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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于应变软化的隧道锚渐进破坏过程探究

隧道锚的破坏模式可以揭示其承载力的组成和阶段特征,隧道锚渐进破坏过程及其最终破坏形态的研究是隧道锚领域的基本科学问题。为探究隧道锚在工程荷载下的渐进破坏过程,弄清该过程中锚岩系统承载特性,首先基于FLAC~(3D)内置的应变软化本构,并借鉴边坡滑面搜索方法,成功追踪锚岩系统破裂面的产生、扩展过程,确定破裂面的最终形态。进而分析破裂面上岩体参数弱化规律以及附加应力随工程荷载的变化规律,同时也分析附加应力、抗剪力沿锚体轴向的分布规律。在此基础上深入剖析工程荷载下隧道锚的承载特性,所得主要结论如下:(1)隧道锚的破坏具有明显的渐进特征,破坏面多自锚碇底端与围岩接触处启裂,并逐渐向上延伸至周围岩体,直至整体剪出。隧道锚的破坏模式既非沿锚–岩界面剪切破坏,也非圆台形破坏,而是自下而上整体呈下窄上宽的喇叭形。(2)峰值承载力前,附加应力沿锚碇轴向近似呈梯形分布;越靠近锚碇底部,附加应力值越大;(3)伴随着破坏过程,破坏面上强度参数逐步弱化,应力扰动区域内岩体参数也伴随发生不同程度的弱化,(4)隧道锚渐进破坏过程中,隧道锚的承载力也在发生变化,依托工程的初始抗力为2.26×10~6 kN,极限承载力为5.90×10~6 kN。