懸索橋隧道式復合錨碇系統(tǒng)作用機理研究.pdf

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

2、在節(jié)理裂隙發(fā)育或破碎巖層的工程邊界進行懸索橋帶預應力巖錨的隧道式復合錨碇工程的設計和施工，其難度和風險極大，國內外的研究基本處于空白。同時，作為系統(tǒng)承載主體之一的預應力巖錨，僅僅作為體系的安全儲備考慮是不完善的。設計、施工均以經驗類比法為主，沒有相關理論作指導，與蓬勃發(fā)展的工程實踐是極不相稱的。 錨碇優(yōu)化設計能產生巨大的經濟效益，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、變形協調、本

3、構關系以及邊界條件時，拓撲參數變化和后部錨索初設預應力變化等對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，從而指導和修正設計；另一方面，數值力法雖然能綜合考慮巖土材料的不連續(xù)性、各向異性、非線性的本構關系以及結構在破壞時呈現的體脹、軟化、大變形特性等問題，但卻不能為大多數設計者所采用。工程實踐中，有時并不要求知道結構物中應力和應變隨著外荷載如何變化，而只需求出最終達到塑性流動狀態(tài)所對應的極限荷載或者結構物的安全系數。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計思路和方法。 研究中，通過文獻綜述和科技查新，論證課題的現狀和方向；綜合采用理論分析、數值模擬、工藝研究、實驗驗證(現場模型試驗和原位試驗)的技術路線。主要內容和成果如下： 1.分析錨固長度，自由長度，注漿性質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和圍巖應力場分布形態(tài)，提出安全儲備系數概念。自由長度對圍巖有效傳遞和分散圍巖應力有關鍵作用，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，和初始預應力一起確定了巖錨參與荷載分擔的貢獻值和時機。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)存在多米諾效應傳遞。 2.錨碇自身拓撲參數，即錨碇長度，軸線傾角，夾持角，以及拓撲形狀對錨碇位移、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；隧道式復合錨碇則依賴于隧道式錨碇和預應力巖錨轉移和均勻化集中應力，限制位移，擴展系統(tǒng)的承載深度和范圍。錨碇傾角應控制在一定范圍內；軸向長度L存在臨界值，“干擾”和影響接觸面上的應力分布；擴展角β控制錨碇的軸向位移。隧道式復合錨碇限制應用在一定范圍。 3.圍巖對錨碇的夾持作用對外載的

7、分擔在與巖錨組成的系統(tǒng)中自平衡，錨索預應力大小控制著資源(巖體中能被調動的承載能力)的分配。過大的預應力對巖體產生無利的變形和次生應力，過小則起加筋作用，無益于系統(tǒng)的應力重分布。巖錨預應力宜控制在(0.75～0.85)×0.75fptk，錨碇和錨索對外載的貢獻相當。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致的負向位移和變形。初始預應力小時，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.根據現場

8、原位試驗結果，分析了隧道式復合錨碇系統(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)的平衡方程根據實際施工和設計特征，將錨碇-圍巖接觸面概化處理為4種力學模型，以節(jié)理力學理論和試驗成果為基礎，給出了相應的破壞準則。討論了承載力簡化計算公式中各分項系數的意義和取值方法，并用算例進行了驗證。為設計工程師提供了對隧道式復合錨碇的一個整體設計思路和簡化計算方法。將巖石力學與工程密切結合，使理論成果能夠在工程實踐中起到應有的導向作用