懸索橋隧道式復(fù)合錨碇系統(tǒng)作用機理研究.pdf

1、帶預(yù)應(yīng)力巖錨的隧道式復(fù)合錨碇作為懸索橋錨固系統(tǒng)的一種新的結(jié)構(gòu)型式，具有重力式、隧道式錨碇所不具備的優(yōu)點，其結(jié)構(gòu)受力更合理，安全性更可靠，工程造價低，保護生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，拓寬了隧道式錨碇的應(yīng)用范圍和工程條件，提高了懸索橋的競爭力，填補了巖土工程領(lǐng)域中真正意義上充分利用自然宿主介質(zhì)的強大的自承性的空白，具有較廣闊的工程應(yīng)用前景，經(jīng)濟效益巨大。 受地質(zhì)條件限制，隧道式錨碇目前還局限應(yīng)用在節(jié)理較少、圍巖整體性能完好的地質(zhì)環(huán)境。

2、在節(jié)理裂隙發(fā)育或破碎巖層的工程邊界進(jìn)行懸索橋帶預(yù)應(yīng)力巖錨的隧道式復(fù)合錨碇工程的設(shè)計和施工，其難度和風(fēng)險極大，國內(nèi)外的研究基本處于空白。同時，作為系統(tǒng)承載主體之一的預(yù)應(yīng)力巖錨，僅僅作為體系的安全儲備考慮是不完善的。設(shè)計、施工均以經(jīng)驗類比法為主，沒有相關(guān)理論作指導(dǎo)，與蓬勃發(fā)展的工程實踐是極不相稱的。 錨碇優(yōu)化設(shè)計能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益，改善系統(tǒng)的受力，保證工程的安全可靠性和耐久性。一方面，在確定的荷載條件下，滿足靜力平衡、變形協(xié)調(diào)、本

3、構(gòu)關(guān)系以及邊界條件時，拓?fù)鋮?shù)變化和后部錨索初設(shè)預(yù)應(yīng)力變化等對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，從而指導(dǎo)和修正設(shè)計；另一方面，數(shù)值力法雖然能綜合考慮巖土材料的不連續(xù)性、各向異性、非線性的本構(gòu)關(guān)系以及結(jié)構(gòu)在破壞時呈現(xiàn)的體脹、軟化、大變形特性等問題，但卻不能為大多數(shù)設(shè)計者所采用。工程實踐中，有時并不要求知道結(jié)構(gòu)物中應(yīng)力和應(yīng)變隨著外荷載如何變化，而只需求出最終達(dá)到塑性流動狀態(tài)所對應(yīng)的極限荷載或者結(jié)構(gòu)物的安全系數(shù)。尋找能基本反映工程條件的簡化計算公式，為工程師

4、們提供一個整體的設(shè)計思路和方法。 研究中，通過文獻(xiàn)綜述和科技查新，論證課題的現(xiàn)狀和方向；綜合采用理論分析、數(shù)值模擬、工藝研究、實驗驗證(現(xiàn)場模型試驗和原位試驗)的技術(shù)路線。主要內(nèi)容和成果如下： 1.分析錨固長度，自由長度，注漿性質(zhì)以及錨注體與圍巖接觸方式對巖錨極限抗拔力和破壞形態(tài)的影響。闡釋了錨索的根狀效應(yīng)和圍巖應(yīng)力場分布形態(tài)，提出安全儲備系數(shù)概念。自由長度對圍巖有效傳遞和分散圍巖應(yīng)力有關(guān)鍵作用，和錨固長度共同控制巖錨的

5、破壞形態(tài)；在錨碇系統(tǒng)中，和初始預(yù)應(yīng)力一起確定了巖錨參與荷載分擔(dān)的貢獻(xiàn)值和時機。單錨破壞主要有兩種形式：鋼絞線斷絲和錨注體滑移，不會發(fā)生巖體的整體倒錐形破壞。錨索的破壞呈漸進(jìn)式的，前面破壞發(fā)生，承載力并不會消失，一定加載條件下，反而會達(dá)到極限破壞的更高的峰值。群錨整體破壞形態(tài)存在多米諾效應(yīng)傳遞。 2.錨碇自身拓?fù)鋮?shù)，即錨碇長度，軸線傾角，夾持角，以及拓?fù)湫螤顚﹀^碇位移、承載力和巖體安定性的影響。多工況對比分析表明：隧道式錨碇抗拔

6、能力依賴于錨碇—圍巖接觸面的上有效投影面積(沿主纜軸向投影分量)增加；重力式錨碇依賴于基底摩察力來抵抗空間載荷，其抗滑移能力的提高主要靠錨碇體積增加；隧道式復(fù)合錨碇則依賴于隧道式錨碇和預(yù)應(yīng)力巖錨轉(zhuǎn)移和均勻化集中應(yīng)力，限制位移，擴展系統(tǒng)的承載深度和范圍。錨碇傾角應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)；軸向長度L存在臨界值，“干擾”和影響接觸面上的應(yīng)力分布；擴展角β控制錨碇的軸向位移。隧道式復(fù)合錨碇限制應(yīng)用在一定范圍。 3.圍巖對錨碇的夾持作用對外載的

7、分擔(dān)在與巖錨組成的系統(tǒng)中自平衡，錨索預(yù)應(yīng)力大小控制著資源(巖體中能被調(diào)動的承載能力)的分配。過大的預(yù)應(yīng)力對巖體產(chǎn)生無利的變形和次生應(yīng)力，過小則起加筋作用，無益于系統(tǒng)的應(yīng)力重分布。巖錨預(yù)應(yīng)力宜控制在(0.75～0.85)×0.75fptk，錨碇和錨索對外載的貢獻(xiàn)相當(dāng)。錨碇體要發(fā)生外荷載作用方向的位移，必須首先克服巖錨在張拉階段導(dǎo)致的負(fù)向位移和變形。初始預(yù)應(yīng)力小時，錨碇體位移必須先克服圍巖的夾持作用后，才能使巖錨受力。 4.根據(jù)現(xiàn)場

8、原位試驗結(jié)果，分析了隧道式復(fù)合錨碇系統(tǒng)的可能破壞形態(tài)及其發(fā)生破壞的條件。采用極限理論，建立錨碇系統(tǒng)的平衡方程根據(jù)實際施工和設(shè)計特征，將錨碇-圍巖接觸面概化處理為4種力學(xué)模型，以節(jié)理力學(xué)理論和試驗成果為基礎(chǔ)，給出了相應(yīng)的破壞準(zhǔn)則。討論了承載力簡化計算公式中各分項系數(shù)的意義和取值方法，并用算例進(jìn)行了驗證。為設(shè)計工程師提供了對隧道式復(fù)合錨碇的一個整體設(shè)計思路和簡化計算方法。將巖石力學(xué)與工程密切結(jié)合，使理論成果能夠在工程實踐中起到應(yīng)有的導(dǎo)向作用