隧道锚抗拔力计算

隧道锚抗拔机理及勘察设计问题研究长江水利委员会长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室2016年4月云南腾冲报告人：张奇华岩土是个专业，属于不同行业：水利水电，交通，矿山，市政等。因此是个辅助行业。当它重要的时候非常重要，一旦基础稳定没问题，又不被关心。岩土特点：（1）因地质复杂性和不确定性，分析、计算不清，无法准确定量；（2）保守；（3）错误的分析给出的加固、处理措施也能保证稳定；（4）优化不是一米两米，要么选择更好的结构形式，要么大幅度优化；（5）只有真正的疑难杂症，才显功夫。长江科学院是水利部四大公益性研究基地之一，拥有很强的技术实力。在三峡、南水北调、西部水电大开发等项目中获得一致肯定。从事过边坡、隧道、坝基等方面的岩土试验、科研、计算分析、监测和工程处理等工作。下面只介绍在隧道锚机理和勘察设计方面的一些认识。隧道锚机理研究意义：与重力锚相比，悬索桥锚碇中的隧道锚对于避免大规模开挖、节约投资、保护自然环境等方面具有重要意义。西部交通建设中，一些桥梁必须满足大跨度的要求，悬索桥设计施工技术在西部地区将具有十分广阔的应用前景。由于研究深度不够和工程经验不足，《悬索桥设计规范》中，对隧道锚抗拔力计算、勘察技术要求等没有进行规定。隧道锚围岩在主缆拉拔作用下的变形、荷载传递及破坏模式的认识还很不清楚，制约了对锚碇围岩工作性状和承载能力的认识，阻碍了隧道锚稳定设计计算方法的发展，限制了隧道锚在西部山区交通建设中的广泛使用。技术相对空白隧道锚设计现状：设计模式1：将锚塞体连同上覆岩体孤立起来，并将锚塞体及锚塞体垂直投影上方的岩体看作如同重力锚碇，采用重力锚抗滑稳定计算模式计算隧道锚碇抗拔稳定系数。悬索桥设计规范中，没有给出隧道锚抗拔稳定计算公式设计模式2：认为锚体和围岩之间会发生剪切破坏，验算锚体与围岩之间的抗剪强度和稳定系数，而实际上由于夹持效应的存在，不可能出现这种失稳模式这两种模式均没有考虑到锚碇--围岩的实际受力特点，忽视了夹持效应，明显低估了隧道锚抗拔能力。长江水利委员会长江科学院在重庆鹅公岩大桥、四渡河大桥、普立特大桥、岱山官山大桥、重庆几江大桥、伍家岗大桥、金沙江金东大桥等进行了隧道锚现场模型试验和室内模型试验，获得了重要的认识成果。基于大量的试验成果资料，提出了隧道锚抗拔力设计计算模式。结合工程地质勘察的特点，借鉴水利水电工程经验、初步形成了隧道锚碇区工程地质勘察技术要求。报告提纲：1.隧道锚抗拔机理及抗拔力计算2.锚碇区勘察技术要求1、隧道锚抗拔作用机理的模型试验研究开展室内地质力学模型试验、现场缩尺模型试验，对试验过程产生的荷载传递、变形特征、围岩破坏过程和破坏面形态进行跟踪监测和分析。工作内容：2、围岩变形破坏模式的力学解析与数值模拟对围岩在拉拔作用下的变形、荷载传递及破坏模式等岩石力学问题进行研究，揭示锚碇围岩抗拔作用机理。3、隧道锚稳定设计计算原理与规范修订对规范中的隧道锚抗拔安全系数和锚固段围岩抗剪计算公式的合理性进行论证，提出隧道锚抗拔稳定有关的设计计算公式，为规范修订提供技术支撑。1.隧道锚模型试验及抗拔力计算模式四渡河大桥：隧道锚现场拉拔试验1.1隧道锚抗拔机理模型试验官山大桥隧道锚现场模型试验岱山官山大桥：1：10缩尺模型试验千斤顶安装多点位移计安装安装效果图仪器设备调试重庆几江大桥:加载系统安装隧道锚整体模型表面变形测量系统宜昌伍家岗大桥隧道锚室内地质力学模型试验相似材料研制锚塞体预制锚塞体吊装定位与内部量测系统布设宜昌伍家岗大桥隧道锚室内地质力学模型试验隧道锚1：11相似模型试验6553445132424364钢筋混凝土后座千斤顶试验锚体，钢筋混凝土，与实体锚混凝土标号相同（C40），壁上喷射混凝土标号C30厚度5cm，前锚室91反力钢板1反力钢板2圆心连线千斤顶合力线千斤顶1321321左2左3左8左4左6左7左52435左1金沙江金东大桥：松动及回填区4#支洞千斤顶传立柱钢垫板锚塞体3#支洞砼后座1.示意图2.照片图5.1双城门洞形锚塞体现场模型试验加载设备安装图双锚现场模型试验加载安装图普立特大桥：加载及测量系统模型制作右前锚面左前锚面L15L1L5L6L9L2L7L8L3L4L14L17L10L11L12L13L16L18L25L24L23L22L21L30L31L29L28L27L26L32L33L19L20双城门洞形模型前端面地质素描图右后锚面左后锚面L2L1L4L3L5L9L10L12L11L7L8L13L14L6双城门洞形现场模型后端面地质素描图岩体裂隙素描K9QZ1QR1QR2K1K2K3K4QR4QR3右前锚面QR5QR6K7QL1QL3左前锚面QL6QL5QL2K8QL4K5K6HL2HL1HLB3HLB1HLB4HLB2HRB3HRB1HRB4HRB2HR2HR1HZ左后锚面右后锚面CFH1CFH23030522626523030QZ2L5CFQ1L3L219.32652.523.83025491017.517.51049157.522.528.5202517.527.5L6CFQ225.7191045.4锚碇前后表面千分表、多点位移计与裂缝计安装情况锚体内部应变计安装测试仪器安装布置变形规律采用岩体内部变形与表面变形监测相结合，位移监测与应变监测相结合，岩体监测与锚塞体监测相结合的原则，测得各级荷载作用下，岩体和锚塞体受力变形情况。松动及回填区10#支洞砼后座千斤顶传立柱钢垫板圆柱锚塞体9#支洞1.示意图2.照片图5.3圆柱形锚塞试体极限荷载试验加载设备安装图松动及回填区10#支洞砼后座圆台锚塞体9#支洞千斤顶传立柱钢垫板钢垫板1.示意图2.照片图5.4圆台形锚塞试体极限荷载试验加载设备安装图夹持效应对比试验圆柱锚塞体模型试验变形特征圆台锚塞体模型试验变形特征圆台锚塞体前端面围岩破坏后照片L1L2L3L4L5L6L7L8L9L11L16L17L20L10圆台前锚面岩石破坏区破坏裂隙围岩破坏特征：1.隧道锚在围岩夹持效应作用下，抗拔力非常大。远远大于混凝土与岩体接触面的抗剪强度，也远远大于隧道锚上覆岩体重量提供的抗拔力。试验认识：3.设计上对围岩夹持效应引起的巨大承载能力的忽视和运用上的浪费，其直接后果之一是造成隧道锚设计上的保守，从而将锚碇体型设计得很大；更严重的是，在岩体条件稍差的情况下，宁愿舍弃隧道锚而采用重力锚。2.设计分析中，多采用的是二维剖面进行抗拔力计算。然而，实际锚碇系统的抗拔作用是三维的，并且接近于旋转对称问题，二维分析时无法考虑到夹持效应及三维效应，并常常严重低估了抗拔力1.2数值模拟与抗拔作用分析渐进破坏过程及破坏面形态：极限荷载作用下逐渐增大荷载时的围岩剪切塑性应变增量第9级荷载下外加荷载作用在锚体后部并通过倒楔形的锚塞体向围岩扩散，导致较大范围的围岩参与抗拔作用。在很大荷载作用下，围岩发生拉剪破坏，拉剪破坏面从锚碇后端面与围岩接触处开始发生，呈圆台面状向前部渐进扩展，以避开锚体附近围岩因附加应力引起的压剪应力区。破坏面上的应力分布：不同荷载作用下破坏面上的剪应力分布00.20.40.60.811.21.400.511.522.53锚体长度/m剪应力/MPa上母线第1级第3级第5级第7级第9级第11级00.20.40.60.811.21.400.511.522.53锚体长度/m剪应力/MPa下母线第1级第3级第5级第7级第9级第11级1.2数值模拟与抗拔作用分析不同荷载作用下破坏面上的剪应力分布00.20.40.60.811.21.400.511.522.53锚体长度/m剪应力/MPa左母线第1级第3级第5级第7级第9级第11级00.20.40.60.811.21.400.511.522.53锚体长度/m剪应力/MPa右母线第1级第3级第5级第7级第9级第11级1.2数值模拟与抗拔作用分析破坏面上的应力分布：破坏面上的剪应力和正应力分布极不均匀。随着外加荷载的增大，应力分布发生复杂变化。剪应力呈现不均匀增大，正应力由压应力转换为拉应力且不均匀增大。一些公开文献中，采用力系平衡法，并通过主动（被动）土压力系数计算某点的应力状态，其实质是没有认识到破坏面上的剪应力和正应力分布的复杂性，得出的计算模式是有明显缺陷的。1.2数值模拟与抗拔作用分析破坏面上的应力分布特点：抗拔力计算模式：NL锚体围岩TβPγαDd破坏面破坏面W1W2W2NNTTNNTT破坏面hsnNtSdsTtSdN，T计算式为：抗拔力为：)sin()cos(sin)(21NTWWP1.2数值模拟与抗拔作用分析抗拔力计算模式的特点：（1）分析是三维的；（2）破坏面上的剪切力和正应力计算是问题的核心。随着荷载的增大，剪切力和正应力逐渐增大，分布特征复杂，需要通过数值模拟获得，无法直接根据力系平衡得到；（3）破坏面形态和扩展角的确定，有赖于试验和数值模拟结果。1.2数值模拟与抗拔作用分析需要更多的工程实践检验希望有机会参与隧道锚有关规范编写报告提纲：1.隧道锚抗拔机理及抗拔力计算2.锚碇区勘察技术要求2.隧道锚碇区工程岩体勘察技术隧道锚碇区勘察重点：查明地质缺陷：岩溶、结构面等地质发育情况，是详勘及施工期地质工作的核心。加大前期勘察投入，重视勘察深度和成果质量，才能有效地规避施工开挖可能存在的较大地质缺陷，及其引起的施工难度增大，投资增加及工程稳定安全性降低的风险。总体要求：沿着隧道锚轴线开挖勘探斜洞是非常有效的勘察措施。在勘探洞内可以进行岩体工程地质编录、现场岩石力学试验、模型试验、物探测试及边坡风化卸荷带划分等工作。尽管洞探比钻探造价高一些，但综合性勘察作用是钻探远远无法比拟的。2.隧道锚碇区工程岩体勘察技术（1）沿着隧道锚轴线方向开挖勘探斜硐，调查节理裂隙构造发育规律、山体卸荷带的范围、岩溶等地质缺陷及发育规律。（2）综合采用声波、地质雷达、浅层地震、钻孔录像等方法进行综合探测，了解锚碇区及其它部位的岩溶发育规律和规模、定量划分岩体风化卸荷带范围。（3）通过特殊的地质勘探工作和地表地质调查，进行工程岩体质量分级，建立接近实际的地质概化模型。（4）必要的现场岩石力学试验。综合措施：02468101214152331394755637179桩号裂隙条数强卸荷带弱卸荷带正常岩体010020030040050060070080090013.314.114.515.415.816.418.219.820.9222323.624.930.732.635.335.737.739.641.343.646.150.5545760.663.367.874.879.379.3桩号裂隙张开宽度（mm）强卸荷带弱卸荷带正常岩体普立特大桥勘探斜洞裂隙统计与卸荷带划分岩溶发育规律综合分析岩溶发育规律综合分析岩溶发育规律综合分析1660168017001720174017601780180018201840K11+000K11+200K11+400K11+600K11+800K12+000K12+200K12+400桩号高程（m）顶板底板普立岸宣威岸142623隧道锚引桥主塔引桥重力锚310144326%8%11%39%28%8%01020304050≤1010-2020-3030-4040-5050-6060深度(m)溶洞个数/百分比溶洞个数百分比不同建筑物围岩溶洞发育情况溶洞发育与深度的关系地震波测试岩体波速V～L洞深关系曲线勘探洞主洞底板岩溶地质雷达探测剖面图勘探洞洞壁岩体工程物探8#支洞3#支洞1#支洞2#支洞10#支洞5#支洞9#支洞4#支洞12#支洞7#支洞6#支洞11#支洞试验支洞编录图强卸荷带弱卸荷带8#支洞10#支洞12#支洞东壁西壁01234560123456Ⅳ类围岩Ⅳ类+Ⅲ类围岩Ⅲ类围岩普立斜洞等密图,玫瑰图及倾角直方图WENS西壁1、地层岩性：0-13.2m,为第四系残坡积碎石土棕红色-红褐色，碎石为白色-灰白色灰岩，粒径0.5-2cm之间，次棱-棱角状，碎石含量约占60%，基质土为粉质粘土，胶结较差，手掰即断。207m/s-1