论文部分内容阅读
近年来，山区拱桥、悬索桥修建的越来越多，而承担桥梁施工或运营荷载的岩锚锚碇基本处于经验设计状态，极大地增加了桥梁的建设成本和安全风险。
本文以依托项目新建南广铁路西江特大桥工程的岩锚锚碇设计为研究背景，采用理论分析与数值模拟方法，并结合现场拉锚实验与锚索监测验证，针对单锚承载力、锚索长度(锚固段长度和自由段长度)、锚索安全系数、群锚间距、外荷载取值、锚碇围岩及边坡稳定性分析等岩锚锚碇的主要设计内容展开深入研究，首次提出了基于锚固力实际分布形态的预应力岩锚设计方法。
本文的主要研究工作与结论如下：
(1)岩锚工程依功用可划分为岩锚加固体系和岩锚承载体系两类。岩锚加固体系中的锚索通过施加预应力来加固岩体；岩锚承载体系中的锚索植于岩体中，经预应力张拉锁定后，还要承担来自外部构筑物的拉拔荷载，岩锚锚碇是该体系的典型结构。
(2)基于预应力锚索的传力机理，综合无限大空间体内作用一集中力的Kelvin解和半无限空间表面作用一集中力的Boussinesq解，建立了预应力锚索作用的弹性力学模型，推导出锚固段剪应力呈指数形式分布，剪应力作用在锚固段局部范围内，在锚固端达到最大值。影响剪应力分布的主要因素为：岩体的弹性模量与泊松比、锚索筋体的弹模、锚孔半径、预应力张拉值及锚索的埋置深度；应用FLAC3D分析了影响剪应力分布的主要因素，并与弹性理论解进行了对比验证。
(3)根据锚固段剪应力的分布规律，将锚固段划分为有效锚固长度和增效锚固长度两部分，提出了有效锚固长度的计算公式。有效锚固长度与锚索预应力张拉值的大小无关，岩体变形模量越大、锚索埋置越深，锚索的有效锚固长度越短。增效锚固长度具有协调锚索与围岩变形一致的重要作用，建议增效锚固长度的取值随岩体弹性模量的增大而增大。
(4)注浆体与围岩体的界面粘结是锚固段传力的薄弱环节，其粘结力的大小限制了预应力锚索的承载力，据此并结合剪应力的分布形态提出了预应力锚索承载力的计算公式；考虑到实际工程中不确定因素影响，为锚索锚固段粘结破坏及自由段筋体屈服留有足够的安全空间，对锚索设置了粘结和筋体抗拉双重安全系数，给出了锚固段粘结安全系数的计算公式。
(5)研究了预应力锚索作用下的围岩应力场及位移场分布情况。群锚施加预应力后，在表层岩体中形成压应力带，在锚固端的围岩中形成拉应力带，自由端围岩位移约为锚固端围岩位移的2倍。锚索所承担的外荷载与预应力张拉值相等时表层岩体的位移最小，所以对地层和被锚固结构位移控制要求较高的工程，外荷载与预应力的最佳比值为1：1。
(6)从相邻锚索间位移场的相互影响出发，推导了群锚效应作用下单个锚索锚固段的剪应力分布表达式；群锚中的单个锚索的剪应力较相同条件下的独立单根锚索有所减小，周边锚索数量越多、群锚间距越小，剪应力减小的程度越大；进而提出了群锚效应系数的概念，将群锚效应的影响由定性分析上升到定量评价。同时结合数值试验，重点研究了锚索间距对围岩应力场、位移场和群锚抗拔力的影响，肯定了群锚的增效效应，并提出岩锚加固体系的锚索间距宜小于5m，岩锚承载体系的锚索最佳间距为2m～4m。
(7)通过对锚索拔出时围岩破坏形态的研究，假设岩锚锚碇的围岩体呈倒圆锥台型极限破坏模式，并利用极限平衡方法，提出了岩锚围岩稳定性分析方法。
(8)基于理论研究，提出了岩锚锚碇主要设计参数的确定方法及设计流程，并将其应用于工程实例中。实践表明，本文的研究成果具有较好的工程实用价值。