基于简化力学模型的隧道锚极限承载力估值公式

悬索桥隧道式锚碇的设计理念为锚碇夹持岩体协同承载,因而承载能力远超同体积的重力式锚碇。但因目前对围岩协同作用认识尚不充分,在当前隧道式锚碇设计中仍保守地忽略锚碇和岩体间的挤压效应。为弄清锚碇?岩体协同承载的机制,揭示隧道锚承载能力提高的本质,通过分析隧道式锚碇建设至成桥全过程受力,建立隧道锚的简化力学模型,并引用Mindlin应力解分析了荷载沿锚碇轴向的传递规律以及荷载产生的作用于锚碇?岩体间的挤压应力分布,最终给出了隧道式锚碇极限承载力的简化估算方法,并通过伍家岗大桥隧道锚工程实例分析了结果的合理性。所得结论主要有：锚碇?岩体界面力主要由锚碇自重和锚碇?岩体相互挤压产生;锚碇?岩体界面附加应力自后锚面向前锚面呈先增后减的变化趋势,在距后锚面约1/3L处达到应力峰值;以容许抗剪强度为破坏判据解得的伍家岗长江大桥隧道式锚碇的极限承载力为3 504 MN,约为16倍的设计荷载,与室内试验值基本吻合。     

预应力群锚根状效应原位试验研究

根据悬索桥隧道式锚碇系统预应力岩锚原位试验及模拟计算结果,分析了锚索的锚固长度、自由长度、锚固注浆压力以及锚注体与围岩界面结合程度对岩锚极限抗拔力的影响。比较了群锚与单锚作用下的岩锚本身及宿主介质的荷载、位移分布特征。群锚约束岩体向临空面变形,具有增韧止裂的根状效应,受埋深(自由长度)、间距、初始预应力、加载历史等影响。锚索的锚固长度控制着岩锚的极限承载力,而自由段长度控制着其在隧道式复合锚碇系统中参与荷载分担的贡献值和时机,自由段长度对有效传递和分散围岩应力有关键作用。指出群锚整体破坏形态存在传递多米诺效应。     

隧道锚“楔形效应”的室内模型试验研究

隧道锚是承担悬索桥主缆荷载的关键受力部件,隧道锚–围岩联合承载力学机制较为复杂。通过研究隧道锚简化的力学模型,得到基于"楔形效应"的隧道锚抗拔承载力计算方法。为进一步验证该方法的合理性与正确性,考虑埋深、锚碇长度、围岩类别等影响因素,设计了14组室内模型试验方案,通过模型试验获得了抗拔承载力,研究了各影响因素与抗拔承载力关系。基于室内模型试验的相关参数,采用"楔形效应"计算方法得到隧道锚抗拔承载力,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也和理论计算方法一致。研究结果表明,考虑"楔形效应"的隧道锚承载力计算方法是科学和合理的,具有力学意义明确、公式形式简明的特点,可为工程实践提供参考。     

基于耦合欧拉-拉格朗日法的锚板在黏土中的极限承载力数值分析

当结构在土体中运动时,往往导致土体发生较大的变形,此类问题采用大变形数值分析方法更为恰当。耦合欧拉-拉格朗日（Coupled Eulerian-Lagrangian, 简称CEL）法是大变形数值分析方法中的一种,在分析大变形问题时具有很强的适用性,但在国内尚未开展CEL法分析锚板承载力的研究。以方形锚板在均质土及线性土中的拔出试验为原型,基于CEL法建立数值模型,对锚板的极限承载力及破坏机制进行研究,并通过用户自定义子程序,实现了线性土的强度分布随锚板拔出而变化。计算结果表明,土体杨氏模量越大,锚板的极限承载力越大;随着位移增大,锚板的抗拔力先增大,后降低;当埋深小于临界埋深时,土体发生整体破坏;当埋深大于等于临界埋深时,土体发生局部破坏。数值计算反映的规律与试验结果基本吻合,体现了CEL法模拟锚板在海床中大位移响应的出色能力。     

基于楔形效应的隧道锚抗拔承载能力研究

悬索桥隧道锚因楔形体外观特征具备强大的抗拔承载能力。基于匀质围岩假定和Mohr-Coulomb强度准则,研究锚碇围岩系统两种破坏模式即岩锚界面摩擦破坏以及围岩受侧向挤压后产生的破裂,根据岩锚界面受力特点建立界面平衡条件,分析围岩破裂面应力状态的改变,并将其与等截面体的抗拔承载力相比较,分别得到对应两种破坏模式的楔形效应系数,由此推导出两种破坏模式下隧道锚抗拔承载力计算公式。研究结果表明,隧道锚抗拔承载力的楔形效应对于不同类别的围岩表现出明显规律。通过与已建隧道锚承载力的研究结果相比较,验证计算较为吻合,进一步证实了考虑楔形效应的简化公式计算隧道锚承载力的正确性和合理性。     

基于DIC技术的砂土中圆形锚板上拔土体变形特性的试验研究

针对福建标准砂,采用非接触式数字图像相关技术（Digital Image Correlation, DIC）,通过一系列室内模型试验研究了圆形锚板上拔时锚周土体的变形特性,重点分析了盘径、埋深比和砂土相对密度的影响。试验结果表明,随着盘径的增加,同一埋深比条件下,上拔力峰值和出现上拔力峰值时的位移水平均明显增大,而上拔承载力系数N_(γ)则随着盘径的增加而减小,但盘径变化不影响上拔时锚周土体位移影响区的形状,且以上规律不受砂土相对密度变化的影响。对于密砂,锚周土体位移影响区形状随着埋深比的增加由倒梯形向U字形发展,土体剪切破坏面为沿锚板边缘向外侧斜上方演进的直线型破坏面,且与竖直方向的夹角约为1/4φ_(p)（φ_(p)为土的峰值摩擦角）;随着锚板的上拔,锚板上方土体出现较为明显的体积膨胀。对于松砂,随着埋深比的增加,锚周土体位移影响区形状由延伸至土体表面的矩形向内置于土体的贝壳形发展;浅埋时,土体剪切破坏面沿锚板边缘垂直向土体表面开展;深埋时,土体剪切破坏面沿锚板边缘向内侧斜上方发展,与水平方向的夹角约为45°+1/2φ_(p);无论何种埋深比,锚板正上方均观测到小范围的体积膨胀区,其上为体积收缩区,且随着埋深比的增加体积收缩量逐渐增加。     

砂土中群锚锚周土体变形特性模型试验研究

群锚是常见的基础形式应用较为广泛,由于群锚之间的相互作用,群锚上拔过程中锚周土体的变形破坏机制比较复杂。采用非接触式数字图像相关方法（DIC）对群锚上拔过程开展模型试验研究,分析了群锚上拔过程中上拔力-位移关系曲线特征和锚周土体变形破坏机制。试验结果表明,密实度和埋深对群锚上拔力-位移关系曲线特征具有显著影响,在相同密实度、相同埋深率下浅埋与深埋群锚与同条件下的单锚具有相似的上拔力-位移关系曲线特征;群锚抗拔承载力具有明显的叠加效应,且砂土密实度、埋深和锚间距等参数因素对群锚效应具有显著影响。通过变形场的研究,得出了砂土密实度、埋深以及锚间距对群锚效应的影响规律。     

基于DIC技术的砂土中圆形锚板上拔土体变形特性试验研究

针对福建标准砂,采用非接触式数字图像相关技术(digital image correlation, DIC),通过一系列室内模型试验研究了圆形锚板上拔时锚周土体的变形特性,重点分析了盘径、埋深比和砂土相对密实度的影响。试验结果表明,随着盘径的增加,同一埋深比条件下,上拔力峰值和出现上拔力峰值时的位移水平均明显增大,而上拔承载力系数N_γ则随着盘径的增加而减小,但盘径变化不影响上拔时锚周土体位移影响区的形状,且以上规律不受砂土相对密实度变化的影响。对于密砂,锚周土体位移影响区形状随着埋深比的增加由倒梯形向U字形发展,土体剪切破坏面为沿锚板边缘向外侧斜上方演进的直线型破坏面,且与竖直方向的夹角约为1/4φ_p(φ_p为土的峰值摩擦角);随着锚板的上拔,锚板上方土体出现较为明显的体积膨胀。对于松砂,随着埋深比的增加,锚周土体位移影响区形状由延伸至土体表面的矩形向内置于土体的贝壳形发展;浅埋时,土体剪切破坏面沿锚板边缘垂直向土体表面开展;深埋时,土体剪切破坏面沿锚板边缘向内侧斜上方发展,与水平方向的夹角约为45°+1/2φ_p。无论何种埋深比,锚板正上方均观测到小范围的体积膨胀区,其上为体积收缩区,且随着埋深比的增加体积收缩量逐渐增加。     

铁路悬索桥隧道式锚碇设计计算方法研究

悬索桥锚碇分为隧道式锚碇和重力式锚碇,采用隧道锚能较好地利用锚址区的地质条件,工程量相对重力锚小,性价比高且对周边环境扰动小。然而,隧道锚尚未形成相对完整的定量设计方法,其设计和施工主要依靠工程经验。结合我国首座铁路悬索桥隧道式锚碇工程,总结分析了隧道锚的四种破坏模式,即锚碇体侧壁界面破坏,倒圆锥台破坏、边坡整体滑移及锚碇体压缩破坏;建立了隧道锚典型破坏模式的计算模型,并基于极限平衡理论推导出相应的承载力计算公式;使用有限元法对关键设计参数进行敏感性分析;给出了隧道锚设计计算操作流程及方法,并针对依托工程给出了一个较为完整的设计范例。研究成果对铁路悬索桥隧道式锚碇设计具有指导意义。     

铁路悬索桥隧道式锚碇设计计算方法研究

悬索桥锚碇分为隧道式锚碇和重力式锚碇,采用隧道锚能较好地利用锚址区的地质条件,工程量相对重力锚小,性价比高且对周边环境扰动小。然而,隧道锚尚未形成相对完整的定量设计方法,其设计和施工主要依靠工程经验。结合我国首座铁路悬索桥隧道式锚碇工程,总结分析了隧道锚的4种破坏模式,即锚碇体侧壁界面破坏、倒圆锥台破坏、边坡整体滑移及锚碇体压缩破坏;建立了隧道锚典型破坏模式的计算模型,并基于极限平衡理论推导出相应的承载力计算公式;使用有限元法对关键设计参数进行敏感性分析;给出了隧道锚设计计算操作流程及方法,并针对依托工程给出了一个较为完整的设计范例。研究成果对铁路悬索桥隧道式锚碇设计具有指导意义。     

非均质地基浅埋水平条形锚板承载力上限分析

考虑地基土体的非均质特性,采用非线性Mohr-Coulomb强度准则及其关联流动法则构造了浅埋水平条形锚板的曲线型破裂机制与机动许可速度场,根据极限分析上限定理推导了条形锚板抗拔承载力的表达式。利用变分极值原理求得了锚板抗拔承载力及其上方土体破裂面的上限解,分析了锚板埋深、土体非均质和非线性强度特性对锚板抗拔承载特性的影响,并将该上限解与已有计算方法进行了对比。结果表明:锚板埋深、土体非均质和非线性强度特性对其抗拔承载力与破裂面特征具有明显的影响。锚板埋深和土体非均质系数越大以及土体非线性强度系数越小,锚板抗拔承载力和土体破裂面深度、宽度均是越大。该上限解与极限平衡和极限分析有限元方法的计算结果基本一致,验证了所采用的曲线型破裂机制和地基非均质变化规律有效性,为条形锚板设计提供了一定的参考。     

隧道锚围岩抗拔机制及抗拔力计算模式初步研究

在普立特大桥隧道锚现场模型试验的基础上,采用数值模拟技术揭示了隧道锚围岩变形破坏过程:围岩破坏面从锚体底部与围岩接触面附近启裂,并逐渐向外呈圆台状扩散,破坏形式为拉剪破坏。并且,锚体前部临空岩体被拱出而发生拉破坏。破坏面上的应力分布随着拉拔荷载增大而发生复杂变化。基于此,通过在破坏面上建立力的平衡关系,提出了隧道锚围岩抗拔力计算模式。该计算模式与现有文献不同,体现了夹持效应以及破坏面上的复杂应力变化。破坏面上的应力分布需要通过模型试验和数值模拟论证得到。今后,在针对不同强度、不同结构特征的岩体进行全面试验分析的基础上,可以对破坏面形态和应力大小进行取值建议。采用该模式验证了试验结果,估算得到大桥原型锚碇的极限抗拔力非常大。目前隧道锚设计普遍偏于保守,隧道锚在中、软岩中仍然可以使用。讨论了破坏面形态特征可能的变化、岩体结构特征对抗拔力的影响等问题。     

斜坡浅埋水平条形锚板抗拔承载力的极限分析

针对山区和丘陵等复杂地形下浅埋锚板抗拔承载力计算问题,基于极限分析上限定理、非线性Mohr-Coulomb强度准则及其关联流动法则,构造了斜坡浅埋水平条形锚板的曲线型破裂机制和机动许可速度场,采用变分极值原理获得了其上方土体破裂面方程和抗拔承载力的上限解,分析了斜坡倾角和锚板埋深对锚板抗拔承载力的影响。结果表明:随着斜坡倾角的增大,锚板抗拔承载力逐渐减小,此时其上方两侧土体破裂面不再对称且整体向下坡侧偏移;锚板抗拔承载力及其上方两侧土体破裂面宽度均随着埋深增大而增加;锚板埋深越小,斜坡倾角对其抗拔承载力的影响越大,应在计算中予以考虑,以更合理地反映斜坡浅埋水平条形锚板的抗拔承载特性。     

软土中浅埋法向承力锚位移破坏标准模型试验

为确定浅埋软黏土中法向承力锚的位移破坏标准,利用实验室自行开发的电动伺服加载控制装置,对埋置在饱和软黏土中深度为3倍锚板宽度、系缆力角度为30°的法向承力锚模型进行了荷载和位移控制的静力加载试验。依据试验结果,以极限承载力与锚板宽度为参考,对锚板法向荷载与位移进行归一化处理,通过归一化曲线确定了法向承力锚的位移破坏标准,即破坏位移约为0.38倍锚板宽度。另外,依据锚板的尺寸、埋深及试验土体的强度条件,利用经验公式对锚的极限承载力进行了计算。结果表明,以该位移破坏标准确定的极限承载力与经验公式计算结果基本一致,两者相差均不超过10%,初步验证了该位移破坏标准的合理性。     

拉张盆地不同埋深复合地层中隧道围岩变形破坏数值模拟研究

不同埋深的软硬岩层叠置复合地层变形破坏形式复杂而使得软岩大变形和硬岩岩爆位置相关关系不够明确。在拉张盆地中自重应力为主,侧压系数一般较小且多数在1.0以内。本文以在水平和铅垂叠置复合地层中TBM开挖圆形断面隧道为例,采用有限差分程序FLAC3D对拉张盆地中不同埋深、不同叠置型式复合地层中TBM开挖后的三维弹塑性位移变形、主应力和塑性破坏分布变化特征展开数值模拟研究。模拟结果表明,围岩变形主要发生在软岩层地层中,埋深超过800 m后沿隧道轴向软岩大变形藕节状分段开始显现;随埋深增加,硬岩稳定性变差,顶拱位移增加尤其明显;随埋深增加,软岩和硬岩地层之间主应力差异变小,硬岩中储能明显;埋深越大塑性区分布范围越大;埋深较小时岩层以拉张破坏为主,埋深较大时以剪切破坏为主,两种状态的转换埋深(临界深度)约为800 m。由此对拉张盆地中深埋界限值给予了理论验证。     

西江特大桥岩锚锚碇的承载特性研究

针对西江特大桥广州岸岩锚锚碇系统的承载稳定性问题,采用工程地质勘察、室内及现场原位岩石力学特性试验、钻孔摄像及声波测试等手段,获取承载边坡的岩体地质力学特性,并建立边坡地质力学模型,同时进行现场拉锚试验验证预应力锚索设计的可靠性。采用三维数值模拟方法研究锚碇系统在施加预应力和承担外荷载两种情况下,边坡岩体的稳定性和锚碇群锚中不同位置的预应力锚索锚固力的分布特征。研究表明,在桥梁施工荷载的拉拔作用下,广州岸锚碇边坡整体稳定,坡表变形为毫米级;锚索锚固力呈不均匀分布形态,主要集中在锚固段前2 m范围内,最大值出现在锚固段端头;锚碇群锚的锚固力应力集中程度由大到小依次是角锚、边锚、中间锚。超载试验表明,整个锚碇系统的极限抗拔力不小于8倍设计荷载。锚索现场监测数值显示,锚碇承载期间锚索索力基本稳定,中间锚的索力小于角锚。研究方法及成果可供类似的桥梁及抗倾拔工程中的岩锚锚碇设计及安全评价借鉴。     

黏土地层盾构隧道临界注浆压力计算及影响因素分析

合理选择注浆压力是确保盾构隧道壁后注浆效果良好的前提。假定在黏土地层中,壁后注浆先对周围土体产生压密效应,当注浆压力超过一定值以后,浆液开始劈裂土体。为得到最优注浆压力,基于弹塑性理论,推导了考虑浆体无限扩张时的注浆压力上临界值计算式;将接头螺栓的抗剪效应与注浆对管片产生的压力结合起来,推导了考虑螺栓剪切破坏的注浆压力上临界值计算式;基于主、被动土压力公式,提出了保持地层稳定的注浆压力上、下临界值计算式。在此基础上,提出了最优注浆压力计算方法。通过工程实例,分析了土体的弹性模量、黏聚力、内摩擦角、初始地下水压,及隧道埋深对临界注浆压力的影响。结果表明：临界注浆压力与土体弹性模量、黏聚力、内摩擦角、初始地下水压,管片结构性能以及隧道埋深等因素有关;上临界值随着土体弹性模量、黏聚力、内摩擦角、初始地下水压及隧道埋深的增大而增大;下临界值亦随隧道埋深的增大而增大。     

砂土中隧道施工对相邻垂直连续管线位移影响的模型试验研究

隧道施工会对邻近管线造成危害,但目前对土体位移与管线位移两者之间的关系还没有清晰的认识。针对这一问题,设计砂土中考虑不同管线管径、埋深及抗弯刚度的3组隧道施工模型试验,分析垂直下穿隧道施工过程中砂土和管线位移规律。研究结果表明,Vorster修正高斯公式能较好地拟合砂土沉降分布,其控制参数?值在0.2～1.0之间变化,且与地层埋深成正比;土体沉降槽宽度系数i对管线变形有较大影响,埋深相同的条件下管线抗弯刚度与沉降值成反比;深埋管线的变形主要受上拱效应支配,且管径越大上拱效应越明显,而下拉效应主要支配着浅埋管线的位移;Smax /i为影响管土相对位移一个关键参数,在此基础上提出了修正的管土相对刚度计算公式。     

粉砂地层盾构隧道开挖面稳定性离心试验及数值模拟

通过开展离心模型试验,对干粉砂及饱和粉砂中盾构隧道开挖面的失稳破坏特性和极限支护压力进行了研究。通过远程控制开挖面土体位移,获得了支护压力与开挖面位移间的关系曲线及开挖面达到主动极限平衡状态时的破坏模式。2组干砂离心模型试验结果表明,当隧道埋深与隧道直径比从0.5增大到1时,开挖面破坏模式从整体坍塌破坏转变为烟囱状,但极限支护压力变化较小。饱和砂土中的试验表明,开挖面水平方向破坏范围相比在相同埋深干砂中的范围扩大,极限支护压力显著增加。对开挖面破坏过程进行三维弹塑性有限元数值模拟,获得了开挖面极限支护压力和破坏机制,所得结果与试验吻合较好。进一步通过数值模拟,分析了土体强度参数、隧道埋深及渗流对极限支护压力的影响规律。结果表明,渗流条件下开挖面破坏区域及极限支护压力均大于无渗流情况,极限支护压力随内摩擦角增大而减小,随隧道埋深增大而减小。     

基于透明土的隧道开挖面稳定性试验研究

针对地表下隧道周围土体变形的观测困难,用熔融石英和溴化钙溶液配置透明土,提出基于透明土的盾构开挖面失稳试验研究方案,获得隧道前方纵断面土体位移矢量、沉降槽曲线和破坏模式等。试验结果表明,隧道开挖面失稳后土体变形以垂直位移为主,浅埋时土体破坏呈现“楔”形,破坏面延伸至地表,埋深增加时扰动范围向开挖面变窄,深埋时出现压力拱,扰动体呈现为筒仓形;隧道纵断面内沉降槽呈现为Weibull分布,最大沉降发生在隧道开挖面前方约（0.3～0.5）D（D为隧道半径）的拱顶处,变形主要发生在隧道开挖面前方的拱顶以上,浅埋时沉降槽从地表往下向深而窄变化,深埋时沉降槽宽度接近相同,从地表往下逐渐变深。