软岩隧道式锚碇原位缩尺模型试验及稳定性研究

摘要

锚碇是保证悬索桥稳定的关键部件之一。某长江悬索桥拟在泥岩中修建隧道式锚碇，所处地层具有岩性软、埋深浅、库水影响三大显著特点。软岩具有遇水软化、蠕变明显等特征，高拉拔荷载条件下隧道式锚碇的承载特性和长期稳定是关键。目前在此方面极少有系统性的研究。本文以该大桥的隧道式锚碇为工程依托和研究对象，采用地质调查、岩石物理力学性质试验、原位缩尺模型锚荷载试验、数值模拟等手段，对软岩隧道式锚碇的承载特性及其长期稳定性进行了深入和系统的研究。论文的主要研究工作和成果如下：
　　①采用室内和大型原位岩石力学试验，揭示了试验区及锚碇区岩石的基本物理力学性质，获得了隧道锚区域泥岩的岩体力学参数及水对岩石力学性质影响程度。
　　②开展了天然状态（不泡水）1:10原位缩尺模型锚的设计荷载（1P）、超载荷载（大于1P）及极限破坏载荷试验，获得了埋深较浅的软岩隧道式锚碇的位移变化特征和空间分布规律，以及破坏特征及破坏模式。基于模型锚蠕变试验，获得了不同荷载级别下位移—时间曲线，分析得到了模型锚蠕变随不同荷载水平变化规律。
　　③开展了天然状态（不泡水）及泡水状态下的1：30原位缩尺模型锚的设计荷载（1P）、超载荷载及极限破坏载荷试验，获得了水对软岩隧道式锚碇的位移及强度特征值的影响规律及影响程度。天然状态与泡水状态下隧道锚的破坏特征及破坏模式基本一致；水的作用导致隧道锚系统的位移增大而强度特征值明显降低。基于蠕变试验，获得了泡水状态下不同荷载级别下位移—时间曲线，分析得到了泡水状态下蠕变随不同荷载水平的变化规律。
　　④不同缩尺比例模型的试验结果比较显示，同含水状态下，模型锚缩尺比例C越小（尺寸越大），强度特征值越高。不同缩尺比例、不同含水状态的模型锚的位移变化特征和空间变化规律，以及破坏特征和破坏模式基本一致。
　　⑤基于原位缩尺模型锚的试验结果，引入均匀设计和 PSO-LSSVM的岩土力学位移反分析技术，对模型参数进行了辨识。基于粘弹性位移反演理论，得到了泥岩的岩体蠕变参数。基于弹塑性位移反演理论，得到了泥岩的岩体弹塑性参数。
　　⑥通过实桥隧道锚的三维弹塑性数值分析，获得了不同工况下设计荷载（1P）、超载及极限荷载作用下的应力、位移变化与分布规律，塑性区发展与分布规律，以及承载力。在设计荷载作用下，锚碇周边岩体变形为 mm级，锚碇最大位移量为2.5mm。锚碇周边岩体基本处于弹性工作状态，围岩总体受力状态良好，锚碇围岩稳定。考虑库水位187m和197m工况下，实桥隧道锚碇承载力分别为8P和7P。综合原位缩尺模型锚试验成果以及实桥隧道锚的三维弹塑性数值分析结果，考虑到库水位抬升，实桥隧道锚安全系数取3.5，安全储备系数取6。
　　⑦利用反演的岩体蠕变参数，通过实桥隧道锚的粘弹性数值分析，研究了实桥隧道锚的长期稳定性。库水197m和187m工况在加载设计荷载（1P）6个月后蠕变位移均趋于稳定，库水197m工况的隧道锚瞬时位移和长期位移比库水187m工况略大。锚碇周边围岩基本处于弹性状态，仅在锚碇前、后端面附近出现小范围的塑性区。因此，库水位升高到197m后隧道锚长期稳定仍能达到要求。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容与技术路线

2 隧道锚工程地质及岩石力学特性研究

2.1 依托工程概况

2.2 隧道锚锚址区气象条件

2.3 隧道锚锚址区水文地质条件

2.4 隧道锚锚址区地质条件

2.5 岩石物理力学特性试验研究

2.6 本章小结

3 软岩隧道锚稳定性缩尺（1:10）模型试验研究

3.1 模型锚设计基本理论依据

3.2 原位缩尺（1：10）模型锚建造

3.3 监测仪器布置及安装

3.4 试验方法

3.5 模型锚载荷试验成果分析

3.6 模型锚蠕变试验成果分析

3.7 模型锚极限破坏性试验成果分析

3.8 试验成果综合分析

3.9 本章小结

4 水对软岩隧道锚稳定性影响缩尺（1:30）模型试验研究

4.1 试验目的及内容

4.2 岩体渗透性试验研究

4.3 浸水缩尺（1:30）模型试验

4.4 监测布置与试验方法

4.5 设计荷载（1P）试验成果及分析

4.6 超载（3.5P）试验成果及分析

4.7 蠕变试验成果与分析

4.8 极限破坏验成果与分析

4.9 水对模型锚变形、强度影响综合分析

4.10 不同缩尺尺度的试验成果对比分析

4.11 本章小结

5 软岩隧道锚模型稳定性及参数反演模拟研究

5.1 参数反演方法

5.2 基于1:10 缩尺隧道锚模型荷载试验围岩参数反演及结果

5.3 基于1:30缩尺隧道锚模型荷载试验围岩参数反演及结果

5.4 本章小结

6 实桥隧道式锚碇稳定性研究

6.1 实桥锚区域工程地质概况

6.2 实桥隧道锚碇与围岩结构体系三维数值模拟

6.3 实桥隧道锚碇长期稳定性分析

6.4 本章小结

7 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 本文主要创新点

7.3 后续研究工作展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目及取得的成果