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。     

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。     

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。     

金东大桥隧道锚现场模型试验及承载能力分析

金东大桥隧道锚建在复杂岩体地层中,尚无类似的工程经验借鉴,为分析该桥隧道锚承载能力,在实体锚上游侧山体边坡开挖模型试验洞,制作相似比1∶11的隧道锚模型,采用后推法进行模型试验,包括弹塑性阶段试验、蠕变试验和满负荷的超载试验,配套进行了岩体(石)物理力学性质试验、岩体声波测试。分析结果表明:模型锚岩体性状与实体锚基本接近,模型锚围岩声波低于实体锚,模型锚地层具有较好的地质代表性;模型锚至少在8倍设计荷载作用下变形处于近似弹性阶段,在6倍设计荷载长期作用下未出现蠕变现象,推断实体锚围岩的超载稳定系数>8,长期安全稳定系数>6,成果可为类似复杂围岩的工程设计提供参考。     

人工冻结隧道模型试验及围岩温度场预测

为了研究寒区隧道围岩温度场的特性,通过人工冻结法建立冻结隧道模型试验,得到寒区隧道模型试验围岩温度场变化曲线。试验表明随着冻结时间的增长,隧道不同位置围岩温度呈非线性降低。对有限实测数据建立温度-时间关系的学习样本,采用支持向量机进行学习预测,将预测结果与实测结果比较发现:支持向量机核函数为双曲正割函数时,预测值与实测值相差不大,显示了所建模型的合理性。     

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。     

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。     

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。     

几江长江大桥隧道锚碇围岩力学特性试验研究

为研究隧道锚碇围岩的力学特性,以几江长江大桥隧道锚碇项目为例,按照相关技术规范规程的要求,详细地归纳和总结了隧道锚碇围岩力学特性试验研究的技术路线和要点,给出了工程区侏罗系上统遂宁组(J3sn)泥岩和砂岩的力学参数试验值与建议值,为重庆地区类似地质条件下工程岩体力学参数提供了参考值,为开展悬索桥隧道锚碇围岩力学特性试验研究提供了试验方法上的参考。     

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。     

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。     

大渡河桥隧道锚力学响应研究及承载力判定

隧道锚作为悬索桥锚碇形式的一种,具有工程量小、承载力大和对周边环境影响小的特点。为探究大渡河特大桥雅安岸隧道锚在巨大缆力作用下的力学响应规律和预测隧道锚极限承载能力,建立了大型非线性数值模拟模型,系统、细致地监测了施加缆力前后锚塞体单元主应力,锚塞体与围岩的相对位移,以及锚塞体整体位移以及锚塞体后端面的塑性区随缆力施加的变化趋势,并提出了一种基于锚塞体整体位移和锚塞体后端面塑性区的预测隧道锚极限承载能力的分析方法。最终得出施加缆力后,锚塞体最大主应力由大变小,最小主应力绝对值由小变大的力学规律,并通过超缆力分析预测大渡河特大桥隧道锚的极限承载力为7倍缆力。     

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。     

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。     

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。