀,锚碇隧道围岩对大缆拉力的分担、传递效率较高;而当损伤度D≥0.3时,以左右锚碇为中心,不同损伤度条件下隧道式锚碇位移特征曲线上出现两个峰值点,两锚碇的位移场开始出现不同程度的独立性、位移等值线逐步分离;D≥0.6时,锚碇位移大幅增加,两锚碇的位移场完全分离。鉴于以上结论,可以考虑将损伤度D = 0.2作为锚碇隧道围岩损伤度安全阈值Dcr,D = 0.6作为锚碇失稳破坏的临界值Dur。     

超大跨度悬索桥隧道锚承载特性的岩石力学综合研究

 针对四渡河特大桥宜昌岸隧道锚承载特性问题,采用基于岩石力学的综合研究方法,从围岩地质与力学特性、隧道锚1∶12实体模型试验及隧道锚承载特性数值分析等方面,对隧道锚与围岩岩体变形机制、时效特征及超载安全性等方面开展系统研究。结果表明,通过岩石力学试验及基于实体模型试验获得的隧道锚围岩弹塑性及流变参数符合实际;在设计水平下,隧道锚锭围岩变形在mm级水平;隧道锚极限抗拉拔力≥7.6倍设计载荷,满足锚固安全系数＞4.0的设计要求;实桥隧道锚碇的长期安全系数≥2.6。通过工程实际施工过程中的监测实施,对研究成果和结论的合理性进行验证。研究技术路线及成果可供山区类似桥梁建设借鉴。     

预应力锚索荷载分布机理原位试验研究

根据悬索桥隧道式锚碇系统预应力岩锚原位试验及数值模拟结果,分析了锚固长度、自由长度、注浆性质以及锚注体与围岩接触方式对岩锚极限抗拔力和破坏形态的影响。阐释了锚索的根状效应和围岩应力场分布形态,提出安全储备系数概念。研究结果表明,极限抗拔力的提高主要依赖于上述参数综合作用。自由长度对围岩有效传递和分散围岩应力有关键作用,和锚固长度共同控制岩锚的破坏形态;在锚碇系统中,和初始预应力一起确定了岩锚参与荷载分担的贡献值和时机。     

综合管廊变形缝抗剪锚筋往复加载试验研究

现浇钢筋混凝土综合管廊变形缝发生变位,会使廊内连续布置管线沿纵向产生附加内力,影响管道安全。为限制综合管廊变形缝处的变位,工程采用在缝间设置抗剪锚筋。为研究综合管廊变形缝处抗剪锚筋的力学性能和抗震延性,以成都天府新区某综合管廊工程为背景,以抗剪锚筋布置方式、锚筋数量以及抗剪锚筋锚入长度为参数,通过4个整体结构缩尺模型的往复加载试验,对采用抗剪锚筋连接的综合管廊变形缝受力性能和抗震延性进行较为系统的研究,得到试件的破坏形态和破坏现象、力 位移曲线及延性系数。试验研究结果表明：综合管廊变形缝处设置的抗剪锚筋具有良好的延性和抗震性能;试验条件下的抗剪锚筋锚入长度均未出现锚固失效;试件破坏现象以抗剪锚筋断裂为主,并伴有混凝土大幅度开裂;试件的极限承载力大小与抗剪锚筋配置数量成正比;仅侧壁布置抗剪锚筋相对于四周均布置抗剪锚筋,极限承载力大小无明显变化,极限位移相对更大,延性性能相对较差。     

风化岩地基GFRP抗浮锚杆力学与变形特性现场试验

利用光纤光栅传感技术,对10根GFRP抗浮锚杆进行现场拉拔破坏性试验,研究了风化岩地基中GFRP抗浮锚杆的承载性能与变形特性。试验结果表明:发生滑移破坏的锚杆杆体、锚固体荷载-位移差曲线高于同型号发生断裂破坏的锚杆;锚固长度接近临界锚固长度的试验锚杆荷载-位移差曲线上升较平稳;增加杆体直径有助于提高锚杆承载能力、限制杆体位移并且降低杆体、锚固体的位移差。此外,杆体横截面轴应力沿锚固深度呈"反S型"分布,由孔口沿锚固深度方向递减;锚杆轴向界面剪应力沿锚固深度呈先增大后减小的趋势,且剪应力在锚固体内按斜向上方向由第一界面传递至第二界面。最后,利用剪应力分布简化模型求得杆体、锚固体位移差与发生滑移破坏的锚杆试验结果较为一致,可为GFRP锚杆的推广应用提供理论基础。     

武汉阳逻长江大桥锚碇设计

武汉阳逻长江大桥主桥为主跨1280m悬索桥,北锚碇采用放坡大开挖深埋扩大基础实腹式锚体重力式锚;南锚碇采用支护开挖深埋圆形扩大基础框架式锚体重力式锚,其基坑工程采用外径73m、壁厚1．5m、深61．5m、最大挖深45m的圆形地下连续墙加内衬的支护结构型式;在国内首次采用“无粘结可更换”预应力锚固系统。本文概述了锚碇的总体构造、基坑（基础）工程、锚体及锚固系统的结构设计及技术特点。     

下卧软弱夹层的软岩隧道式锚碇承载特性研究

为了研究下卧有软弱夹层的软岩隧道锚的承载特性,以拟建的某大桥隧道锚工程为依托,开展缩尺比例为1∶10的隧道锚原位模型试验。通过对模型锚开展荷载试验、蠕变试验和破坏试验等,隧道锚在下卧有软弱夹层的软弱围岩(泥岩)中,是具有一定的承载能力和长期稳定性的。该类隧道锚的拉力向和锚塞体前部的铅直向的地表围岩变形曲线以隧道锚中心轴线为对称轴分别近似呈现出"M"形和"倒V"形,铅直向地表围岩变形从锚塞体前端至后端逐渐减小。对于深部围岩变形,该类隧道锚在拉力向的变形控制应以锚间深部岩体变形为主,在铅直向的变形控制应以锚塞体前部深部围岩变形为主。此外,研究还得出下卧有软弱夹层的软岩隧道锚的破坏模式。研究成果可为类似的隧道锚工程的设计、施工等提供参考和借鉴。     

新型拉压复合型锚杆锚固性能研究Ⅱ：模型试验

针对传统拉力型和压力型锚杆存在受力集中、锚固体与岩土体界面黏结强度发挥不充分、抗拔承载力偏低的问题,研发了一种新型拉压复合型锚杆。通过对传统锚杆及拉压复合型锚杆开展模型试验,对比研究了不同锚杆的极限抗拔承载力及其锚固性能。结果表明：拉压复合型锚杆极限抗拔承载力比传统拉力型锚杆大幅提高,拉压长度比为1∶2和2∶1时,分别提高79%和161%,且具有更好的位移延性和抗变形能力;拉压复合型锚杆峰后残余抗拔承载力显著提高,传统拉力型和压力型锚杆稳定残峰比最大值均不超过0.40,锚头相对拔出变形ξ_s=2.5%时,残峰比平均值分别为0.292和0.259;TC360-12锚杆和TC360-21锚杆稳定残峰比最小值分别不低于0.45和0.60,ξ_s=2.5%时,残峰比平均值分别为0.545和0.790;拉压长度比为2∶1的拉压复合型锚杆即将破坏时,受拉锚固段和承压锚固段协同承载能力更强,界面黏结强度得到充分发挥,锚杆极限抗拔承载力更高。     

泸定大渡河桥隧道锚边坡稳定性三维数值分析

为了对泸定大渡河悬索桥隧道式锚碇边坡的稳定性进行深入分析,基于坡体结构特征并考虑施工过程,采用FLAC3D数值模拟软件对该边坡在主缆超张拉、暴雨、地震等不同工况下的坡体变形及潜在失稳模式进行了三维模拟分析。结果表明:静力条件下不同缆力对隧道锚边坡浅表层的变形及其失稳破坏模式几乎没有影响,不同缆力作用下浅表层安全系数为1.45;随着缆力的增大,锚碇周围深部岩体安全系数逐渐变小(3.75→3.55→3.2→2.9),且深部岩体潜在滑面与缆力作用线的夹角逐渐变小;除了在地震工况下坡体表面稳定性较差之外,其他工况边坡稳定性、隧道及隧道锚稳定性均较好;隧道、隧道锚及桩基承台的施工对边坡稳定性影响较小,边坡支挡结构的施作有效提高了边坡稳定性。