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。     

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。     

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。     

相关科技研究成果简介

隧道式锚碇悬索桥设计及控制技术该项技术是在重庆长江鹅公岩大桥工程项目上实施的。其中,东岸隧道式锚碇是我国第一座建于砂质泥岩与泥质砂岩互层的软岩地层上的隧道锚碇基础。通过进行工程及水文地质场地条件的深入调查,山体地层介质的强度和变形性能的室内与现场原位测试,实锚结构模型(1∶1.25)加载的现场试验,实桥和试验隧道锚碇的三维弹塑性有限元分析与动态规划法来确定隧道锚碇总体安全度的分析技术、施工工艺技术和监控技术,在取得上述研究成果的基础上,对东隧道锚碇技术进行设计优化。研究中,建立了三跨连续悬索桥施工监探仿真分析…     

软岩地基悬索桥重力式锚碇齿坎效应的试验研究与数值分析

 基于刚体计算模型,首先从理论上探讨座落在软岩地基上的悬索桥齿坎重力式锚碇的齿坎效应工作机制,得出如下结论：锚碇结构重心位置决定齿坎抗滑效应产生的方式和效果。其次,以赣州赣江大桥作为工程为例,通过现场模型试验分析不同应力水平下,锚碇各级齿坎的应力分布情况,进而研究齿坎的抗滑效应,并检验齿坎效应的上述理论成果。最后,利用FLAC3D对重力式锚碇的受力特性进行三维数值模拟,分别就有、无齿坎锚碇与软岩地基的共同作用情况,包括齿坎各接触面抗滑力分布情况进行计算分析,结果表明：齿坎的存在改变基底应力分布,减少锚碇的水平位移,大幅度地提高极限抗滑力,并最终改变锚碇破坏模式。研究表明,现场模型试验结果与数值计算分析结果是一致的。基于上述研究成果,讨论锚碇结构重心、齿坎高度、接触面以及地层参数等因素对锚碇结构齿坎效应的影响,并提出带齿坎的重力式锚碇结构的设计原则。     

几江长江大桥隧道锚原位缩尺模型试验研究

几江长江大桥为主跨600 m双索面悬索桥,南岸采用重力锚,北岸采用隧道锚,单根主缆拉力1.08×105k N。北岸隧道锚位于侏罗系上统遂宁组地层上,岩性主要为泥岩,具有岩性软、埋深浅的特点。为研究隧道锚的承载力和变形特征,开展了1/10的大型原位缩尺模型试验,首次采用微机伺服控制与数据采集系统,成功地使模型锚达到极限破坏,并获得了各部位应力应变全过程曲线,是国内软岩隧道锚模型试验最成功的案例。本文详细介绍了缩尺模型试验的方法及技术特点,包括模型锚场地选择、地质条件一致性论证、模型锚结构设计与制作、施力方式、荷载伺服控制技术、变形监测技术等。     

重力相似条件对现场隧道锚模型试验的影响

为了研究现场隧道锚模型试验中重力边界条件不一致的影响,采用有限差分数值软件建立实体锚和缩尺(1∶10)模型锚的三维计算模型,分别对两个模型系统进行加载模拟,得到两者在各级荷载作用下锚体和围岩的变形及其塑性区分布,对比两者承载力间的差异,然后调整模型锚系统上的重力加速度以满足重力边界条件,再对该模型锚系统进行加载模拟,得到承载力和塑性区与实体锚上的相比较。结果表明:在各种条件一致下,缩尺模型锚和实体锚承载力分别是4p和5p;两者锚碇体失稳模式都为锚碇沿锚-岩接触面滑移失稳,实体锚系统的围岩的破坏是由拉剪和压剪共同作用的,模型锚围岩则主要是拉剪破坏;缩尺模型锚的重力相似条件满足时,模型锚上得到的承载力为5p,锚体围岩的破坏模式跟实体锚的差异不大;这说明隧道锚模型试验由于重力边界条件达到要求,得到设计荷载下的变形和极限承载力较保守,这可验证实体锚的安全稳定。     

泥岩隧道锚承载特性现场模型试验研究

为了研究高荷载作用下的软岩(泥岩)隧道锚的变形、破坏及长期稳定性等问题,以在建的某长江大桥为依托,分别针对泥岩隧道锚自然状态(含水率为5.36%)和浸水状态(含水率为7.39%)的情况,开展了缩尺比例为1∶30现场模型试验。研究发现:隧道式锚锭同样适用围岩为软弱围岩(泥岩)的情况,可以承受较高的拉拔荷载,采用设计荷载工作时,具有一定的安全储备,并可以满足长期稳定性要求。屈服荷载作用以后,泥岩隧道锚的破坏优先沿锚体接触面发生剪切破坏,破坏后,会引起较大范围的围岩产生大变形。高拉拔荷载作用下,含水率高的泥岩隧道锚的围岩变形较大。考虑江水位变化带来的影响,建议该长江大桥泥岩隧道锚的长期安全系数取为3.5。研究成果可为类似的工程设计、施工等提供参考。     

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。     

深挖路堑下伏隧道锚围岩承载特性研究

针对油溪长江大桥北岸开挖路堑下伏隧道锚的特定工程地质背景,为研究该浅埋隧道锚围岩承载特性,通过围岩地质与力学特性评价、工程经验模型预测、有限差分数值模拟和现场模型试验验证的综合研究方法,对隧道锚围岩的变形承载特性开展了系统研究.研究结果表明:工程经验模型预测的承载力结果最低,为10.2倍设计荷载;模型试验加载获得的极限...     

虎跳峡金沙江大桥隧道锚现场模型试验研究

香丽高速虎跳峡金沙江大桥香格里拉岸采用隧道式锚碇,为了全面认识隧道锚的受力变形特性及安全稳定性,本文依据相似原理开展了与隧道锚实际受力状态相适应的缩尺模型试验,研究了现场试验加载及测试方法,获得了各级加载荷载下的位移、应力和应变结果,试验成果表明:在9.5P荷载下,模型锚基本处于线弹性阶段,锚体和围岩变形均较小,锚体的变形以夹持围岩一起变形为主,而锚/岩接触面的错动变形很小。受夹持效应的影响,锚体后部1/3范围的围岩承受了约一半荷载,是受力的关键部位。综合承载力、变形和应力状态分析结果可知,该隧道锚稳定性较好。     

矮寨大桥基础岩体稳定问题研究

由于各构筑物及其与高陡边坡紧邻,准确把握构筑物围岩的稳定性及其相互影响,是设计方案能否成立的关键。总结分析矮寨大桥基岩稳定的4个方面的关键问题,并介绍大桥基础岩体勘察所采用的多种手段、主要的地质缺陷、基岩稳定分析结果及施工期监测结果。开挖揭露的地质条件、稳定分析及监测结果表明,多种技术方法是全面认识岩体工程地质条件的必要手段。矮寨大桥基岩的稳定问题集中在两岸高陡边坡上,设计荷载并未引起岩体产生明显变形,各构筑物之间相互影响不明显。只要通过适当的加固措施保证边坡岩体的稳定,桥基岩体稳定性就可以得到保证。设计采用的塔梁分离式悬索桥结构,以及各构筑物的布置是可行的,研究成果支撑了结构设计上的创新。隧道锚因围岩“夹持效应”而产生强大的抗拔能力。由于国内外大型悬索桥采用隧道式锚碇不多,对隧道锚碇围岩的岩石力学问题研究还不够深入,其承载能力可能被严重低估。     

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。     

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。     

不同块度煤系软岩崩解性室内试验研究

煤系软岩遇水易软化崩解,基于不同块度煤系软岩的崩解性室内试验,探讨了干湿循环作用下煤系软岩耐崩解性指数和崩解物粒径分布的变化规律,并分析了产生崩解的原因。试验结果表明:(1)随着干湿循环次数的增加,煤系软岩耐崩解性指数呈指数关系降低,且降幅主要发生于前3次循环,并以第一次干湿循环所致降幅最大;(2)不同块度煤系软岩的崩解物均可定名为级配不良砂,其中0.5~5 mm粒径的颗粒含量能较为清楚地反映煤系软岩崩解进程,故建议该粒径范围作为评定煤系软岩崩解稳定的标准之一。     

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。