铁路悬索桥隧道式锚碇设计计算方法研究

悬索桥锚碇分为隧道式锚碇和重力式锚碇,采用隧道锚能较好地利用锚址区的地质条件,工程量相对重力锚小,性价比高且对周边环境扰动小。然而,隧道锚尚未形成相对完整的定量设计方法,其设计和施工主要依靠工程经验。结合我国首座铁路悬索桥隧道式锚碇工程,总结分析了隧道锚的4种破坏模式,即锚碇体侧壁界面破坏、倒圆锥台破坏、边坡整体滑移及锚碇体压缩破坏;建立了隧道锚典型破坏模式的计算模型,并基于极限平衡理论推导出相应的承载力计算公式;使用有限元法对关键设计参数进行敏感性分析;给出了隧道锚设计计算操作流程及方法,并针对依托工程给出了一个较为完整的设计范例。研究成果对铁路悬索桥隧道式锚碇设计具有指导意义。     

基于简化力学模型的隧道锚极限承载力估值公式

悬索桥隧道式锚碇的设计理念为锚碇夹持岩体协同承载,因而承载能力远超同体积的重力式锚碇。但因目前对围岩协同作用认识尚不充分,在当前隧道式锚碇设计中仍保守地忽略锚碇和岩体间的挤压效应。为弄清锚碇?岩体协同承载的机制,揭示隧道锚承载能力提高的本质,通过分析隧道式锚碇建设至成桥全过程受力,建立隧道锚的简化力学模型,并引用Mindlin应力解分析了荷载沿锚碇轴向的传递规律以及荷载产生的作用于锚碇?岩体间的挤压应力分布,最终给出了隧道式锚碇极限承载力的简化估算方法,并通过伍家岗大桥隧道锚工程实例分析了结果的合理性。所得结论主要有：锚碇?岩体界面力主要由锚碇自重和锚碇?岩体相互挤压产生;锚碇?岩体界面附加应力自后锚面向前锚面呈先增后减的变化趋势,在距后锚面约1/3L处达到应力峰值;以容许抗剪强度为破坏判据解得的伍家岗长江大桥隧道式锚碇的极限承载力为3 504 MN,约为16倍的设计荷载,与室内试验值基本吻合。     

坝陵河悬索桥西岸隧道式锚碇锚塞体长度方案比选的数值模拟研究

锚碇基础是悬索桥的关键受力部位,它的总体稳定性和受力状态直接影响到大桥的安全和长期使用的可靠性。当悬索桥设计桥面宽度一定时,若采用的隧道式锚碇截面变化情况下,锚塞体长度的确定除了与设计主缆缆力的数值大小有关外,还应考虑如何充分利用锚塞体围岩的力学性能。本文通过拟建的坝陵河悬索桥西岸隧道式锚碇锚塞体长度方案比选的数值模拟研究,获得锚塞体合理经济的长度,以供设计参考。     

基于楔形效应的隧道锚抗拔承载能力研究

悬索桥隧道锚因楔形体外观特征具备强大的抗拔承载能力。基于匀质围岩假定和Mohr-Coulomb强度准则,研究锚碇围岩系统两种破坏模式即岩锚界面摩擦破坏以及围岩受侧向挤压后产生的破裂,根据岩锚界面受力特点建立界面平衡条件,分析围岩破裂面应力状态的改变,并将其与等截面体的抗拔承载力相比较,分别得到对应两种破坏模式的楔形效应系数,由此推导出两种破坏模式下隧道锚抗拔承载力计算公式。研究结果表明,隧道锚抗拔承载力的楔形效应对于不同类别的围岩表现出明显规律。通过与已建隧道锚承载力的研究结果相比较,验证计算较为吻合,进一步证实了考虑楔形效应的简化公式计算隧道锚承载力的正确性和合理性。     

云南龙江特大悬索桥锚碇稳定性分析

重力式是悬索桥安全的关键结构之一,其支墩的偏移量对悬索桥的稳定性至关重要.拟建的云南龙江特大悬索桥保山岸地层复杂,岩性软弱,地基土力学参数较低.在工程设计中,需预测在施工运行过程中的锚碇支墩偏移量,以合理确定地基是否需要加固处理以及设定加固参数.为此,本文利用FLAC3D按照锚碇基坑开挖、锚碇主体施工、回填及二期构件完...     

悬索桥隧道式锚碇夹持效应的试验研究

隧道式锚碇的夹持效应机制及其破坏形态的研究尚不充分,不利于隧道式锚碇设计理论的优化。通过开展锚碇的二维室内模型试验,分析了锚碇和岩体联合承载的过程、机制及锚碇自岩体内拔出时的破坏形态,并针对锚碇的楔形角和埋深等几何要素对锚碇的承载力和破坏特征的影响做了简单分析,在一定程度上揭示了隧道式锚碇夹持效应的本质。所得结论主要有:(1)锚碇加速非线性移动挤压土体产生附加应力,激发夹持效应发挥抗力作用,调动周围岩土体联合承载。(2)隧道式锚碇的承载力由自重效应和夹持效应组成,自重效应不足以平衡主缆荷载时,夹持效应才发挥作用。从经济和安全角度,应对锚碇的体型进行合理设计,使得夹持效应得到有效发挥。(3)锚碇的楔形角影响锚碇的极限承载力,设计时应通过优化分析确定优势角。(4)锚碇的埋深越大,承载力越大,两者基本成线性关系。在实际工程中应把握施工难易性、经济性及承载力之间的关系综合确定埋深。(5)锚碇裂纹的产生和发展与锚碇及岩体的应力位移响应具有相关性。锚碇与土体相对静止时无裂纹产生,破坏形态基本形成的时间与锚碇加速非线性位移阶段相对应。     

悬索桥隧道锚承载能力和变形特征研究综述

隧道锚作为悬索桥相对新型的锚固形式,对其理论和实践认知都还比较欠缺。首先从抗拔承载安全和锚碇变形控制两方面归纳了当前隧道锚工程普遍采用的安全控制指标;然后分别总结了隧道锚承载能力和变形特征的研究方法;对项目团队20年来针对10余个隧道锚工程所开展的专题研究成果进行总结,得出目前已建和在建隧道锚在主缆数万吨级荷载下的变形普遍为mm级、隧道锚的超载稳定性系数普遍大于7的结论,说明目前已建和在建隧道锚存在较大安全裕度,隧道锚设计还存在一定优化空间;同时指出目前规范建议的隧道锚变形控制标准是基于桥梁结构提出的,没有考虑锚体自身及围岩等材料对变形的限制要求;总结出隧道锚承载能力主要是锚体混凝土及围岩系统的承载能力,没有考虑钢绞线材料强度等其他可能控制锚碇系统承载能力的因素。研究结论具有其特定条件和适用范围,后续对隧道锚系统的承载机制等科学问题还有待进一步研究。     

悬索桥隧道式锚碇和下穿公路隧道相互作用机制研究

结合矮寨悬索桥的工程实践,采用MIDAS/GTS对茶洞岸锚碇和下穿公路隧道之间的相互作用机制进行研究。研究表明,开挖阶段锚-隧相互作用程度具有不对等性,即锚-隧影响大于隧-锚影响。在设计大缆拉力荷载作用下,下穿隧道的存在明显地改变了锚碇附近围岩的位移分布,导致锚碇附近围岩节点位移曲线发生整体下沉、旋转,并产生最大达0.76 mm的竖向附加位移。锚碇附近围岩竖向位移受下穿隧道影响较为显著,而水平向位移受影响相对较弱。对于锚碇隧道而言,下穿隧道单次爆破引起振动较小,距离爆心40 m范围以外围岩质点峰值振动速度小于2 cm/s,与实测资料吻合。工程项目现场的爆破振动监测及围岩波速测试成果显示：下穿隧道爆破掘进对40 m以外围岩的振动效应可以忽略。     

预应力群锚根状效应原位试验研究

根据悬索桥隧道式锚碇系统预应力岩锚原位试验及模拟计算结果,分析了锚索的锚固长度、自由长度、锚固注浆压力以及锚注体与围岩界面结合程度对岩锚极限抗拔力的影响。比较了群锚与单锚作用下的岩锚本身及宿主介质的荷载、位移分布特征。群锚约束岩体向临空面变形,具有增韧止裂的根状效应,受埋深(自由长度)、间距、初始预应力、加载历史等影响。锚索的锚固长度控制着岩锚的极限承载力,而自由段长度控制着其在隧道式复合锚碇系统中参与荷载分担的贡献值和时机,自由段长度对有效传递和分散围岩应力有关键作用。指出群锚整体破坏形态存在传递多米诺效应。     

隧道锚“楔形效应”的室内模型试验研究

隧道锚是承担悬索桥主缆荷载的关键受力部件,隧道锚–围岩联合承载力学机制较为复杂。通过研究隧道锚简化的力学模型,得到基于"楔形效应"的隧道锚抗拔承载力计算方法。为进一步验证该方法的合理性与正确性,考虑埋深、锚碇长度、围岩类别等影响因素,设计了14组室内模型试验方案,通过模型试验获得了抗拔承载力,研究了各影响因素与抗拔承载力关系。基于室内模型试验的相关参数,采用"楔形效应"计算方法得到隧道锚抗拔承载力,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也和理论计算方法一致。研究结果表明,考虑"楔形效应"的隧道锚承载力计算方法是科学和合理的,具有力学意义明确、公式形式简明的特点,可为工程实践提供参考。     

隧道锚围岩抗拔机制及抗拔力计算模式初步研究

在普立特大桥隧道锚现场模型试验的基础上,采用数值模拟技术揭示了隧道锚围岩变形破坏过程:围岩破坏面从锚体底部与围岩接触面附近启裂,并逐渐向外呈圆台状扩散,破坏形式为拉剪破坏。并且,锚体前部临空岩体被拱出而发生拉破坏。破坏面上的应力分布随着拉拔荷载增大而发生复杂变化。基于此,通过在破坏面上建立力的平衡关系,提出了隧道锚围岩抗拔力计算模式。该计算模式与现有文献不同,体现了夹持效应以及破坏面上的复杂应力变化。破坏面上的应力分布需要通过模型试验和数值模拟论证得到。今后,在针对不同强度、不同结构特征的岩体进行全面试验分析的基础上,可以对破坏面形态和应力大小进行取值建议。采用该模式验证了试验结果,估算得到大桥原型锚碇的极限抗拔力非常大。目前隧道锚设计普遍偏于保守,隧道锚在中、软岩中仍然可以使用。讨论了破坏面形态特征可能的变化、岩体结构特征对抗拔力的影响等问题。     

花岗岩与混凝土胶结面抗剪强度的试验研究

坐落在基岩上的重力式建筑物（重力坝、悬索桥的锚碇等）,依靠基岩与大体积混凝土接触面的摩擦力平衡巨大的水压力或锚索拉力。接触面的摩擦系数有很小的变化,需要混凝土的体积发生大的变化保持摩擦力不变,从而工程造价出现大的差别。针对润扬长江公路大桥南汊悬索桥锚碇接触面抗剪强度取值问题,采用室内控制粗糙度试验的方法,测试了不同风化程度和粗糙度的花岗岩与混凝土接触面的抗剪强度。结合现场编录和现场粗糙度测试结果,获得了混凝土与基岩胶结面摩擦角的分区和面积加权平均值,为锚碇的稳定验算提供了准确的数据。试验结果对其它重力式抗滑结构设计有参考价值。     

软岩泡水隧道锚变形破坏模型试验

为了研究软岩隧道锚锚体及其围岩泡水后变形破坏的特点,以在建的几江长江大桥为依托,开展了泡水状态（M2）和自然状态（M3）两组缩尺比例为1:30的现场模型试验。通过对各关键测点的试验数据分析,获得了不同状态的模型锚锚体和围岩在破坏过程中的变形特点及规律,并对隧道锚的破坏模式进行了分析。研究表明：不论是模型锚表面还是深部,试验过程中,M2各测点（锚体外侧岩体、锚间岩体等）的位移总体大于M3测点的位移,且破坏荷载值要低于M3。隧道锚围岩含水率不同,破坏模式有所差异。对于含水率为7.39%的M2,其裂隙出现顺序为先洞脸后地表,先西锚后东锚;对于含水率为5.36%的M3,其裂隙先出现在锚体上部地表,然后出现在锚洞斜面,最后在锚碇区大量出现。此外,地形条件也会使得同一含水状态的隧道锚的两个锚体的变形有所差异。研究成果可为软岩隧道锚的修建以及类似的工程设计、施工等提供参考和借鉴。     

泸定大渡河桥康定岸重力锚边坡长期变形与稳定性分析

悬索桥重力式锚碇边坡的长期变形与稳定性是影响该类桥梁结构正常使用的一个关键要素。为合理讨论这一问题,以泸定大渡河桥康定岸重力式锚碇边坡为例,首先开展了现场边坡土体剪切、压缩试验,通过三维弹塑性数值模拟方法确定坡体应力场,基于此确定直剪蠕变试验加载条件,进而针对主要由冰碛土构成的该坡体,进行直剪蠕变试验,根据试验结果揭示的土体蠕变特性随时间逐渐减弱的特征,结合Mohr-Coulomb强度准则,采用Burgers体与广义Kelvin体组成的两时段蠕变本构模型进行锚碇边坡的黏弹塑性分析。考虑锚碇发挥正常使用功能的要求,提出了特征点（散索鞍点）位移容许值判据,将强度折减法扩展应用于黏弹塑性坡体的长期变形与稳定性分析。实例分析表明,该锚碇在正常运营100 a时散索鞍点朝河侧水平位移为13.91 cm,在正常使用极限状态的条件下,锚碇边坡的长期稳定系数为1.71。     

基于虚功原理的悬索桥隧道式锚碇边坡稳定性分析

本文基于虚功原理,结合工程地质勘察资料,在岩层层面和不利结构面组合切割下,由于锚碇工程荷载作用,研究坝陵河大桥西岸隧道式锚碇边坡的整体稳定性。本文的力学分析模型采用多个块体破坏机构的分析方法,假定块体的底面和侧面均达到了极限平衡状态,安全系数可通过功能平衡的虚功原理表达式来求解。功能平衡方程中仅有安全系数一个未知数,条块底部和界面上的法向压力和切向摩擦力并不出现,求解大为简化。     

悬索桥重力式锚碇结构变位规律研究

采用室内相似模型试验和数值模拟方法,对某悬索桥重力式锚碇变位问题进行了研究。相似模型的几何相似常数为1:100,体积力相似常数为1:1.325。数值模拟取相似模型试验条件,土体服从摩尔-库仑准则,锚碇和围护结构视作弹性体,选用模型试验相似材料实际参数。研究表明,软土中锚碇结构的变位随锚拉力变化的规律为：在锚拉力作用下,锚碇不仅向前水平位移,而且产生前端下沉、后端隆起的刚体转动,变位随锚拉力的增加呈非线性增大。锚碇基础下部地基加固、锚碇基坑围护结构以及锚碇周围土体对提高锚碇稳定性具有积极作用。     

西江特大桥岩锚锚碇的承载特性研究

针对西江特大桥广州岸岩锚锚碇系统的承载稳定性问题,采用工程地质勘察、室内及现场原位岩石力学特性试验、钻孔摄像及声波测试等手段,获取承载边坡的岩体地质力学特性,并建立边坡地质力学模型,同时进行现场拉锚试验验证预应力锚索设计的可靠性。采用三维数值模拟方法研究锚碇系统在施加预应力和承担外荷载两种情况下,边坡岩体的稳定性和锚碇群锚中不同位置的预应力锚索锚固力的分布特征。研究表明,在桥梁施工荷载的拉拔作用下,广州岸锚碇边坡整体稳定,坡表变形为毫米级;锚索锚固力呈不均匀分布形态,主要集中在锚固段前2 m范围内,最大值出现在锚固段端头;锚碇群锚的锚固力应力集中程度由大到小依次是角锚、边锚、中间锚。超载试验表明,整个锚碇系统的极限抗拔力不小于8倍设计荷载。锚索现场监测数值显示,锚碇承载期间锚索索力基本稳定,中间锚的索力小于角锚。研究方法及成果可供类似的桥梁及抗倾拔工程中的岩锚锚碇设计及安全评价借鉴。     

深埋隧道软弱围岩拱顶三维渐进性塌落机制上限分析

隧道拱顶塌方是一个渐进性破坏的过程,为研究深埋隧道软弱围岩拱顶渐进性塌落特征,基于极限分析上限定理和非线性Hoek-Brown破坏准则,建立了深埋隧道三维渐进性塌落机制,推导了考虑孔隙水压力作用下的塌方全过程塌落体曲面解析解,绘制了拱顶渐进性塌落形态三维曲面图,分析了相关参数单一变化时塌落体形态特征以及不同孔隙水压力作用下各参数对塌落体重力和隧道支护力的影响规律。结果表明：表征岩体特征的无量纲参数、重度、孔隙水压力和岩体抗拉强度对渐进性塌方塌落体形态、重力和支护力有显著影响;深埋隧道围岩物理力学参数在渐进性塌方过程中逐渐减弱,主要体现为岩体强度随变形的发展逐渐衰减直至一个残余值,围岩强度的衰减情况和残余强度大小对塌落体重力和隧道支护力有一定影响。理论计算得到的隧道拱顶塌落形态与实际隧道工程F3断层破碎带隧道拱顶塌方范围基本吻合,验证了理论计算结果对预测隧道拱顶渐进性塌方塌落体范围的适用性,研究成果可为软弱围岩深埋隧道施工设计及安全防护提供理论依据。     

某特深基坑支护的非线性三维有限元分析

讨论了润扬长江大桥北锚碇基础施工开挖中50 m特深基坑的三维非线性有限元分析,介绍了工程的有关情况,讨论了其计算模型和参数取值,给出主要计算结果并对有关影响因素进行了分析,在此基础上对该基坑支护的设计作出评价,最后结合施工结果讨论了计算分析的可靠性。     

基于小波的时序改进法在深基坑监测中的应用

结合润扬长江公路大桥南汊悬索桥南锚碇采用排桩冻结法新技术的工程实际,对深基坑支撑轴力监测数据提出了基于小波技术的时间序列改进法,将时间序列分析的多步预报功能与小波对信号精加工的功能相结合,研究结果表明,采用小波改进时间序列分析方法建立的时间序列动态预测模型,其预测精度大大提高,为基坑的安全施工提供了保障,为基坑的信息化施工提供了依据。