悬索桥锚碇结构2D有限元数值模拟与分析

悬索桥锚碇是平衡悬索桥主缆力的重要构件.锚碇必须具有足够的抗滑稳定性和抗倾覆稳定性,即在主缆力作用下,锚碇的水平位移和垂直位移必须控制在允许的范围内.江西赣州赣江大桥为主跨408米的地锚式悬索桥,其锚碇座落在弱风化粉砂质泥岩层面,这种岩层属于软岩,在饱和状态下强度下降极快.为此,为了满足不同控制水位下大桥安全,锚碇基础面设计了齿坎结构以增加其稳定性.本文采用大型有限元Marc程序对西锚碇基础和地基进行了二维有限元数值模拟分析,得到了锚碇在运营阶段荷载作用下周围介质的水平位移和竖向位移分布规律,以及锚碇基础底部应力分布规律、齿坎接触面的应力分布规律以及周围地层的塑性区发展趋势.计算表明,齿坎对于减少锚碇水平位移和提高锚碇安全度上是有很大帮助的.     

自锚式悬索桥锚碇的设计与研究

结合自锚式悬索桥的锚碇部分受力较为复杂,设计要求较高的特点,依托几个工程实例,阐述了自锚式悬索桥锚碇部分的合理结构,用计算数据加以证明,并提出建议,对今后自锚式悬索桥的设计具有现实意义。     

悬索桥锚碇隧道爆破开挖的围岩累积振动效应研究

 结合矮寨悬索桥锚碇隧道的爆破施工,通过围岩的声波测试得到围岩损伤度和松动圈范围在不同等级的爆破冲击荷载作用下的发育规律,探讨围岩累积损伤程度和振动速度之间的对应关系,以及引起岩体损伤度累计效应的阈值,较为完整地描述了爆破冲击荷载作用下围岩损伤度和松动圈的发展过程。在此基础上得出合理的爆破振动速度的控制指标。结果表明：锚碇隧道的爆破施工不但要控制单次爆破对围岩的扰动,更重要的是,应考虑围岩在频繁的近距离爆破作用下产生的累计振动效应并加以控制。爆破振动速度控制在3～6 cm/s时,最大围岩松动圈厚度约为2.3 m,围岩平均损伤度约为0.15。当测点处围岩的振动速度小于2 cm/s时,围岩的损伤度积累不明显,可视为爆破振动累积损伤阈值。     

悬索桥锚碇模型试验中水的弱化作用试验分析

以宁波庆丰大桥锚碇模型试验为例,通过室内单向压缩试验和直剪试验,得出了饱水模型砂和相对干燥模型砂的压缩模量和抗剪强度折减系数,从而对模型试验所得的结果进行了修正,使试验结果更加符合实际工况,为锚碇设计提供了依据。     

润扬大桥锚碇基岩摩阻力试验研究

采用室内试验和现场剪切试验等手段研究了润扬大桥南北锚碇基底基岩-混凝土胶结面的强度，并根据试验研究成果及现场实际情况，综合分析多种影响因素，研究确定整个锚碇范围内基底摩阻力情况。     

基于离散元方法的锚碇岩砼接触力学性质研究

重力锚碇结构稳定性多采用有限元方法进行分析,由于有限元的连续介质假定,使得锚碇结构混凝土和基底岩体之间的相互作用不能得以考虑。针对这一问题,本文采用专门用来解决不连续介质问题的离散元方法,将重力锚碇结构视作岩、砼及其接触面构成的不连续体,从新的视角开展研究。本文以一处重力锚工程实例中的现场缩尺试验为基础,利用离散单元法对岩砼接触面的力学性质进行模拟,分析了缩尺模型在设计工况下的基底变形、接触面法向与切向应力分布、屈服状态,对比研究了接触面上键槽、抗滑台阶的作用。结果表明:设计工况下,锚碇模型变形基本为以第二平台键槽部位为中心的刚体旋转为主。锚碇混凝土块的刚性旋转,使得岩砼接触面发生变化,引起受压不同接触面上台阶效果、抗剪能力的改变;在设计荷载作用下,岩砼接触面不会因剪切作用而发生破坏,接触面上的键槽、台阶等抗滑措施提供了较大的抗滑承载力。     

隧道式锚碇围岩稳定性研究现状及探讨

介绍了国内对隧道式锚碇及围岩稳定性研究和应用现状,并结合重庆鹅公岩大桥实例对目前隧道式锚碇围岩稳定性的研究方法进行了总结和探讨。提出了今后的研究方向。     

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。     

普立特大桥隧道锚现场模型试验研究——抗拔能力试验

 为揭示隧道锚抗拔作用机制,研究隧道锚围岩变形特征和可能的破坏模式,验证普立特大桥隧道锚的设计安全度,在普立岸的隧道锚勘探洞内,进行相似比为1∶25的隧道锚抗拔能力现场模型试验。通过不同荷载级别的弹塑性试验和流变试验,获得各级荷载下锚体与围岩的荷载传递特征、变形分布规律及流变特征。试验结果表明：锚体及围岩后表面最大变形分布曲线呈双峰形对称,前表面最大变形分布曲线为上凸形,后表面变形大于前表面变形;在8P(P为设计荷载)荷载作用下,最大变形仅为61 μm,50P荷载下最大变形为566 μm;由于围岩夹持效应,超载时锚塞体后部的应力向锚塞体前部扩散很慢,当荷载达到50P时,锚体前端应变不及后端应变的3%,混凝土锚体后部出现明显的应力集中,且部分应变不能恢复,混凝土产生了较明显的塑性变形。综合考虑到试验部位的岩体质量总体上比实际隧道锚围岩好,建议隧道锚的超载稳定系数大于8。6P荷载下没有出现流变现象,建议隧道锚的长期稳定系数大于6。     

基于夹持效应的普立特大桥隧道锚现场模型试验研究

 为揭示隧道锚围岩夹持效应的力学机制,认识隧道锚围岩破坏模式并确定极限抗拔能力,进行圆台形锚体和圆柱形锚体的夹持效应对比试验。试验选择在普立特大桥隧道锚碇区勘探斜洞的2条平行支洞内进行,2种模型试体的侧面积和高度相同,以定量比较因夹持作用引起的隧道锚围岩极限抗拔能力的差别。试验结果表明,与圆柱形锚体模型相比,圆台形锚体模型因存在夹持效应,破坏前的变形量、围岩变形影响范围、破坏时的极限荷载明显增大。圆柱形锚体发生锚体混凝土与围岩接触面破坏,脆性破坏明显。圆台形锚体发生围岩沿不利结构面破坏,且破坏前经历了很长的屈服变形阶段,两者破坏模式完全不同。提出了夹持效应系数的概念及其计算模式,得出弹性阶段夹持效应系数、极限强度夹持效应系数分别为4.48,4.54。夹持效应产生的抗拔能力远远大于混凝土与岩体接触面的抗剪强度,是隧道锚抗拔能力的主要支撑。     

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。     

深部单裂隙岩体结构面效应的三轴试验研究与力学分析

 通过在类岩石材料中人工预制单裂隙,以常规三轴压缩试验为手段,研究深部单裂隙岩体的强度特征及破坏特性;用断裂力学原理分析单裂隙岩体沿结构面剪切破坏的影响因素,探讨裂隙岩体沿结构面滑动破坏的条件。研究结果表明：(1) 单裂隙试样强度不仅具有明显围压效应,而且与裂隙倾角和尺寸关系密切;(2) 裂隙是试件损伤的外在集中表现,裂隙试样的弹性模量和变形模量与围压、倾角及尺寸相关,裂隙尺寸对模量的影响最大,随着尺寸增加模量显著下降,而围压和倾角对模量的影响较轻微;(3) 预制单裂隙试样的破坏形式既有沿结构面的滑动剪切破坏,也有试样自身的剪切破坏,而当裂隙尺寸较小时,还将产生裂隙重置后沿新结构面的剪切破坏;(4) 单裂隙试样在理想II型剪切破坏时,断裂力学理论与莫尔–库仑强度准则达到较好统一;(5) 单裂隙试样沿结构面滑动破坏不仅取决于结构面倾角,而且与裂隙尺寸及围压大小关系密切,裂隙倾角适当,尺寸较小,围压较高时,试样才能产生沿结构面的滑动破坏,尺寸较大时,沿结构面滑动破坏对围压不敏感;(6) 单裂隙三轴压缩试验中,既有I和II型裂纹产生,也有III型裂纹的扩展。研究成果能为含裂隙或断层的地下工程开挖、支护设计及其稳定性分析提供理论参考。     

重庆鹅公岩大桥隧道锚碇围岩稳定性

重庆鹅公岩长江大桥设计采用悬索桥方案。东锚碇为隧道锚，布置在粉质砂岩和砂质泥岩互层岩体中，锚碇及围岩体的变形状态直接影响大桥的稳定和安全。为了了解锚碇及围岩体在张拉荷载下的变形状态及围岩极限承载能力，对围岩及锚碇进行了较全面的试验研究，包括岩体参数试验、1：12．5实地结构模型张拉试验、数值分析及灰色GM（1，1）模型预测等。研究表明：锚碇及围岩变形较小，变形处于弹性阶段；灰色GM（1,1）预测出岩体极限承载力为设计荷载的6．09～6．15倍。锚碇处于安全状态。并有足够安全储备。试验研究成果为设计提供了可靠依据。     

砾砂岩填筑高速铁路堤身模型试验与数值分析

介绍室内模型试验对含砾砂岩全风化及强风化混合料填筑高速铁路路堤压力传递分布特性、堤身承载能力和浸水稳定性影响的研究,根据试验结果得出模型路堤基床系数、变形模量、变形系数和CBR值等物理力学材料参数。采用Drucker-Prager材料有限元理论分析路堤在竖向静循环荷载作用下的应力和变形特性,并且与试验结果进行比较,计算值和实测值符合得较好,可对软岩岩土填筑路堤设计、施工与质量控制起到一定的借鉴作用。     

软岩的应变速率效应研究

对硅藻质软岩试样进行了不同围压和不同加载速率的应变和应力控制式固结不排水三轴试验,试验结果表明,硅藻质软岩具有明显的应变速率效应,加载速率对软岩的强度变形特性有较大的影响。在试验研究的基础上,应用三维弹粘塑性模型,考虑硅藻质软岩的应力–应变关系的时间依存性,模拟了软岩的应变速率效应。数值分析中所采用的参数均由试验确定,对不同应变速率下固结不排水试验的应力–应变关系和有效应力路径的数值计算结果,反映出不同应变速率下软岩的峰值强度和残留强度均随着应变速率的增大而不断提高,与试验结果相吻合;计算结果还反映出与试验结果一致的孔隙水压力变化和应变软化趋势。通过对比分析表明,三维弹粘塑性模型可以较好地描述软岩的应变速率效应。     

深部软岩大型三轴压缩流变试验及本构模型研究

 岩体三向应力状态下的三轴流变试验是真实反映工程岩体流变特性的重要手段。详细介绍泥岩现场大型真三轴蠕变试验过程、方法和试验成果,深入分析蠕变变形随时间的变化规律,提出泥岩非线性经验幂函数型蠕变模型及其参数,该模型真实地反映了深部软岩不同应力水平下的流变特征。研究结果表明,泥岩的蠕变速率不仅与时间密切相关,还与应力水平相关。研究成果可用于软岩工程巷道的长期变形预估和支护设计,对软岩巷道的支护优化设计具有重要的参考价值。     

基于ABAQUS平台的四渡河悬索桥隧道锚围岩稳定性分析

隧道锚在实际工程中应用不多，目前对其稳定性的研究相对较少。基于大型通用非线性有限元分析软件ABAQUS的计算平台，利用该软件提供的用户材料子程序UMAT接口，将基于Rankine准则的Mohr-Coulomb模型添入ABAQUS中，采用Foamn语言开发了接口程序，并在此基础上对四渡河悬索桥隧道锚进行二维弹塑性有限元分析，计算了初始地应力场，模拟了隧道锚与公路隧道的新奥法施工过程，并考虑了开挖过程中隧洞周边接触软弱层的形成。将锚碇围岩的稳定性和锚固系统的整体安全度作为主要研究内容，其计算结果和长江科学院采用FLAC3D的分析结果比较，二者具有一致性。研究结果表明，所研制的接口程序开发思路正确，计算精度满足要求，所完成的工作为隧道锚设计提供了依据，具有相当重要的工程价值。