CN105625174A - 一种悬索桥隧道式锚碇承载力的评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种于悬索桥隧道式锚碇承载力的评估方法，步骤：(1)获取围岩物理力学参数；(2)初拟隧道锚设计参数；(3)按等体积等高原则将隧道锚换算成等效力学模型，计算其自重和侧面摩阻力；(4)确定楔形效应系数Ω₁、Ω₂；(5)计算等效模型抗拔承载力P₁、P₂；(6)计算长度为(L+L₀)的隧道锚设计荷载P_SL和极限上拔荷载P_JL，(7)重复步骤(3)-(6)得到长度L₀(埋深)的隧道锚设计和极限上拔荷载得到实际隧道锚设计上拔荷载P_S和极限上拔荷载P_J。该方法揭示了隧道锚承载力大增的力学机理，操作简便、快速、准确，满足工程设计与应用对于计算方法简洁实用的要求，进一步促进了隧道锚在工程实践中的推广与应用。

Description

一种悬索桥隧道式锚碇承载力的评估方法

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，更具体涉及一种于悬索桥隧道式锚碇承载力的评估方法，它适用于悬索桥在不同类别围岩条件下，采用楔形效应系数计算隧道锚在两种破坏模式下的抗拔承载力，对隧道锚在一定地质条件下的承载安全性进行评估。

背景技术

随着我国经济的发展，悬索桥在工程建设中的应用越来越多，对生态环境的影响范围也越来越广。在保护好自然环境的前提下发展经济已成为当前改善我国生态环境的重要举措。从工程应用来说，隧道式锚碇有两大优点：当承载能力相同时，隧道锚的造价约是重力锚的一半；开挖量小，对环境扰动小。如美国的华盛顿桥，其新泽西岸隧道锚与纽约岸重力锚混凝土用量比为1∶4.18。隧道式锚碇与重力式锚碇不同，它系通过在岩体中开挖楔形体状硐室后在其内浇注混凝土形成锚碇，而锚碇在主缆力作用下与围岩紧密贴合后可借助其自身外形特征调动一定范围内的围岩共同工作，从而形成强大的锚固反力。虽然有模型试验、数值方法等各种手段方法可以对隧道锚进行承载力评估，并进行了广泛的讨论和思考，但更多的仍属个案，缺乏普遍性的理论指导作用。当前，用于隧道锚承载力评估更多的是依靠经验或简单的工程类比，除学者朱玉依据锚杆摩阻力分布规律提出了隧道锚长度估算公式外，总体而言尚无量化的评价方法和手段。事实上，量化分析对于隧道锚承载力的各个影响因素而言具有一定的难度，原因有二：一是不同的围岩地质条件存在巨大差异，如围岩不同等级的差异、施工造成的围岩劣化等因素，导致隧道锚承载力不具有可比性；二是即使在同一地质条件下，但不同指标的数据却存在数量级的差异，如软弱结构面和卸荷裂隙等相比整体围岩而言其粘聚力和内摩擦角通常相差几倍、十几倍或几十倍，同样导致数据的不可比性。在实际应用中，过分依赖于模型实验结果和仿真分析往往会产生误导性的结论，因为隧道锚承载力是受多因子综合作用的结果。因此，采用楔形效应系数计算隧道锚摩阻力，将不同等级围岩和不同锚碇设计尺寸条件下的隧道锚进行承载力比较，就可以对各项指标和各组数据进行对比和综合评价，从而为合理设计与优化设计提供了可能。

经中国专利网与相关论文网站检索，目前尚无有关隧道锚承载力计算的量化评估方法的专利，对于悬索桥的设计，我国专门编制有公路悬索桥设计规范，其它国家只有总体的桥梁规范。但我国悬索桥设计规范仅给出“对隧道锚应进行空间结构受力分析，验算混凝土及洞壁的强度及锚塞体的抗拔力”的原则，对具体的方案未给出指导意见。就锚碇设计而言，由于锚杆抗拔的工作原理与隧道锚有相似之处，朱玉等经过研究类比锚杆抗拔试验，并且结合锚塞体周围岩体剪应力的分步规律，推荐出了一个锚碇设计长度近似估算公式。其它国家规范，如美国的AASHO规范根本无相关条文。可见，目前隧道锚的设计尚未形成体系，科研成果未能推广应用。因此，建立一种快速、简便、准确的评估方法就显得尤为迫切。

发明内容

针对当前隧道锚在工程设计中无规范可依、无计算方法可用或模型试验难度大、周期长等技术难点，本发明的目的是在于提供了一种于悬索桥隧道式锚碇承载力的评估方法，悬索桥在不同类别围岩条件下，对隧道锚设计承载力进行评估和对工程设计进行优化计算，改善了目前隧道锚设计方法单一、保守的现状，促进了隧道锚在工程实践中的广泛推广与应用。

为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：

一种于悬索桥隧道式锚碇承载力的评估方法，其步骤是：

(1)获取围岩物理力学参数：

根据隧道锚设计选取的地理位置，由实际地质条件确定围岩的物理力学参数，所述的围岩物理力学参数至少包括：围岩粘聚力c、围岩内摩擦角围岩与混凝土的摩擦系数f、围岩侧压力系数k，其中：

(2)初拟隧道锚设计参数：

根据工程类比初步确定隧道锚设计参数，具体包括：隧道锚入射角β、隧道锚长度L、隧道锚埋深L₀、锚碇底角α及前后断面尺寸；

(3)隧道锚的等效力学模型计算：

将隧道锚受力模型的两种破坏模式分别简化为：围岩内挤压破坏和岩锚界面摩擦破坏；将隧道锚投影到铅垂方向并按同高等体积原则换算成圆柱体，得到等效力学模型，其中投影到铅垂方向的变截面体为转换模型，换算后的圆柱体为对比力学模型；根据前后断面尺寸，利用等面积原则换算得到前锚面半径r₁、后锚面半径r₂，根据锚碇底角α及隧道锚埋深L₀利用等面积原则计算出埋深半径r₀，计算圆柱体的半径R和高度H：

公式1

H＝(L+L₀)sinβ公式2

然后按初拟隧道锚设计参数和围岩物理力学参数，计算此圆柱体自重和侧面摩阻力：

自重G为

G＝πR²Hγ₁公式3

摩阻力F为

公式4

其中：γ₁混凝土重度，γ₂岩土重度；

(4)变截面体的水平单元与圆柱体进行对比分析：

针对第一种破坏模式即岩锚界面破擦破坏，考虑摩擦系数和围岩侧压力系数因素的影响，得到其承载力增大系数即楔形效应系数Ω₁；针对第二种破坏模式即围岩内挤压破坏，采用摩尔-库伦定律分析圆柱体和变截面体的岩锚界面应力变化，并根据相切时的极限平衡条件得到楔形效应系数Ω₂；

依据围岩物理力学参数和隧道锚初拟隧道锚设计参数，确定对应两种破坏模式的楔形效应系数Ω₁、Ω₂，计算公式如下：

公式5

公式6

(5)基于楔形效应系数计算等效模型抗拔承载力P₁、P₂：

公式7

(6)考虑两种破坏模式下的安全系数n₁、n₂及入射角β，得到按长度(L+L₀)计算的隧道锚设计上拔荷载P_SL和极限上拔荷载P_JL，计算公式如下：

公式8

(7)令公式1中公式2中H＝L₀sinβ，重复步骤(3)～(6)，得到按长度L₀(埋深)计算的隧道锚设计上拔荷载和极限上拔荷载最终，实际隧道锚设计上拔荷载P_S和极限上拔荷载P_J计算公式如下：

公式9。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

本发明建立了一个快速、简单的计算方法应用于隧道锚承载力评估，与现有技术相比其有益效果是：

(1)通过楔形效应系数计算隧道锚承载力的方法可进行隧道锚承载力有效评估，进一步优化隧道锚结构尺寸设计，其力学原理清晰、计算简便，无需模型试验和数值仿真计算就可以直接判别，而传统模型试验和数值仿真方法一般过程复杂，时间难以掌握；

(2)评估效率高，公式计算可针对不同围岩级别和不同锚碇设计尺寸进行计算比较，而传统模型实验方法一般只能针对具体指标做有限的比较，数值计算建立模型后也只能针对一定地质条件下个案进行分析，不具普遍性的推广意义；

(3)从公式计算实例的评估结果来看，研究结论也与现有的相关研究结果基本上是一致的，但本方法就不同的围岩条件和锚碇尺寸计算均可进行比较，计算结果直接反映各影响因素对隧道锚承载力的影响规律，且直观和更为准确，为隧道锚的工程应用提供了更多的方法选择；

(4)本发明考虑在两种破坏模式条件下，以隧道锚的等效力学模型对比为基础得到其承载力增大系数即楔形效应系数，可广泛用悬索桥隧道锚工程的优化设计与承载力评估。

附图说明：

图1为隧道锚简化受力模型示意图。

图2为等截面到变截面的等效受力模型示意图。

图3为水平单元受力分析。

图4为极限状态时应力圆。

具体实施方式

下面结合湖北四渡河悬索桥的隧道锚实例对本发明方法做进一步的详细说明，目的在于使本领域技术人员对本发明方法有更详尽的理解和认识，以下实施例不应在任何程度上被理解为对本发明请求保护范围的限制。

实施例1：

一种于悬索桥隧道式锚碇承载力的评估方法，其步骤是：

(1)获取围岩物理力学参数：

根据邬爱清等所著文献《超大跨度悬索桥隧道锚承载特性的岩石力学综合研究》，确定计算中所需的围岩物理力学参数，包括：围岩粘聚力c、围岩内摩擦角围岩与混凝土的摩擦系数f、围岩侧压力系数

根据公式计算得到k＝0.23，f取最小值0.87,c取值0.79MPa。

(2)初拟隧道锚设计参数：

根据步骤(1)中文献资料确定隧道锚设计参数，具体包括：隧道锚入射角β、隧道锚长度L、隧道锚埋深L₀、锚碇底角α、及前后断面尺寸。

(3)隧道锚的等效力学模型计算：

如图1所示，将隧道锚受力模型的两种破坏模式分别简化为：围岩内挤压破坏和岩锚界面摩擦破坏；将隧道锚投影到铅垂方向并按同高等体积原则换算成圆柱体，得到等效力学模型(如图2所示)，图2中投影到铅垂方向的变截面体为转换模型，换算后的圆柱体为对比力学模型；根据上述断面尺寸，等面积(前后锚面半径r₁、r₂根据等面积原则换算成圆截面半径)换算出的前锚面半径r₁、后锚面半径r₂分别为5.72m、7.90m，隧道锚埋深L₀和锚碇底角α对应的半径r₀为2.22m；计算圆柱体的半径R和高度H：

根据公式1，计算得到R＝5.06m。

根据H＝(L+L₀)sinβ公式2，计算得到H＝34.41m。

然后按初拟隧道锚设计参数和围岩物理力学参数，计算此圆柱体自重和侧面摩阻力：

根据G＝πR²Hγ₁公式3，计算得到自重G＝69204KN；

根据公式4，计算得到摩阻力F＝95803KN；

其中：混凝土重度γ₁取值为25kN/m³，岩土重度γ₂取值为25kN/m³,

(4)如图3所示，取图2中变截面体的水平单元，将其与圆柱体进行对比分析：

针对第一种破坏模式即岩锚界面破擦破坏，考虑摩擦系数和围岩侧压力系数因素的影响，得到其承载力增大系数即楔形效应系数Ω₁；针对第二种破坏模式即围岩内挤压破坏，如图4所示采用摩尔-库伦定律分析圆柱体和变截面体的岩锚界面应力变化，并根据相切时的极限平衡条件得到楔形效应系数Ω₂；

依据围岩物理力学参数和隧道锚初拟隧道锚设计参数，确定对应两种破坏模式的楔形效应系数Ω₁、Ω₂，

根据公式5，计算得Ω₁＝1.80；

根据

公式6，其中h取其最大值与H数值相同，计算得到Ω₂＝64.4；

(5)基于楔形效应系数计算等效模型抗拔承载力P₁、P₂：

根据 <math><math display = 'block'> <mrow> <mfenced open = '' close = '}'> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>P</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <mi>G</mi> <mo>&amp;plus;</mo> <msub> <mrow> <mi>F</mi> <mi>&amp;Omega;</mi> </mrow> <mn>1</mn> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>P</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>=</mo> <mi>G</mi> <mo>&amp;plus;</mo> <msub> <mrow> <mi>F</mi> <mi>&amp;Omega;</mi> </mrow> <mn>2</mn> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mrow> </math> 公式7，计算等效模型抗拔承载力P₁＝241511KN，P₂＝6236107KN。

(6)根据公式8，计算按长度(L+L₀)计算的隧道锚设计上拔荷载P_SL和极限上拔荷载P_JL，取安全系数n₁＝2，n₂＝6：

P_SL＝210531KN，P_JL＝1812053KN

(7)令公式2中H＝L₀sinβ，计算得到H＝11.47m，L₀的圆柱体等效半径为3.97m，重复步骤(3)～(6)，得到按长度L₀(埋深)计算的隧道锚设计上拔荷载和极限上拔荷载

最终，根据公式9，计算得到考虑埋深的实际隧道锚设计上拔荷载P_S和极限上拔荷载P_J如下：

P_S＝210531-25473＝185058KN

P_J＝1812053-285508＝1526545K。

Claims (1)

1.一种于悬索桥隧道式锚碇承载力的评估方法，其步骤是：

(1)获取围岩物理力学参数：

根据隧道锚设计选取的地理位置，由实际地质条件确定围岩的物理力学参数，所述的围岩物理力学参数至少包括：围岩粘聚力c、围岩内摩擦角围岩与混凝土的摩擦系数f、围岩侧压力系数k，其中：

(2)初拟隧道锚设计参数：

根据工程类比初步确定隧道锚设计参数，具体包括：隧道锚入射角β、隧道锚长度L、隧道锚埋深L₀、锚碇底角α及前后断面尺寸；

(3)隧道锚的等效力学模型计算：

将隧道锚受力模型的两种破坏模式分别简化为：围岩内挤压破坏和岩锚界面摩擦破坏；将隧道锚投影到铅垂方向并按同高等体积原则换算成圆柱体，得到等效力学模型，其中投影到铅垂方向的变截面体为转换模型，换算后的圆柱体为对比力学模型；根据前后断面尺寸，利用等面积原则换算得到前锚面半径r₁、后锚面半径r₂，根据锚碇底角α及隧道锚埋深L₀利用等面积原则计算出埋深半径r₀，计算圆柱体的半径R和高度H：

$R=\frac{r_0+r_1}{2}$ 公式1

H＝(L+L₀)sinβ公式2

然后按初拟隧道锚设计参数和围岩物理力学参数，计算此圆柱体自重和侧面摩阻力：

自重G为

G＝πR²Hγ₁公式3

摩阻力F为

$F={\&Integral;}_0^{H}f\left({\mathrm{k\&gamma;}}_{2}h\right)\&CenterDot;2\mathrm{\&pi;}Rdh={\mathrm{fk\&gamma;}}_2{\mathrm{\&pi;RH}}^2$ 公式4

其中：γ₁混凝土重度，γ₂岩土重度；

(4)变截面体的水平单元与圆柱体进行对比分析：

针对第一种破坏模式即岩锚界面破擦破坏，考虑摩擦系数和围岩侧压力系数因素的影响，得到其承载力增大系数即楔形效应系数Ω₁；针对第二种破坏模式即围岩内挤压破坏，采用摩尔-库伦定律分析圆柱体和变截面体的岩锚界面应力变化，并根据相切时的极限平衡条件得到楔形效应系数Ω₂；

依据围岩物理力学参数和隧道锚初拟隧道锚设计参数，确定对应两种破坏模式的楔形效应系数Ω₁、Ω₂，计算公式如下：

${\mathrm{\&Omega;}}_1=\&lsqb;f(cos\mathrm{\&alpha;}+ksin\mathrm{\&alpha;})+\frac{1}{tan\mathrm{\&alpha;}}\&rsqb;/\left(fk\right)$ 公式5

公式6

(5)基于楔形效应系数计算等效模型抗拔承载力P₁、P₂：

$\left.\begin{array}{c}{P}_1=G+{\mathrm{F\&Omega;}}_1\\ P_2=G+{\mathrm{F\&Omega;}}_2\end{array}\right\}$ 公式7

(6)考虑两种破坏模式下的安全系数n₁、n₂及入射角β，得到按长度(L+L₀)计算的隧道锚设计上拔荷载P_SL和极限上拔荷载P_JL，计算公式如下：

$\left.\begin{array}{c}{P}_{SL}=P_1/\left(n_{1}sin\mathrm{\&beta;}\right)\\ P_{JL}=P_2/\left(n_{2}sin\mathrm{\&beta;}\right)\end{array}\right\}$ 公式8

(7)令公式1中公式2中H＝L₀sinβ，重复步骤(3)～(6)，得到按长度L₀(埋深)计算的隧道锚设计上拔荷载和极限上拔荷载最终，实际隧道锚设计上拔荷载P_S和极限上拔荷载P_J计算公式如下：

$\left.\begin{array}{c}{P}_S=P_{SL}-P_{{\mathrm{SL}}_0}\\ P_J=P_{JL}-P_{{\mathrm{JL}}_0}\end{array}\right\}$ 公式9。