软岩地层隧道式锚碇承载特性及抗拔力计算方法研究

摘要

悬索桥是桥梁的主要形式之一，目前跨度1000m以上的桥几乎均为悬索桥。锚碇是悬索桥主要承载构件，其承载特性和稳定性对于悬索桥的安全稳定十分重要。目前关于软岩地层隧道式锚碇的抗拔力设计计算方法不够简便和准确，关于该类型隧道锚的承载特性认知仍然不够清晰，这在一定程度上限制了隧道式锚碇的应用。本文先对隧道锚受力模型进行简化，推导了夹持效应系数及隧道锚承载力计算公式，同时以某软岩地层隧道式锚碇工程为背景，采用室内岩石物理力学试验、室内相似模型试验和数值模拟等方法，对软岩地层隧道式锚碇的承载特性和抗拔力计算方法进行了较为深入和系统的研究。本文的主要研究工作和成果如下：　　①建立二维力学分析模型，将软岩地层隧道式锚碇的承载过程近似的分为三个阶段。依据不同阶段隧道式锚碇的受力特征，推导了考虑“夹持效应”的软岩地层隧道式锚碇抗拔承载力计算公式，并对影响夹持效应系数?1和?2的因素进行了分析。进一步依据隧道式锚碇的受力特征，提出了软岩地层隧道式锚碇结构的设计流程。最后借助重庆某长江大桥原位缩尺模型试验结果对本文所推导的考虑夹持效应的隧道式锚碇抗拔承载力计算方法和计算流程进行了验证。结果表明，夹持效应系数?1主要与锚岩接触面摩擦系数f、岩体侧压力系数k、锚塞体倾角?、扩展角?有关，夹持效应系数?2还与围岩重度?、等效长度L0、围岩抗剪强度c和?有关。围岩的“夹持效应”是隧道式锚碇承载力的主要来源，其所提供的抗拔力占到锚塞体极限抗拔承载力95%以上。　　②通过室内常规物理力学试验，获得了锚址区泥岩的密度、抗压强度、变形模量、弹性模量、泊松比、抗拉强度、粘聚力、内摩擦角等物理力学参数。在此基础上，对工程背景中的软岩地层隧道式锚碇锚址区岩体稳定性进行了评价，认为该工程具备承受设计拉拔荷载后保持稳定的能力。　　③根据依托工程和相似理论，设计并开展了几何相似比为1:150的软岩地层隧道式锚碇承载特性的室内相似模型试验（低荷载试验和破坏试验），获得了该承载体系在不同级别荷载下锚塞体和周围岩体的受荷响应规律（变形、应力）、地表及剖面破坏特征、破坏模式等。研究表明，软岩地层中隧道式锚碇承载体系仍然有较高的安全储备，其破坏模式为非标准倒楔形破坏，破坏范围以锚塞体后锚面为底面，近似沿拉力方向扩展，锚间岩体破坏程度大于锚侧岩体，上部岩体破坏程度大于下部岩体。　　④基于室内岩石力学试验和室内相似模型试验，采用有限差分软件FLAC3D建立数值分析模型，对软岩地层隧道式锚碇结构从设计荷载至破坏荷载过程中的承载特性进行了研究。研究表明，在设计荷载下隧道锚承载体系变形很小，直到5.0Pm才出现塑性区；地表围岩拉力向变形锚间最大、锚侧最小，变形呈“M”形，地表围岩铅直向变形锚塞体上方最大、锚侧最小，变形呈倒“V”形；测斜孔水平位移在锚塞体轴线处最大，上部岩体较大，下部岩体最小，印证了模型试验的破坏模式。　　⑤采用数值模拟分析的方法，进一步对影响软岩地层隧道式锚碇承载特性的锚塞体参数（锚塞体扩展角、锚塞体长度、锚塞体埋深、锚塞体间距、锚塞体倾角、锚塞体截面尺寸）进行了研究。研究结果显示，在研究范围内，锚塞体扩展角越大、锚塞体长度越大、锚塞体埋深越大、锚塞体轴线间距越大、锚塞体轴线倾角越大、锚塞体截面尺寸越大，软岩地层隧道式锚碇承载体系的变形及塑性区越小，承载能力越强。同时采用灰色关联度法进行了参数敏感性分析，前锚室前端锚间地表岩体拉力向测点T1处的位移对各设计参数的敏感程度排序为：锚塞体前截面尺寸＞锚塞体轴线倾角＞锚塞体轴线间距＞锚塞体长度＞锚塞体后锚面底板埋深＞锚塞体扩展角。

目录

主要符号

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 隧道式锚碇工程应用现状

1.2.2 隧道式锚碇承载特性理论研究现状

1.2.3 隧道式锚碇设计计算方法研究现状

1.2.4 隧道式锚碇模型试验研究现状

1.2.5 隧道式锚碇数值仿真研究现状

1.2.6 隧道式锚碇稳定性影响因素研究现状

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 研究方法与技术路线

2 软岩地层隧道式锚碇抗拔力计算方法研究

2.1 引言

2.2 软岩地层隧道式锚碇计算模型的建立

2.3 软岩地层隧道式锚碇抗拔力计算方法

2.3.1 锚塞体与围岩接触面滑移破坏

2.3.2 锚塞体与围岩体共同作用倒楔形破坏

2.4 软岩地层隧道式锚碇结构设计流程图

2.4.1 软岩地层隧道式锚碇结构抗拔承载力计算流程

2.4.2 软岩地层隧道式锚碇结构设计流程

2.5 算例验证

2.6 本章小结

3 软岩地层隧道式锚碇相似模型试验

3.1 引言

3.2.1 隧道式锚碇工程概况

3.2.2 隧道式锚碇工程地质条件

3.3.1 现场取样和试件加工

3.3.2 试验方法

3.3.3 试验结果及分析

3.4 锚址区岩体稳定性评价

3.5.1 相似模型试验设计理论依据

3.5.2 相似材料

3.5.3 模型尺寸及填筑

3.5.4 加载装置设计

3.5.5 监测方案设计

3.5.6 试验方法设计

3.6 软岩地层隧道式锚碇受荷响应特征

3.6.1 锚塞体拉力向变形特征

3.6.2 地表变形特征

3.6.3 锚岩接触面法向应力特征

3.6.4 周围岩体应力特征

3.7.1 围岩内部破坏特征

3.7.2 地表破坏特征

3.7.3 破坏模式与破坏机理

3.8 本章小结

4 软岩地层隧道锚承载特性数值模拟

4.1 引言

4.2.1 FLAC3D基本理论

4.2.2 模型基本假设

4.2.3 数值模型的建立与验证

4.2.4 数值模拟监测点布置

4.3 软岩隧道锚低荷载试验承载特性

4.3.1 自重下位移与应力场数值分析

4.3.2 设计荷载位移与应力场数值分析

4.3.3 地表变形特性

4.3.4 深部围岩变形特性

4.3.5 围岩测斜变形特性

4.3.6 锚塞体与围岩错动变形特性

4.3.7 锚岩接触面应力特性

4.3.8 锚塞体应力特性

4.4 软岩隧道锚破坏试验承载特性

4.4.1 塑性破坏区域发展特性

4.4.2 地表变形特性

4.4.3 深部围岩变形特性

4.4.4 围岩测斜特性

4.4.5 锚塞体与围岩错动变形特性

4.4.6 锚岩接触面应力特性

4.4.7 锚塞体应力特性

4.5 本章小结

5 软岩隧道锚承载特性影响因素研究

5.1 引言

5.2 隧道锚承载特性影响因素分类

5.3 锚塞体因素对隧道锚承载特性的影响

5.3.1 锚塞体扩展角影响

5.3.2 锚塞体长度影响

5.3.3 锚塞体埋深影响

5.3.4 锚塞体间距影响

5.3.5 锚塞体倾角影响

5.3.6 锚塞体截面尺寸

5.4.1 灰色关联度法基本理论

5.4.2 锚塞体因素对隧道锚承载特性影响敏感性分析

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 主要创新点

6.3研究展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文

B. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目

C. 作者在攻读硕士学位期间获得的奖项、证书

D．学位论文数据集

致谢