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原文传递软岩隧道式锚碇锚岩传力机制及抗拔稳定性研究

论文题名：	软岩隧道式锚碇锚岩传力机制及抗拔稳定性研究
关键词：	软岩隧道锚;锚岩接触面;传力机制;抗拔稳定性;极限荷载
摘要：	隧道锚因体量小、承载力高以及对环境扰动小等优点越来越多的被应用于悬索桥的建设当中。目前有关隧道锚的研究多侧重于其受荷后的岩体变形和破坏特征等方面，而对隧道锚承载全过程中的抗拔力学行为和荷载传递机制的研究还不够深入，特别是对软岩隧道锚中锚塞体-锚岩接触面-岩体联合承载特性、接触面应力分布、演化和破坏特征、岩体内部裂纹萌生-演化过程、空间分布以及破坏形态等方面还未形成清晰认识。对影响隧道锚承载特性的因素也多局限于锚塞体设计参数或岩体性质等方面，较少关注接触面力学性质的影响。同时，面对隧道锚有向软岩地层中不断延伸的趋势，有关软岩隧道锚稳定性控制技术和控制机理的认识仍滞后于工程应用。因此，本文围绕软岩隧道锚荷载传递机制及抗拔稳定性这一主题，采用相似模型试验、理论分析和数值模拟等方法，对软岩隧道锚的联合承载特性和渐进破坏演化特征、接触面粗糙度影响下软岩隧道锚荷载传递特征以及稳定性控制技术及作用机制等方面进行了较为系统深入的研究，主要研究内容和成果如下：　　①针对软岩隧道锚的荷载传递机制和抗拔稳定性问题，设计了一套完整的相似模型试验系统，借助该系统，研究了软岩隧道锚围岩位移场、主应变场以及锚岩接触面应力的分布与演化特征。结果表明：地表竖向位移主要集中在锚体垂直投影上方的中前部，且分布和演变具有阶段性、地域性和滞后性。围岩水平位移场经历喇叭状向梭形演变过程，垂直位移场经历倾斜层状向锚体上部竖向条带状、下部近似弧形分布的演变过程。紧邻锚体后端的围岩首先出现应变集中现象且伴随有主应变轴旋转，处于集中带尖端的点产生顺时针旋转，带外主轴旋转特征与带两侧是否发育新的集中带有关。接触面应力依次经历两端大中间小的双峰状、后端峰值前移的双峰状和应力整体下降的类梯形分布演变过程。　　②基于相似模型试验，从表观裂纹、地表裂纹和岩体内部裂纹等方面研究了承载全过程中软岩隧道锚的渐进破坏规律。结果表明：隧道锚破坏后锚体上部围岩中裂纹呈多层喇叭状自锚体后端向前逐个分布，裂纹经历小角度剪切裂纹→拉-剪复合裂纹→大角度拉伸裂纹扩展演变过程；锚体下部围岩中以近似平行于锚体轴线的剪切裂纹为主，并最终形成一条薄层剪切带。地表裂纹沿近似垂直于锚体拱顶在地表垂直投影的方向传播。期间经历拉伸破坏→剪切或拉剪复合破坏→拉伸破坏→拉剪复合破坏演变过程；裂纹长度自锚体后端向前逐渐增大，且裂纹性质由拉伸破坏过渡为以拉剪（或压剪）为主的复合破坏。岩体内部被破裂面切割的块体形态自锚体后部起向前由条状逐渐过渡为块状，相邻块体间垂直位错值由后向前依次降低；岩体深处裂纹逐渐尖灭，破坏区域逐步向浅层地表和锚体前端收缩。　　③基于试验获得的破坏特征、接触面应力变化及锚体的荷载-位移响应等特征，研究了锚体-锚岩接触面-岩体间的荷载传递特征、联合承载特征及隧道锚的阶段破坏特征。结果表明：接触面较粗糙的软岩隧道锚依次经历近似线弹性变形、缓慢非线性变形、承载力加速丧失的塑性变形和完全破坏4种状态，其中近似线弹性变形和缓慢非线性变形状态中由接触面、锚体和岩体夹持效应组成的联合承载体形成，承载主体由初始锚体和岩体自重转变为接触面和围岩夹持效应；塑性变形状态中隧道锚先后经历锚体后端剪裂纹萌生的破坏阶段Ⅰ与岩体内部压剪（或拉剪）破坏以及接触面滑移破坏的双重破坏阶段Ⅱ，承载体中源自接触面和夹持效应的承载力占比渐低；破坏状态中承载体仅剩岩体和锚体自重及接触面上与自重有关的摩阻力，隧道锚进入上、下部剪（或拉剪）裂纹贯通和接触面脱粘的破坏阶段Ⅲ。　　④设计了3组不同粗糙度锚岩接触面的软岩隧道锚相似模型，研究了接触面粗糙度对隧道锚荷载传递特征和破坏演化的影响规律。结果表明：隧道锚极限抗拔力随接触面粗糙度的降低而降低；低粗糙度接触面的隧道锚在经历近似线弹性变形状态后直接进入了硬化阶段，且进入硬化阶段时对应的荷载随接触面粗糙度的降低而降低。锚体上部围岩中的主裂纹随接触面粗糙度降低逐步向锚体前端移动，后锚面拱顶仅发育零星大角度短小裂纹；随接触面粗糙度的降低，锚体下部由薄层剪切带破坏模式转变为沿接触面的滑移破坏模式；地表破坏区近似为1/4椭圆，且范围随接触面粗糙度的降低而减小；低粗糙度接触面隧道锚的三维破坏体形态为三棱锥体，有别于高粗糙度接触面隧道锚的喇叭状破坏形态。　　⑤基于相似模型试验和有限差分法，研究了抗拔键提高软岩隧道锚稳定性的作用原理。结果表明：带抗拔键锚体提高隧道锚承载力主要源于围岩对抗拔键的法向挤压作用，进而增大抗拔键与围岩接触面的侧摩阻力，并扩大锚体拱底围岩参与承载的范围。隧道锚的屈服荷载和抗拔极限荷载随抗拔键高度、宽度、长度和数量的增大而近似线性增大，随与后锚面间距离和键坡坡角的增大而近似线性减小；隧道锚的屈服荷载和抗拔极限荷载对抗拔键的宽度最为敏感，其次为抗拔键的高度、长度和坡角，对抗拔键的位置及其与后锚面间的距离最不敏感。
作者：	韩亚峰
专业：	土木工程
导师：	刘新荣
授予学位：	博士
授予学位单位：	重庆大学
学位年度：	2021