锚碇-围岩系统在拉剪复合应力条件下的变形规律及破坏机制研究——以坝陵河特大岩锚悬索桥为例

锚碇基础是悬索桥的关键受力部位,认识它的变形规律和破坏机制是评价其强度和稳定性的前提.岩体现场缩尺拉拔模型试验发现,锚碇后锚面上,围岩位移呈马鞍形分布,残余变形率呈V形分布;侧壁围岩位移呈倒塞体形分布,永久变形比例高.FLAC3D数值模拟发现,应力场分布具有明显的分段特征,前段和后段锚体围岩有着不同的应力传递路径;塑性变形主要发生在锚体周边及上部岩体中,破坏形态类似塞体状;围岩-锚碇系统可能发生整体拉剪复合破坏.设计和施工过程中,应对塑性区及显著变形区内的岩体进行重点加固.     

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。     

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。     

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。     

伍家岗大桥隧道锚三维地质力学模型试验研究

基于宜昌伍家岗大桥隧道锚工程区的特定地质条件,采用室内三维地质力学模型试验技术,通过后推超载的方法,研究锚塞体与围岩从加荷到破坏的整个过程与整体稳定性。依据相似理论,按照1∶40大比尺对锚塞体及不同岩层的岩体力学特性进行相似模拟,研究锚塞体与围岩的联合受力变形特征、失稳破坏过程、破坏形态以及超载能力,对其整体稳定安全度进行评价。通过分析隧道锚在设计荷载和超载作用下的变形特征及裂缝产生、扩展及汇通的全过程规律,研究隧道锚变形破坏机制及其与围岩联合承载的夹持效应。试验结果表明:在设计荷载作用下,锚体及围岩后表面变形曲线呈双峰形对称,以对称中心向四周呈马鞍形衰减扩散,前表面变形曲线与后表面相似,后表面变形大于前表面变形,隧道锚与围岩体处于弹性阶段;在多倍设计荷载超载条件下,锚塞体与围岩相互作用,共同抵抗外力,形成夹持效应,锚体周边1.0~1.5倍后锚面宽度范围内的围岩变形量较大,综合分析认为隧道锚的超载稳定系数取9.0。     

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。     

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。     

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。     

围岩中原始垂直地应力对圆形隧洞全长注浆 岩石锚杆应力分布模式的影响分析

 通过分析原始垂直地应力对圆形地下洞室塑性区半径、围岩体塑性区和弹性区内岩体的位移变化以及对锚杆应力分布的影响,揭示原始垂直地应力对锚杆锚固效果的影响。研究结果表明,弹性区内任一点的应力大小与垂直地应力有关,而塑性区内任一点的应力与原始垂直地应力无关;随着垂直地应力的增大,巷道塑性区半径也在不断增大,二者之间呈明显的非线性关系;塑性区的径向位移及隧洞壁的最大位移也随之增大。同时,根据围岩与锚杆的相互作用,建立全长注浆岩石锚杆在圆形隧洞围岩中的应力分布解析本构方程。在此解析模型的基础上,对不同垂直地应力作用下锚杆的应力分布模式进行较详细分析,得出随着垂直地应力增大,锚杆的摩阻力和轴向载荷也随之增大,并且锚杆端部的应力集中现象更加明显,当锚杆端部的摩阻力超过围岩的容许抗剪强度时,则锚杆与围岩发生开裂破坏,故在设计与施工中应予以考虑。最后,提出提高和改善由于锚头开裂导致锚固效果降低的方法,对全长注浆岩石锚杆施加垫板,能有效改善锚杆的锚固效果。     

江边水电站地下洞室群围岩稳定性数值分析

利用显式有限差分快速拉格朗日分析程序FLAC3D,在进行初始地应力反演的基础上,建立了四川江边水电站地下厂房洞室群的三维非线性地质力学模型。采用基于能量耗散原理的弾脆性本构模型,对设计开挖和支护方案进行了全过程模拟分析,得到了施工过程中洞室群围岩的位移、应力和塑性区分布特点,并与现场监测情况进行比对,根据分析结果提出了加强监测的位置、加强支护的部位,并建议主厂房下游边墙和主变洞上游边墙之间区域采用预应力锚索进行重点加强,最后对支护系统和建议的合理性进行评价,对地下洞室群的设计和施工起到了一定的指导作用。     

大型分岔隧道围岩稳定与支护 三维地质力学模型试验研究

 分岔式隧道是一种新型隧道结构型式，目前尚无相应的设计、施工技术规范和标准可循，为了解这种新型隧道结构的应力和变形状况，采用三维地质力学模型试验方法对目前在建的沪蓉西高速公路大型分岔隧道进行研究。试验成果有效地揭示分岔隧道洞周的应力、位移变化规律和分岔隧道围岩的破坏机制，获得分岔隧道的设计和极限承载安全度，为分岔隧道的优化设计和施工提供了有工程指导意义的建议和结论。     

Considerations of rock dilation on modeling failure and deformation of hard rocks-a case study of the mine-by test tunnel in Canada

For the compressive stress-induced failure of tunnels at depth, rock fracturing process is often closely associated with the generation of surface parallel fractures in the initial stage, and shear failure is likely to occur in the final process during the formation of shear bands, breakouts or V-shaped notches close to the excavation boundaries. However, the perfectly elastoplastic, strain-softening and elasto-brittle-plastic models cannot reasonably describe the brittle failure of hard rock tunnels under high in-situ stress conditions. These approaches often underestimate the depth of failure and overestimate the lateral extent of failure near the excavation. Based on a practical case of the mine-by test tunnel at an underground research laboratory (URL) in Canada, the influence of rock mass dilation on the depth and extent of failure and deformation is investigated using a calibrated cohesion weakening and frictional strengthening (CWFS) model. It can be found that, when modeling brittle failure of rock masses, the calibrated CWFS model with a constant dilation angle can capture the depth and extent of stress-induced brittle failure in hard rocks at a low confinement if the stress path is correctly represented, as demonstrated by the failure shape observed in the tunnel. However, using a constant dilation angle cannot simulate the nonlinear deformation behavior near the excavation boundary accurately because the dependence of rock mass dilation on confinement and plastic shear strain is not considered. It is illustrated from the numerical simulations that the proposed plastic shear strain and confinement-dependent dilation angle model in combination with the calibrated CWFS model implemented in FLAC can reasonably reveal both rock mass failure and displacement distribution in vicinity of the excavation simultaneously. The simulation results are in good agreement with the field observations and displacement measurement data.     

基于动力显式方法的岩体结构面剪切破坏特征研究

 岩体中大量存在的各种不连续面,如断层、节理、裂隙等,是影响岩体工程力学特性的最重要的因素,因此,对岩体中广泛存在的结构面工程特性的研究具有重要的工程意义。在动力显式方法的基础上,对规则锯齿状的结构面进行剪切破坏特征进行分析,并进行室内模型试验。对数值模拟与模型试验的结果进行对比分析,得出归一化的锯齿状结构面在不同法向应力作用下的剪切破坏力学行为及重要剪切破坏规律,并验证了利用动力显式方法进行节理岩体工程力学特性研究的适应性。研究表明：在一定法向应力水平下,规则锯齿状结构面剪切破坏是随着剪切位移的增长而不断扩展,主要表现为结构面上的等效塑性应变分布范围与深度的不断扩大,最后达到纯摩擦的残余强度状态;等效塑性应变的扩展规律一般是在剪切方向上从试样两侧逐渐向中间扩展,对于下侧结构面而言,在达到剪切应力峰值之前,剪切应力主要分布在试样中相背剪切速度方向的一侧,在剪切峰值之后,随着结构面破坏范围不断增大,剪切应力分布趋于均匀;当正应力不断增大时,结构面发生爬坡滑移越来越困难,结构面破坏深度不断增大,峰值剪应力所对应的破坏模式逐渐变为直接剪断锯齿破坏。     

层状泥岩隧道锚围岩滑动破坏特性研究

为了研究层状泥岩隧道锚围岩滑动破坏的特性,通过隧道锚1∶10现场缩尺模型进行加载破坏试验,分析加载过程中模型锚系统的地表变形、深部岩体变形、地表破坏裂缝,得到了在加载破坏过程中围岩的荷载-变形曲线和破坏特征,并结合数值计算结果进行分析。研究结果表明:荷载加载到3.5P(P为设计荷载)后岩体开始进入破坏屈服阶段,出现在地表的裂缝形成倒U型破坏轮廓线,位于前锚面正上方的典型裂缝(a)贯穿整个裂缝群,从而推断出上滑移层位置,深部岩体在深度为7.67 m的位置发生较大错动,且错动的方向与锚体成约17°的夹角向前,可推断出下滑移层位置,且围岩的破坏模式是拉剪破坏,两滑移层面内围岩变形较明显且塑性破坏大部分位于这两条滑移面之间。     

锦屏大理岩加、卸载应力路径下力学性质试验研究

 地下岩体开挖卸荷应力路径不同于加载应力路径,由此引起的岩体强度、变形特征和破坏机制也不尽相同。针对锦屏二级水电站引水隧洞群围岩赋存于高地应力环境的特点,对其中3# 引水隧洞大理岩开展单轴加、卸载以及三轴压缩和高应力条件下的峰前、峰后卸围压等4种不同应力路径力学试验,得到了的应力–应变全过程曲线、变形破坏特征和主要力学参数的变化规律。试验研究结果表明：(1) 建立在岩样单轴逐级等量加、卸载应力路径下的回滞环面积递减,尤以屈服阶段的卸载对应变影响最大;(2) 不同围压下岩样三轴压缩全过程试验结果表明,当围压达到40 MPa时,应变软化特性转化为理想塑性,可以认为该值为锦屏大理岩脆－延转化点;(3) 对比以上不同应力路径下的强度准则方程以及峰前、峰后黏聚力和内摩擦角,相同初始应力条件下,岩石卸载破坏所需应力变化量比三轴压缩破坏情况下对应的应力变化量小,说明岩石卸载更容易导致破坏;(4) 在变形破坏机制方面,由于峰后比峰前卸围压塑性变形大,岩样塑性变形已吸收较多的弹性变形能,其脆性特性受到抑制,因而不像峰前卸围压破坏具有突发性,岩样由张性破坏过渡到张剪性破坏;(5) 根据大理岩岩样加、卸载破坏断口SEM扫描结果,从细观角度验证了脆性岩石在不同路径下微观剪断裂破坏机制。总之,以上研究结果揭示了锦屏大理岩加、卸载应力路径下力学特性差异,对解决工程实际问题具有重要的参考价值。     

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。     

考虑岩体开挖卸荷动态变化水电站坝肩高边坡三维稳定性分析

金沙江一双曲拱坝最大坝高277 m,左岸坝肩开挖边坡高约300 m;右岸坝肩开挖边坡高约480 m,由于坝肩槽开挖所形成的边坡属于高陡边坡,其开挖后的稳定状况会极大影响大坝的正常运行。通过对坝址区地质资料的详细分析,建立坝肩边坡三维计算模型,并结合卸荷岩体力学理论,通过弹塑性有限元法研究坝肩边坡在开挖过程中的动态稳定性。研究结果表明：该高边坡在开挖过程中及开挖后,除开挖面附近局部区域不稳定外,整体并无失稳趋向;考虑岩体在开挖过程中的动态卸荷过程后,边坡岩体的位移和塑性区面积比不考虑时有所减小;岩体的破坏区随着开挖的进行不断变化,可根据每步开挖后岩体的破坏情况选择合理的加固措施及加固时间。     

隧道开挖引起地表下沉及其影响分析

针对地下隧道开挖引起的地表下沉问题,运用概率统计理论建立了数学模型,并根据BP神经网络理论,通过对BP神经网络算法的改进,采用反分析方法确定岩体移动变形参数。利用所建模型对隧道开挖引起的地表垂直移动(下沉)进行了具体的计算分析,将理论计算值与实测下沉值进行对比,二者十分吻合。对比结果表明,所给出的数学分析模型及参数确定方法符合工程实际,为解决地下隧道开挖引起地表下沉预计分析问题开辟了新的途径。