悬索桥隧道式复合锚碇系统作用机理研究

论文摘要

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,数值方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

论文目录

• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景与问题的提出
• 1.2 隧道式锚碇系统研究现状
• 1.2.1 锚碇区域边坡的稳定性分析
• 1.2.2 锚碇抗滑稳定性分析
• 1.2.3 优化设计
• 1.3 预应力锚索作用机理研究现状
• 1.3.1 锚固机理及理论的研究与现状
• 1.3.2 预应力锚索群锚效应
• 1.4 研究目标和内容
• 1.4.1 预应力岩锚机理
• 1.4.2 群锚效应
• 1.4.3 隧道式锚碇的作用机理
• 1.4.4 隧道式复合锚碇系统的耦合分析
• 1.4.5 复合式锚碇系统优化理论
• 1.5 研究方法及技术路线
• 第2章 接触问题的数值分析理论基础
• 2.1 接触问题的研究进展
• 2.2 接触问题的数值分析方法
• 2.2.1 直接法
• 2.2.2 接触力学方法
• 2.2.3 接触面单元法
• 2.3 三维接触问题的变分原理
• 2.3.1 接触问题的一般描述
• 2.3.2 接触问题的基本方程
• 2.3.3 接触问题的变分原理
• 2.3.4 接触问题有限元计算
• 2.4 边界接触模式和接触条件的讨论
• 2.5 接触问题的ANSYS分析
• 2.5.1 ANSYS数值模型
• 2.5.2 ANSYS接触单元实常数
• 2.6 本章小结
• 第3章 基于MINDLIN解及协同变形原理的预应力锚索荷载变位关系研究
• 3.1 概述
• 3.1.1 工况分析
• 3.1.2 力学模型
• 3.1.3 基本假定
• 3.1.4 边界条件
• 3.2 基于MINDLIN解的已知解答
• f≤z≤l内锚段，轴向相容）'>3.3 锚注体轴力求解（l_f≤z≤l内锚段，轴向相容）
• 3.3.1 基本方程
• 3.3.2 推导
• 3.4 径向相容条件
• 3.5 锚索荷载变位关系
• 3.6 试验验证及讨论
• 3.7 本章小结
• 第4章 预应力锚索根状效应试验模拟研究
• 4.1 引言
• 4.2 试验方案
• 4.2.1 试验选址
• 4.2.2 工作面设计
• 4.2.3 试验设备及仪器
• 4.2.4 测试原理分析
• 4.2.5 岩锚贴片
• 4.2.6 岩锚安装
• 4.2.7 加载设计
• 4.2.8 试验过程校检
• 4.2.9 基本率定试验
• 4.3 锚索的数值模拟力学模型
• 4.3.1 锚索力学效果的等效模拟
• 4.3.2 锚索的数值力学模型
• 4.3.3 接触摩擦模型
• 4.3.4 三维预应力锚索单元
• 4.3.5 数值模型
• 4.4 结果分析
• 4.4.1 岩锚破坏机理及极限抗拔力
• 4.4.2 单根锚索轴力分布形态研究
• 4.4.3 单锚作用下围岩应力的分布形杰
• 4.4.4 围岩体内的位移场
• 4.4.5 注浆锚固对抗拔力的作用机理
• 4.5 影响因素研究
• 4.5.1 内锚段长度变化
• 4.5.2 自由长度变化
• 4.5.3 弹性模量的变化
• 4.6 群锚根状效应研究
• 4.6.1 群锚极限承载力
• 4.6.2 群锚拉拔力与锚头位移
• 4.6.3 围岩应力场和位移场分布形态
• 4.6.4 张拉方式对锚索预应力损失的影响
• 4.6.5 锚索间距变化对岩体中应力和位移的分布影响
• 4.7 本章小结
• 第5章 隧道式复合锚碇夹持机理及拓扑效应
• 5.1 概述
• 5.2 施工力学原理及计算模型
• 5.2.1 计算模型及边界条件
• 5.2.2 计算假定
• 5.2.3 单元的选择
• 5.2.4 计算参数
• 5.2.5 工况动态及分析方法
• 5.3 原位缩比试验模型
• 5.4 成果分析原则
• 5.5 隧道式锚碇稳定性评价
• 5.5.1 稳定性评价试验验证
• 5.5.2 预应力岩锚的必要性—运营超载分析
• 5.6 拓扑效应及适应性研究
• 5.6.1 适应性研究
• 5.6.2 锚碇埋深—倾角α的影响
• 5.6.3 拓扑参数研究
• 5.7 复合锚碇系统安全监控
• 5.7.1 锚碇变位特征
• 5.7.2 围岩应力分布
• 5.8 复合锚碇系统岩锚与锚碇侧围岩的荷载分配
• 5.9 岩锚和围岩作用时机
• 5.10 岩石锚固墙效应
• 5.11 本章小结
• 第6章 隧道式复合锚碇简化计算及优化理论
• 6.1 引言
• 6.2 破坏形态研究和极限平衡分析
• 6.2.1 破坏形态研究
• 6.2.2 接触面概化模型
• 6.2.3 极限平衡分析
• 6.3 接触面参数影响因素分析
• 6.3.1 围岩及混凝土的性质
• 6.3.2 接触面的粗糙起伏度
• 6.3.3 接触面法向应力状况
• 6.3.4 水的软化影响
• 6.3.5 尺寸效应的影响
• 6.4 锚碇—围岩接触面破坏准则
• 6.4.1 平直无充填的结构面
• 6.4.2 Patton规则起伏结构面
• 6.4.3 不规则粗糙起伏结构面
• 6.5 分项系数讨论
• 6.5.1 泊松效应系数ξ
• i'>6.5.2 压力系数η_i
• i的确定'>6.5.3 围压σ_i的确定
• i的影响'>6.5.4 扩展角α_i的影响
• 6.6 隧道式复合锚碇的设计思路
• 6.6.1 设计原则及流程
• 6.6.2 设计应注意的问题
• 6.6.3 后部锚索的设计
• 6.6.4 锚碇拉杆抗拔极限承载力设计
• 6.7 设计算例
• 6.8 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献（References）
• 攻读博士学位期间发表的论文及科研成果