大桥隧道锚碇三维粘弹塑性数值模拟

为了解某大桥隧道锚碇及围岩体在张拉荷载下的变形状态及时效特性,采用三维显式有限差分软件FLAC3D对该大桥隧道锚碇系统进行三维粘弹塑性数值模拟.根据地质资料以及混凝土锚碇结构尺寸,建立隧道锚碇的三维计算模型,对岩体与锚碇之间的相互作用以及锚碇结构在长期荷载作用下的破坏模式进行研究,分析了由于施工开挖引起的锚碇和隧道围岩的位移及其应力变化.分析结果表明:当考虑岩体的流变力学特性后,在设计荷载作用下,锚碇和隧道围岩的变形均有所增加;与弹塑性计算结果比较,施加荷栽后经流变分析得到的隧道顶拱和底板的切向应力有所降低,拉应力的量值及拉应力区的范围减小,塑性区体积进一步扩大.     

普立特大桥隧道式锚碇围岩系统的变形规律及破坏机制

针对普立特大桥普立岸隧道式锚碇围岩系统的变形规律及破坏机制问题,采用有限差分法对其进行三维弹塑性模拟,分析了随着荷载的增加系统的塑性区、位移及应力的发展情况.数值结果表明:1设计缆力时,锚碇-围岩系统的位移均维持在mm级;继续加载,锚碇和周围岩体的位移形成的驼峰逐渐明显;至极限状态时,根据锚碇围岩的位移矢量图可勾勒出围岩的破坏范围,其中锚碇上、下部围岩的破坏范围分别为锚碇后锚面宽度的1.1倍和0.5倍;2系统在设计缆力下具有足够的安全稳定性,加载至8倍缆力时,锚碇的环向和径向的围岩塑性区均达到贯通,加载至极限状态时,锚碇周围岩体的塑性区分布形态呈倒塞体状;3根据监测点的位移变化、锚碇围岩塑性区分布及应力扩展情况得到,系统的破坏由锚碇带动周边部分岩体发生整体拉-剪破坏.     

软岩地质条件下浅埋隧道锚缩尺模型试验

为研究隧道锚的受力变形和锚碇承载特性等问题,在重庆几江长江大桥工程北岸现场开展1∶30缩尺模型试验。试验结果表明：从相似设计荷载240 kN 到1680 kN,双锚碇前锚面沿拉拔方向的最大位移平均值为0．020～0．808 mm,双锚碇前端上部地表岩体铅直方向的最大位移值为0．028～0．749 mm,双锚碇后端上部地表岩体铅直方向的最大位移值为0．014～0．645 mm;锚碇围岩破裂类型是拉剪复合型破坏;锚碇上方地表横桥方向参与抗拔作用的岩体范围约2～3 m,而沿锚碇轴向参与拉拔作用的岩体破坏区类似一个倒塞体形状;通过试验得到模型锚的可靠抗拉拔承载能力为1344 kN;模型锚在840 kN 下的流变趋于稳定,其长期安全系数为3．5。模型试验结果表明软岩地质条件下浅埋隧道锚具有较高的抗拉拔承载能力,证明此设计方案是可行的。     

隧道锚抗拔作用机理的室内模型试验

通过室内模型试验对隧道锚的抗拔作用机理和承载能力进行了研究,设计加工了隧道锚室内模型装置,通过多种配比材料的强度和变形试验确定了用于模拟隧道锚区现场围岩的相似材料,采用多种监测手段进行了隧道锚拉拔荷载作用下地表和围岩内部的变形、应变和应力监测.结果表明:在拉拔荷载的作用下,锚塞体顶部靠近地表的岩体先进入拉破坏,随着锚塞体的传力作用,锚塞体与围岩接触部位侧摩阻力逐渐达到极限,然后荷载逐渐传递到围岩内部,锚塞体附近围岩进入剪切破坏,个别部位为拉破坏,围岩破坏形态为从锚塞体底部向上发散的倒锥型破坏面.隧道锚承载能力由两部分组成:1锚塞体和围岩接触面的极限摩阻力;2围岩剪切-拉破坏的极限阻力,即夹持效应.50倍设计缆力下围岩处于弹性阶段,这表明目前的隧道锚设计是偏于保守的,存在进一步优化的空间.     

坝陵河悬索桥西岸隧道式锚碇及其边坡的岩体工程地质力学研究

以坝陵河悬索桥为例,鉴于锚碇式受到地形、地质条件的限制,在施工图设计阶段,进行坝陵河悬索桥西岸隧道式锚碇及其边坡的岩体工程地质力学研究.包括:锚碇围岩工程地质条件、锚碇围岩工程力学特性、锚碇围岩渗透及抗溶蚀特性等方面.     

玄武岩纤维锚杆加固岩体的夹持效应

新型锚杆与新型锚固体系研究在边坡锚杆支护手段优化中有广阔前景。通过玄武岩纤维复合筋材替代传统钢锚杆,将隧道锚夹持效应进行拓展,提出交叉式布置玄武岩纤维锚杆锚固体系,推导交叉式锚杆锚固体系界面荷载的控制方程,并对该结构的加固岩体的加固效果进行有限元分析。结果表明：交叉式锚杆中部受到夹持效应影响,锚-岩界面应力达到峰值,带动周围岩体共同承受拉拔荷载。荷载响应初期锚杆夹持效应并不明显,当锚杆进入非线性位移阶段时,交叉式锚固体系的夹持效应发挥作用,使得该阶段锚固体系的承载能力相较于传统平行锚固体系大幅度提升。交叉式锚杆锚固角对该锚固体系的极限承载能力有较大影响,在工程设计时应进行优化分析确定优势锚固角。     

深埋隧道围岩滑移面验证及稳定性分析

为了采用安全系数分析深埋圆形盾构隧道稳定性,以隧道围岩弹塑性区域的应力分布为基础,采用变分方法验证围岩滑移面的分布形态.将围岩简化为理想弹塑性材料,结合弹塑性区域应变分布获得围岩极限塑性半径.基于Mohr-Coulomb准则,选取隧道安全系数为极限塑性半径内沿隧道滑移面围岩的抗剪强度与剪切力之比,获得以安全系数为隧道稳定性指标的分析方法.通过算例分析得出极限应变与屈服应变比值、围岩力学参数和支护参数与隧道相对塑性半径和安全系数的关系.研究结果表明:增加围岩内聚力、内摩擦角及支护压力能有效抑制隧道塑性区半径发展与提高隧道安全系数;围岩变形协调能力越好,整体越稳定.     

锚碇沉井基础稳定性的规范算法与有限元方法的对比

锚碇基础的稳定性在悬索桥建设中占有至关重要的地位。通过规范的相应公式计算了某锚碇沉井基础的抗滑、抗倾覆稳定性安全系数;通过Midas/GTS软件建立了锚碇沉井基础的三维非线性有限元计算模型,并基于有限元分析结果建立了相应的抗滑、抗倾覆稳定安全系数的计算公式,对该锚碇沉井基础的抗滑、抗倾覆稳定安全系数进行了计算。通过对比分析,指出了目前规范计算中存在的缺陷。     

贵州坝陵河大桥西锚碇区围岩稳定性分析

运用岩体质量评价、现场模型试验、极限平衡法和FLAC3D数值仿真试验多种方法结合,对贵州坝陵河大桥西锚碇区围岩稳定性进行了研究.岩体质量评价表明,锚碇区岩体较破碎、质量差;现场模型试验发现,过大的位移将导致结构不能正常使用,锚体后锚面圆拱顶点、矩形底边中点及其6 m范围内的围岩变形较大.运用极限平衡法对边坡8种可能的破坏位置进行验算表明,边坡基本稳定,最危险滑动面发生在基坑上部的强风化、弱风化带岩体中.FLAC3D数值试验表明,围岩可能发生拉剪破坏,破损区集中在锚塞体后部右上角等5个部位,锚碇上部岩体水平位移大,位移等高线近半椭圆形扩散.设计和施工过程中,应对塑性区及显著变形区内的岩体重点加固.     

全长黏结岩石抗浮锚杆承载性能现场试验

抗浮锚杆具有地层适应能力强、锚固力高、造价低、工期短等优点,具有广阔的工程应用前景.开展了4组13根岩石抗浮锚杆的极限抗拔承载试验,在1根试验锚杆上安装光纤光栅应变传感器进行应力测试,所有试验锚杆均加载至极限破坏状态,从荷载-锚固体顶面位移曲线、锚筋轴力分布、锚筋剪应力分布规律及界面黏结强度等方面进行了分析.结果表明,抗浮锚杆主要出现锚筋-锚固体界面剪切滑移破坏、锚固体-周围岩体界面剪切滑移破坏及锚筋拔断3种破坏形态.试验条件下,黏结长度为2.0 m的抗浮锚杆其极限抗拔承载力为240 kN,黏结长度不小于3.0 m的抗浮锚杆其极限抗拔承载力不低于320 kN,承载力高、变形小,能够满足抗浮要求.锚筋轴力自上而下逐渐衰减,锚筋在距锚固体顶面3.0 m以下范围内不受力,建议中风化花岗岩中抗浮锚杆的黏结长度设计值取3.5～4.0 m.锚筋剪应力沿深度呈先增大后减小的趋势,在距锚固体顶面0.45 m的位置达到峰值,约为2.7 MPa.锚筋-锚固体界面平均黏结强度为1.14～1.36 MPa,锚固体-岩土体界面平均黏结强度为0.28～0.37 MPa.     

基桩嵌岩段抗拔承载特性现场试验研究

通过现场试验研究了砂岩层中基桩的抗拔承载特性,分析了基桩嵌岩段的破坏机理,提出了嵌岩桩极限抗拔承载力的预测公式,将计算结果与试验值和规范计算值进行了比较。研究结果表明:嵌岩桩的上拔荷载-桩顶位移曲线均为陡变型,增加桩长可以有效地增加承载力,但对桩顶位移的影响有限。试验得到桩岩相对位移为20～25 mm,中风化砂岩层侧阻力达到极限,极限抗拔侧阻力为925.4～961.3 kPa。当桩身强度高于桩周岩体时,基桩的抗拔承载力由桩周岩体的抗剪切强度提供,桩的极限侧阻力可以等效为桩周岩体的抗剪切强度。现行规范的计算值偏于保守,与本文试验值的比值为0.18～0.39。     

考虑岩体损伤和注浆加固效应的单元稳定性

为了研究注浆对节理岩体损伤的加固效应,从微观角度出发,引入岩体修复因子的概念,构建考虑岩体损伤和注浆加固效应的单元安全系数,以判断岩体的稳定性;然后,利用FLAC3D软件建立数值计算模型,采用FISH语言二次开发单元安全系数程序,得到隧道开挖后围岩不同部位的单元安全系数,将其与FLAC3D软件所得的的塑性区分布进行对比.研究结果表明:单元安全系数Fs≤1的区域与FLAC3D计算得到的塑性区分布范围一致,验证了所推导的单元安全系数计算公式以及自编程序的正确性.     

大型隧道锚施工优化及其稳定性分析

针对隧道锚的施工及支护优化问题,根据坝陵河大桥西锚碇隧道锚工程地质条件、工程设计资料、施工方案以及现场试验监测资料等基础资料,进行了位移反分析;通过对隧道锚施工开挖的仿真分析,综合研究了开挖进尺、施工顺序、锚杆预应力水平等因素对隧道锚围岩开挖变形特征和塑性区分布的影响,从而提出了合理的施工开挖方案以及支护措施,并应用于实际工程施工过程中,结合监测成果评价了隧道锚围岩变形稳定性.此项研究可为同类工程提供参考.     

高应力岩石局部化变形与隧道围岩灾变破坏过程

为了研究深埋隧道围岩变形局部化与渐进破坏现象,运用FLAC3D三维显式有限差分法分析软件,基于摩尔-库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型,采用大变形的计算方法,研究了岩石试件在单轴压缩状态下局部化现象启动、发展直至试件最终破坏的全过程,进一步结合隧道物理模型试验,探讨了高应力条件下隧道围岩变形局部化与渐进破坏的关系,发现岩石材料表现出的软化性状与剪切带形成的结构软化有着密切的联系,从围岩屈服区和软化带的分布规律找到高地应力隧道围岩渐进破坏的突破口,并指出岩体单元的弹性变形和单元屈服后岩体的塑性挤出是隧道开挖后收敛变形的主要原因.     

喷锚初期支护——围岩稳定性强度折减有限元分析(英文)

岩石隧道施工阶段具喷锚初期支护的围岩稳定性评价对隧道施工安全是非常重要的。根据一施工中的岩石隧道Ⅳ级围岩地段地质条件为基础,选用ABAQUS程序双曲线型D-P材料模型为岩土体破坏准则,建立了考虑喷射混凝土与岩体之间,锚杆与岩体之间相互作用的3-D有限元计算模型,以此模型利用强度折减技术研究了具锚喷初期支护的围岩稳定性安全系数。分析表明采用所提出的极限状态确定具喷锚支护的围岩稳定性安全系数是合理的。     

基于Hoek-Brown的双向不等压隧道支护估算及工程应用

现行隧道塑性区分析中常基于轴对称荷载建立分析模型,忽略侧压力带来的影响。增加了对围岩侧压力的考虑,基于Hoek-Brown准则推导了双向不等压圆形隧道的塑性半径及应力计算式。依托滇中引水工程板凳山隧洞的监测数据,结合滑移剪切模型对隧道的极限位移和极限支护应力进行计算。结果表明:在确定围岩材料参数的条件下,塑性边界上的径向应力为恒值;环向应力在θ为0～30°范围内与侧压力成正比,在θ为30°～90°范围内与侧压力成反比,当θ取30°时环向应力为最大值,最终形成蝴蝶状的曲线。隧洞塑性区范围随着侧压力系数的降低呈现出上下端部小,中间部分大的椭圆形,在λ<0.38后,塑性区不再是可完整包裹开挖截面的椭圆形。基于滑移剪切模型对隧洞极限位移和极限支护应力进行计算,完善具有滇中红层特性的隧洞支护特征曲线。根据以上的计算结果对支护方案进行修正,并通过监测结果验证了方案的合理性。     

大跨径悬索桥隧道锚承载力分析

基于实测综合确定的岩体参数,用三维弹塑性有限元法对包括下部公路隧道施工、隧道锚开挖、浇注、预应力施加、挂缆等全部工序进行了模拟分析．围岩和锚体混凝土离散为8节点三维实体单元,隧道和锚碇的喷射混凝土及二次衬砌离散为4节点三维壳单元．用读入初始应力法建立复杂构形的初始应力场,围岩开挖应力的释放用场变量相关折减弹性模量法模拟,用单元的激活和移除模拟锚体灌注和岩体的开挖．结果表明,设计缆力时,围岩基本处于弹性状态;数值超载时,围岩承载力约为7倍设计缆力,可能的破坏模式是两锚体向外侧歪斜拔出;剪应力最大值均出现在距后锚面约10m处;对现有锚一隧问来源,锚体破坏对下部公路隧道也无显著影响,两结构施工过程和运营阶段均能满足设计承载要求．     

深埋隧道围岩应变软化模型参数的正交设计

研究高应力环境下岩体单元塑性软化变形对深埋隧道围岩位移的影响规律,采用基于莫尔库仑与拉破坏复合破坏准则的应变软化模型对深埋隧道的开挖卸荷进行数值仿真,按照正交实验方法设计计算方案。根据计算结果,得出应变软化模型力学参数对围岩水平收敛位移影响程度的大小,建立围岩水平收敛位移与应变软化模型力学参数之间的经验公式,为深埋隧道围岩的稳定性分析提供了理论依据,对实际工程施工也有重要的参考价值。     

某拱坝结构非线性有限元稳定性分析

为分析拱坝坝体与坝肩稳定性,通过建立三维非线性有限元计算模型,计算了基本荷载组合、特殊荷载组合两种工况下拱坝的位移和应力.依据数值计算结果,绘制了位移等及应力等值线,采用有限元分析法分析了坝体应力结果,并从超载安全系数法和点强度储备安全系数法两个角度探讨了坝肩岩体的稳定性,结果表明：1）拱坝的最大位移发生在顺流方向,最大位移值为8.95 mm;2）正常蓄水水位和校核洪水水位时坝体的最大拉、压应力均满足容许应力要求;3）坝肩岩体的安全系数为3.8,满足安全要求.     

全长黏结GFRP抗浮锚杆拉拔特性分析

通过非线性有限元软件ABAQUS中的Cohesive黏结单元模拟锚杆杆体-灌浆体界面、灌浆体-周围岩体界面之间的接触,建立玻璃纤维增强聚合物(GFRP)抗浮锚杆杆体-基岩的轴对称数值计算模型,探究全长黏结GFRP抗浮锚杆的拉拔特征和变形规律。研究结果表明:本文建立的有限元模型能够较好地反映GFRP抗浮锚杆的荷载-位移关系、轴应力及剪应力沿锚固深度的分布规律。随着拉拔荷载的增加,灌浆体的应力逐渐增大并沿锚固深度向下传递,灌浆体应力的影响范围也逐渐扩大;周围岩体的应力持续增大,GFRP抗浮锚杆对周围岩体的横向作用范围也相应增大。锚筋弹性模量越小,轴应力与剪应力传递深度越浅;GFRP锚杆轴应力的衰减速率比钢筋抗浮锚杆的衰减速率快。随着GFRP抗浮锚杆的锚固长度的增加,轴应力衰减速率加快,轴应力传递深度减小,剪应力峰值点与地表的距离增大,剪应力峰值和传递深度变小。