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原文传递悬索桥隧道式复合锚碇系统作用机理研究

论文题名：	悬索桥隧道式复合锚碇系统作用机理研究
关键词：	桥梁隧道工程;悬索桥;锚碇系统;原位试验;数值模拟;力学行为;根状效应;计算方法
摘要：	带预应力岩锚的隧道式复合锚碇作为悬索桥锚固系统的一种新的结构型式，具有重力式、隧道式锚碇所不具备的优点，其结构受力更合理，安全性更可靠，工程造价低，保护生态环境，实现可持续发展，拓宽了隧道式锚碇的应用范围和工程条件，提高了悬索桥的竞争力，填补了岩土工程领域中真正意义上充分利用自然宿主介质的强大的自承性的空白，具有较广阔的工程应用前景，经济效益巨大。受地质条件限制，隧道式锚碇目前还局限应用在节理较少、围岩整体性能完好的地质环境。在节理裂隙发育或破碎岩层的工程边界进行悬索桥带预应力岩锚的隧道式复合锚碇工程的设计和施工，其难度和风险极大，国内外的研究基本处于空白。同时，作为系统承载主体之一的预应力岩锚，仅仅作为体系的安全储备考虑是不完善的。设计、施工均以经验类比法为主，没有相关理论作指导，与蓬勃发展的工程实践是极不相称的。锚碇优化设计能产生巨大的经济效益，改善系统的受力，保证工程的安全可靠性和耐久性。一方面，在确定的荷载条件下，满足静力平衡、变形协调、本构关系以及边界条件时，拓扑参数变化和后部锚索初设预应力变化等对系统稳定性的影响，从而指导和修正设计；另一方面，数值力法虽然能综合考虑岩土材料的不连续性、各向异性、非线性的本构关系以及结构在破坏时呈现的体胀、软化、大变形特性等问题，但却不能为大多数设计者所采用。工程实践中，有时并不要求知道结构物中应力和应变随着外荷载如何变化，而只需求出最终达到塑性流动状态所对应的极限荷载或者结构物的安全系数。寻找能基本反映工程条件的简化计算公式，为工程师们提供一个整体的设计思路和方法。研究中，通过文献综述和科技查新，论证课题的现状和方向；综合采用理论分析、数值模拟、工艺研究、实验验证(现场模型试验和原位试验)的技术路线。主要内容和成果如下： 1.分析锚固长度，自由长度，注浆性质以及锚注体与围岩接触方式对岩锚极限抗拔力和破坏形态的影响。阐释了锚索的根状效应和围岩应力场分布形态，提出安全储备系数概念。自由长度对围岩有效传递和分散围岩应力有关键作用，和锚固长度共同控制岩锚的破坏形态；在锚碇系统中，和初始预应力一起确定了岩锚参与荷载分担的贡献值和时机。单锚破坏主要有两种形式：钢绞线断丝和锚注体滑移，不会发生岩体的整体倒锥形破坏。锚索的破坏呈渐进式的，前面破坏发生，承载力并不会消失，一定加载条件下，反而会达到极限破坏的更高的峰值。群锚整体破坏形态存在多米诺效应传递。 2.锚碇自身拓扑参数，即锚碇长度，轴线倾角，夹持角，以及拓扑形状对锚碇位移、承载力和岩体安定性的影响。多工况对比分析表明：隧道式锚碇抗拔能力依赖于锚碇—围岩接触面的上有效投影面积(沿主缆轴向投影分量)增加；重力式锚碇依赖于基底摩察力来抵抗空间载荷，其抗滑移能力的提高主要靠锚碇体积增加；隧道式复合锚碇则依赖于隧道式锚碇和预应力岩锚转移和均匀化集中应力，限制位移，扩展系统的承载深度和范围。锚碇倾角应控制在一定范围内；轴向长度L存在临界值，“干扰”和影响接触面上的应力分布；扩展角β控制锚碇的轴向位移。隧道式复合锚碇限制应用在一定范围。 3.围岩对锚碇的夹持作用对外载的分担在与岩锚组成的系统中自平衡，锚索预应力大小控制着资源(岩体中能被调动的承载能力)的分配。过大的预应力对岩体产生无利的变形和次生应力，过小则起加筋作用，无益于系统的应力重分布。岩锚预应力宜控制在(0.75～0.85)×0.75fptk，锚碇和锚索对外载的贡献相当。锚碇体要发生外荷载作用方向的位移，必须首先克服岩锚在张拉阶段导致的负向位移和变形。初始预应力小时，锚碇体位移必须先克服围岩的夹持作用后，才能使岩锚受力。 4.根据现场原位试验结果，分析了隧道式复合锚碇系统的可能破坏形态及其发生破坏的条件。采用极限理论，建立锚碇系统的平衡方程根据实际施工和设计特征，将锚碇-围岩接触面概化处理为4种力学模型，以节理力学理论和试验成果为基础，给出了相应的破坏准则。讨论了承载力简化计算公式中各分项系数的意义和取值方法，并用算例进行了验证。为设计工程师提供了对隧道式复合锚碇的一个整体设计思路和简化计算方法。将岩石力学与工程密切结合，使理论成果能够在工程实践中起到应有的导向作用，服务和指导施工实践，是本研究需要为之努力的核心，以期为复杂地形和地质条件下采取复合式隧道锚碇工程的优化设计和施工提供理论依据和指导作用。
作者：	汪海滨
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	高波
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2005
正文语种：	中文