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。     

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。     

四渡河桥隧道式锚碇开挖支护工艺

隧道式锚碇借助两岸天然坚固的岩体开凿隧洞再浇注混凝土形成,利用岩体强度对混凝土锚体形成嵌固作用,达到锚固主缆拉力的目的。如何保护隧道式锚碇周围围岩的完整性是一项很关键的施工控制要点。     

泸定大渡河桥隧道锚边坡稳定性三维数值分析

为了对泸定大渡河悬索桥隧道式锚碇边坡的稳定性进行深入分析,基于坡体结构特征并考虑施工过程,采用FLAC3D数值模拟软件对该边坡在主缆超张拉、暴雨、地震等不同工况下的坡体变形及潜在失稳模式进行了三维模拟分析。结果表明:静力条件下不同缆力对隧道锚边坡浅表层的变形及其失稳破坏模式几乎没有影响,不同缆力作用下浅表层安全系数为1.45;随着缆力的增大,锚碇周围深部岩体安全系数逐渐变小(3.75→3.55→3.2→2.9),且深部岩体潜在滑面与缆力作用线的夹角逐渐变小;除了在地震工况下坡体表面稳定性较差之外,其他工况边坡稳定性、隧道及隧道锚稳定性均较好;隧道、隧道锚及桩基承台的施工对边坡稳定性影响较小,边坡支挡结构的施作有效提高了边坡稳定性。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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...     

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。     

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。     

双向八车道连拱隧道施工方案优化分析

 利用有限元计算法对双向八车道连拱隧道IV,V级围岩的2种施工方法(双侧壁导坑和CRD法)进行模拟。计算和比较这2种施工方法下围岩应力和位移控制效果,结果表明,双侧壁导坑法可以更好地发挥围岩自身承载能力和初期衬砌支护作用,有利于提高二次衬砌的安全储备;CRD法对隧道两侧边墙水平位移控制比较有利,但对隧道顶部围岩沉降控制不如双侧壁导坑法有效。从总体上分析结果可知,双侧壁导坑法更适合于双向八车道连拱隧道施工。     

数值流形方法中的锚固支护模拟及初步应用

针对岩土工程中的锚固支护,研究了数值流形方法中锚固支护模拟问题。在原数值流形方法源程序基础上开发了锚固支护模块,并用算例验证了其合理性。运用该方法对某层状结构岩体中的地下洞室围岩开挖变形问题进行了研究。结果表明,数值流形法在层状结构岩体地下洞室开挖时,能反映围岩中软弱层面两侧岩体的不连续错动特征;锚固支护后,围岩位移分布趋向均匀,位移量有所减少,软弱层面两侧岩体的非连续错动变形量减小效果显著。     

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。