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。     

四渡河特大桥隧道锚碇三维弹塑性数值分析

四渡河特大桥隧道锚碇以锚洞围岩为研究对象,采用三维显式有限差分法(FLAC3D)对锚碇与围岩进行三维弹塑性数值分析,模拟岩体与锚碇之间的相互作用,研究锚碇结构和岩体变形机制以及可能的破坏模式,通过超载和弱化岩体与混凝土胶结面强度参数研究隧道锚碇的极限承载力或安全系数,并对整个山体进行稳定性分析,从而为设计提供依据。     

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。     

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。     

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。     

悬索桥隧道式锚碇研究现状

悬索桥隧道式锚碇相对于重力式锚碇节省了工程造价、有利于环境保护,隧道式锚碇具有很广阔的发展前景。本文简述了隧道式锚碇自应用以来取得的一系列设计成果,如:锚区选址、尺寸拟定和围岩参数等,以及现在对隧道锚受力特性的认知,如:工作性状、破坏机理和研究方法等。对目前各种解决途径进行了评价,提出了工程实际中迫切需要解决的关键问题。     

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。     

隧道锚尺寸对其承载特性的影响及破坏机理

锚碇作为跨江悬索大桥的重要组成部分,其变形位移和受力状态直接影响到悬索桥的安全和长期使用的可靠性,而锚碇体的埋深、大小和长度等因素都会对隧道锚的承载性能产生影响。本文以某长江大桥北岸拟建于泥岩上的隧道式锚碇为背景,在保证挖方量一定情况下,通过控制锚碇埋深、截面尺寸、扩展角及锚塞体长度4个参数,采用FLAC-3D有限差分研究了隧道锚各结构尺寸参数对其承载性能的多因素综合影响。结果表明,在承载力较低的软岩上修建浅埋隧道锚,锚碇体最大变形位移主要与后锚面的尺寸有关,后锚面尺寸越大,隧道锚承载特性越好。同时获得了优于原设计的锚碇结构各尺寸参数。对已建成的实桥锚固系统的破坏全过程进行了模拟分析,结果表明,其破坏模式为锚碇围岩受侧向挤压后产生破裂而导致的锚碇体被整体拔出,以供工程参考。     

地震波作用下悬索桥隧道锚力学响应研究

悬索桥锚碇系统主要作用是将主缆拉力传递到基础上按结构形式分别为重力式锚碇和隧道锚式锚碇。当隧道锚处于震区时,其存在抗震问题,为研究隧道锚在地震动作用下的力学响应,本文建立了大型非线性有限元弹塑性模型,施加了多条不同强度等级的人工合成地震波。结果表明,相同震级和相同方向的地震波作用时,锚塞体的力学反应类似;地震的震级越高,隧道锚的力学响应越强烈;隧道锚单元的最大最小主应力和锚塞体与周围围岩相对位移对于输入的地震波方向敏感。这种受力反应特征与锚塞体的边界条件有关,锚塞体前端存在临空面,导致当地震波纵向施加时,锚塞体前后断面的主应力均增加,而且锚塞体与周围围岩的相对位移也增加。     

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。     

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。     

围岩剪胀特性对隧道式锚碇极限承载力的影响

采用有限元超载法计算隧道式锚碇的极限承载力,分析了围岩剪胀特性对计算结果的影响。结果表明,锚碇可调动的围岩范围随围岩剪胀角增大而增大,锚碇承载力随围岩剪胀角的增大而增大。不同的剪胀角取值,得到的极限承载力相差可达一倍,围岩破坏范围也相差一倍。因此,计算隧道式锚碇承载力时,需要合理考虑围岩剪胀特性的影响。     

1∶10隧道锚缩尺模型的变形及应力特性

在隧道锚现场缩尺(1∶10)模型试验中,通过多点位移计监测锚碇及围岩的变形,通过应变仪监测锚碇的应变,通过声发射监测锚碇及围岩变形发展过程,然后,对监测到的变形、应变与锚碇及围岩的声波特性进行对比分析,并结合三维数值模拟预测成果,确定隧道锚模型的变形及应力特性。研究结果表明,当荷载小于5.8~7.1 MN时,锚碇模型处于弹性变形阶段;当荷载小于19.5 MN时,锚碇模型处于弹塑性变形阶段;当载荷大于19.5 MN且小于23.7 MN时,锚碇模型处于屈服阶段;当载荷大于23.7 MN时,锚碇模型处于流变阶段。且根据塑性区的发展变化,可判断隧道锚最可能的潜在滑移面是锚碇下部与岩体之间的接触面;其次,后锚面的上部岩体有可能因拉应力过大而导致隧道锚失稳。     

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。     

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。     

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。     

马普托大桥Katembe侧锚碇基底半成岩原位试验研究

半成岩是一类特殊岩石,力学特性变异性较大,相关规范对其也未作详细说明。原位试验是揭示半成岩力学特性最有效的方法。依据相关规范中岩土体现场原位试验方法,以马普托大桥Katembe侧锚碇基坑工程为背景,开展了锚碇基底半成岩抗剪强度和承载力现场试验,获得了基岩-混凝土接触面的摩阻力和承载力原位数据,试验结果为验证设计和研究半成岩力学特性提供了数据支持。     

重庆长江鹅公岩大桥东锚碇岩体力学参数研究

重庆长江鹅公岩大桥东隧道锚将双索总荷载为 2 60 0 0 0kN锚固于中等风化的泥岩和砂岩互层岩体内 ,岩体力学参数选取的恰当与否对锚碇安全稳定性有着重要影响。本文介绍了重庆鹅公岩大桥东锚碇岩体力学参数的取值过程及可能的破坏模式。     

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。     

虎跳峡金沙江大桥隧道式锚碇模型试验研究与承载机理

介绍了香丽高速虎跳峡金沙江大桥香格里拉岸隧道式锚碇1∶10缩尺模型试验过程。试验表明,在主缆拉力作用下,锚碇系统的变形以锚塞体携裹着围岩一起沿拉力方向移动,混凝土与围岩之间无相对滑动,后部1/3长度范围的围岩分担了不少于60%的主缆拉力,中隔墩岩体变形较大,锚碇总的变形和承载能力满足规范要求。