隧道锚承载特性、变形破坏特征及典型案例分析

通过对国内81座悬索桥锚碇形式的统计分析,同时结合国内外研究资料,分析了目前我国隧道锚应用现状和发展趋势,总结了目前隧道锚在承载变形特征、破坏模式及抗拔力计算等方面的研究现状。介绍了课题组在软岩地层中开展的四次缩尺模型试验,验证了在软岩地层中修建隧道锚的可行性,明确了影响软岩隧道锚稳定性的关键因素。认为以下4个方向是今后研究的重点:(1)研究软岩隧道锚传力机制,探讨软岩隧道锚的破坏形态和长期稳定性;(2)针对不同的破坏模式,研究相应的加固措施;(3)掌握破坏面上应力分布状态是计算锚碇系统承载能力的关键;(4)模型试验和离散元等数值模拟相结合,研究隧道锚在主缆拉力作用下的变形-破裂-失稳演化过程。     

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...     

高应变动力试桩中重锤-桩-岩土冲击响应的理论研究

为研究高应变动力试桩中重锤与桩土体系的匹配关系,基于一维行波理论,采用连续杆件模型,建立了研究高应变动力试桩中重锤-桩-岩土冲击响应问题的数值计算模型与算法,用数值分析的结果定量评价了重锤激发桩周及桩端岩土阻力的能力,以及高应变动力试桩中锤重、落距、桩垫刚度、桩径、桩长、岩土性质对检测承载力的影响,从而明确了选择试验锤重时应考虑的各种因素,并用数值分析的结果验证了重锤上测力的新方法的可行性。采用8×103kg与14×103kg试桩重锤分别以0.8m与0.5m的落距冲击试验桩进行现场试验,试验以及数值分析的结果从实践和理论两个方面有效支持了“重锤低击”原则。     

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。     

高心墙堆石坝地震反应复合模型研究

高土石坝抗震分析得到国内外学者的极大关注。采用土工离心机振动台模型试验和动力数值模拟技术相结合的复合模型方法 来 研究高心墙堆石坝地震反应特性。 首先对不等比尺的离心模型试验结果进行数值模拟,以验证数值计算模型和确定计算参数,然后用数值方法对离心模型试验结果进行拓展和外延,推广到等比尺和原型情况。对比分析了 高心墙堆石坝地震加速度放大系数、地震残余变形、防渗墙动应力和破坏模式。计算值与试验值变化规律一致, 表明复合 模型是研究高心墙堆石坝地震反应特性一种行之有效的方法,（ 40 ～ 50 ） g 离心机振动台模型试验基本上可以反映高土石坝的地震反应特性。     

输水隧道动力模型试验中相似比尺规律的探讨

结构动力模型试验与动力模型破坏试验中,保持模型与原型相似的基本要求与处理技巧根据试验目的不同,而有所差别。这里就地下输水隧道考虑流-固耦合的动力模型试验进行理论研究和数值模拟,研究中根据工程的实际及模型试验选料的经济实用性,提出当原型与模型弹性模量不相等时的动力相似比尺是以围岩的弹性模量比来计算的规律。为今后复杂的地下水工结构动力模型的结构动力特性和破坏试验的相似问题拓宽思路,提供有用的参考价值。     

自锚式钢箱梁悬索桥主缆锚固端模型试验研究

以桃花峪黄河大桥为工程背景,开展自锚式钢箱梁悬索桥主缆锚固结构的缩尺模型试验研究,采用ABAQUS程序,建立了缩尺模型试验的精细有限元模型。试验研究表明:后锚板的荷载-应力曲线存在阶梯状分布特点,呈现沿后锚板、前锚板至顶板、纵隔板逐渐衰弱的规律,说明在缩尺模型试验中存在显著的圣维南现象。将有限元分析结果与试验结果对比分析,二者吻合良好,精细有限元模型能够较好地模拟缩尺模型试验。桃花峪黄河大桥主缆锚固结构设计合理,安全储备高。     

近水面、库中、库底水下爆炸荷载作用下混凝土重力坝的破坏模式对比

遭受攻击时,随着弹药起爆深度的不同,大坝可能经历近水面、库中和库底水下爆炸。为明确其中最危险的工况,建立炸药-库水-空气-坝体结构的全耦合数值模型,对混凝土重力坝水下爆炸问题开展全过程数值模拟研究。该数值模型基于前期开展的离心模型试验建立,并经由两组不同工况离心模型试验的结果验证。随后,利用该模型对比分析不同爆深水下爆炸对混凝土重力坝的毁伤效应。结果表明：水下爆炸荷载下,大坝呈现三种主要破坏模式：(i)大坝上部一定深度溃口的结构破坏;(ii)大坝沿着坝底整体滑动的失稳破坏;(iii)大坝以坝趾为基点整体倾覆的失稳破坏。近水面水下爆炸时,大坝主要呈现破坏模式(i);库中水下爆炸时,大坝主要呈现破坏模式(i)和(ii)或(i)和(iii);库底水下爆炸时,大坝主要呈现破坏模式(ii)。随着爆深增加,水下爆炸对混凝土重力坝的毁伤效应先增加后减小,即库中水下爆炸是最危险的工况。文章得到的大坝破坏模式与已有文献中的试验结果和历史战争中典型大坝的破坏模式相近。     

高陡边坡引导式落石防护网系统原位冲击试验

针对高陡边坡落石防护，提出了一种引导式落石防护网系统技术。通过落石运动路径全历程的动能特征分析，建立了系统的主动耗能控制方程，明确了防护系统的耗能控制原理，提出了防护技术措施，构建了引导式落石防护网系统的结构模型。设计了防护能量为2500kJ的足尺引导式柔性防护网系统模型，开展了场地冲击试验，系统试验模型铺设于破碎岩体发育的高陡坡面，铺设宽130m，高82m，纵坡约60°。考虑有、无防护系统，开展了6个落石冲击试验工况，对落石轨迹特征、冲击动能进行了对比分析。研究发现，与落石自然滚落相比，设置引导防护系统后，落石沿坡面的运动时间延长超80%，落石的碰撞次数增加约5倍，弹跳高度降幅超80%，横向偏移量降幅超50%，触底动能和坡底逸出距离均减少约65%，综合耗能比例高达89%，新系统实现了对落石崩塌灾害的“拦截 压制 引导”综合控制。     

基于CFD和直接计算技术的航行器阻力系数算法研究

为了准确计算水下航行器阻力系数,实现水下航行器操纵性能预报和运动控制,以某型水下航行器为例,开展了基于CFD数值模拟计算和理论直接计算的水动力阻力系数算法研究工作。首先在建立水下航行器主尺度物理模型的基础上,运用CFD建立航行器简化模型并划分网格,然后计算此模型在3个平动方向上不同航速时所受的力,进而拟合出阻力系数;其次运用理论公式直接计算航行器阻力系数;最后通过对比分析,验证了2种方法的有效性,并采取均方融合技术以提高计算结果的可靠性。     

新型组合动力锚安装性能现场试验研究

动力锚是近年来海洋工程领域发展的一种锚固基础,依靠自身重力势能贯入海床土中,用来锚固浮式结构。本研究针对一种自主研制的新型组合动力锚(板形锚+助推器),在已有室内模型试验和数值模拟的基础上,开展现场大比尺试验(海试)来验证考虑真实环境荷载作用下锚的安装性能,并分别探究了板形锚形状、助推器重量以及组合锚在水中的释放高度对最终沉贯深度的影响。试验结果表明:在风浪流等环境荷载作用下,组合动力锚仍然能成功贯入海床土中,安装结束后锚轴线相对铅垂方向的偏角在8°以内。根据海上试验结果建立了基于锚的总能量的沉贯深度预测方法,可快速预测锚在海床中的最终沉贯深度,以指导工程设计和施工。     

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。     

地震波作用下桩-锚支护切方直立土坡的动力响应分析

桩-锚联合支护是边坡加固和治理工程中极为有效的支护形式。开展地震荷载作用下桩-锚支护土坡动力响应研究,对分析桩-锚支护土坡的抗震性能及在地震中的破坏机理,合理指导边坡支护抗震设计等方面都具有十分重要的意义。通过建立一个切方直立土坡概化模型,按常规设计参数建立桩-锚支护体系;通过数值分析获得边坡静力条件下应力-应变状态和...     

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。     

水下爆炸离心机试验中爆炸荷载的缩比关系研究

水下爆炸原型试验受到场地环境等多种因素的制约,离心机缩比试验为研究结构在水下爆炸作用下的破坏提供了新的思路。离心机缩比模型试验通过放大一定倍数的加速度对模型进行缩比,同时模型在几何布局上缩小相应的比例达到与原型试验的几何相似。文章首先建立80kgTNT装药水下爆炸数值模型,并将计算结果与原型试验进行对比,确定合理的比例爆距观测点,验证模型可靠性,继而采用相同的材料参数与建模方式建立1gRDX装药(等效1.62gTNT装药)在不同离心加速度条件下的水下爆炸缩比试验数值模型,并将计算结果与离心机试验结果进行对比,讨论相似率在水下爆炸离心机缩比试验中的应用,研究不同的物理量在离心机试验中的缩比关系以及附加离心加速度对缩比试验中水下爆炸动态荷载的影响。     

裂隙岩样力学特性细观数值试验方法探讨

 节理裂隙岩体力学性质研究是非常复杂的课题。物理模型试验由于制样难、耗资大、结果有限,研究者难以利用其开展系统深入的研究。提出以典型的物理模型试验结果标定数值模型,再利用标定后的数值模型开展系统数值试验研究的思路,既可充分发挥物理模型试验接近实际情况的优势,又可充分利用数值模型试验建模快、成本低等优点。同时,还对数值试验模型的建立、数值试验的定性与定量、数值试验模型的改进、数值试验模型的标定等方面进行了讨论。最后,利用标定、修正后的数值模型试验研究了侧压、裂纹面摩擦因数等在物理模型试验中难以实现的因素对含两条共面裂纹岩样的应力场、强度和宏观破坏模式的影响范围规律。     

AC-14大抓力锚在无黏性土中的拖锚运动研究

AC-14型大抓力锚在大型船只上使用广泛。设计了能进行水下测量的拖锚模型试验装置,制作了AC-14模型锚,通过对AC-14锚在干砂与水下饱和砂土中的拖锚试验,完整揭示了该锚在整个拖锚过程中的姿态调整、运动轨迹发展和锚抓力变化等,在干砂中得到的最终稳定时的锚抓力与前人研究较为接近,但在饱和砂土中虽然与干砂中的水平倾角一致,但啮土深度要大于饱和砂,而锚抓力系数则小于在干砂中的锚抓力系数。另外,还在不同粒径的碎石进行了拖锚试验,试验表明较大粒径的碎石层对拖锚姿态的影响更大,锚在其中达到稳定状态时的埋深更浅。     

锚碇板位移计算和有关参数的确定

为解决有锚板桩墙新计算方法提出的锚碇板位移计算及为制定板桩码头技术规范提供依据,本文采用原型和模型试验对各种类型的锚碇板位移计算进行较系统的研究,确定了关键参数m值,并对板侧土抗力影响系数n和板顶土体阻力影响系数η做了理论探讨和试验印证.同时提出了通用计算公式,可求解各类锚碇板的位移计算问题.     

基于分析设计直接法的水下分离器结构总体塑性变形校核

借助欧盟压力容器标准EN13445-3分析设计直接法,研究水下分离器结构总体塑性变形,建立水下分离器数值模型,采用高压试验的方法对数值模型计算精度进行分析。结果表明:建立的水下分离器数值模型计算结果与试验结果平均误差不超过5%,具有较高的计算精度;水下分离器结构整体塑性能够通过校核,且具有一定的安全余量。