软岩地区悬索桥隧道锚设计研究

研究目的:重庆几江长江大桥采用地锚式悬索桥,北岸隧道式锚碇位于软岩地区,在软岩地区建造隧道锚可供参考的资料和研究成果较少。本文通过对该隧道锚进行数值分析、现场缩尺模型试验、稳定性加强措施等一系列研究,掌握软岩地区隧道锚与围岩系统的破坏模式和变形机制,以期为软岩地区隧道锚的设计提供技术支持。研究结论:(1)数值分析表明,7倍设计荷载是锚体位移的一个突变点,即隧道锚稳定安全系数不小于7;(2)通过1∶10现场缩尺试验,8倍设计荷载为锚体的屈服荷载,试验成果与数值分析结果基本一致;(3)通过设置剪力块、加劲工字钢架等措施,隧道锚的整体抗剪强度由7.0提高到9.0;(4)本研究成果可为软岩地区悬索桥隧道锚设计提供参考和借鉴。     

深路堑内浅埋层状软岩隧道锚特性试验研究

研究目的:浅埋层状软岩隧道锚锚塞体与围岩相互作用的变形特征及承载机制复杂,难以用规范或工程类比进行分析研究,为研究隧道锚的变形规律、破坏特征及承载特性,通过现场开展1∶10缩尺模型试验,确定隧道锚的变形特征及承载力安全系数,探明软岩、浅埋、层理面等因素对隧道锚的影响,最终对隧道锚进行安全稳定性评价。研究结论:(1)在各级荷载下,隧道锚的变形从后锚面开始产生并向四周围岩衰减,锚体与左右侧围岩的变形呈较规则的对称双驼峰形;(2)在设计荷载下,锚塞体的变形最大,最大变形值为0.054mm,根据相似原理获得原型隧道锚在运营期的最大变形为0.5 mm;(3)隧道锚的极限承载力高达18倍设计荷载,锚塞体在极限荷载下致使正上方浅埋岩体发生斜向上拱起破坏,破裂面由层理面原始裂缝扩展延伸,致使破坏范围超过4倍洞径;(4)隧道锚的变形限值和围岩安全系数均满足规范要求,验证了隧道锚的安全稳定性;(5)本研究成果可为油溪长江大桥隧道锚系统安全评估提供可靠的依据,也可为相关工程提供技术参考。     

考虑侧阻增强效应的基桩极限承载力解析算法

常规基桩竖向极限承载力计算方法难以考虑由于端阻力提高而引起的侧阻增强效应。分析基桩侧阻增强效应的形成机理,在此基础上,采用Meyerhof对数螺旋线破坏模式模拟桩端土体破坏状态,并引进极限上限理论分析桩端与桩侧土体在极限承载情况下的能量传递规律,利用虚功原理导出桩侧土体对桩身增加的法向压力值,由此根据摩尔库伦理论提出了考虑侧阻增强效应的基桩竖向极限承载力公式。与现场基桩承载力试验数据的对比表明,桩基规范常规算法明显低估了基桩的极限承载力,而本文推算的理论公式则更接近于实测静载荷试验值,表明考虑侧阻增强效应后可更合理评估基桩承载能力。对影响基桩侧阻增强效应的各主要因素进行了探讨,分析结果表明,随桩端土体强度或桩径的增加,侧阻增强效应作用愈明显,该结论对基桩工程设计具有一定的借鉴意义。     

栓钉在斜拉桥索塔锚固区中的试验研究与非线性分析

金塘大桥索塔锚固区采用钢锚梁-钢牛腿新型结构,是该桥设计的关键技术之一.结合连岛工程跨海斜拉桥索塔锚固区的设计,对比介绍栓钉群国内外研究成果,在此基础上设计与实际结构类似的试件模型,对其进行试验研究和空间有限元仿真计算分析,重点研究栓钉的荷载-滑移量关系、抗剪刚度、抗剪承载力及破坏形态等,并将试验值与不同国家规范给出的极限承载力公式计算值进行比较.基于合理的黏结滑移本构关系,提出如何模拟栓钉连接件滑移效应的详细方法,给出栓钉和混凝土黏结的非线性弹簧单元有限元模型.试验结果表明:栓钉连接件满足新型结构的承载要求,试件以栓钉受弯剪破坏为主,具有良好的延性性能,在破坏前有明显的屈服过程.有限元模型具有良好的精度,与试验结果较为吻合.在承载力方面,群钉试验得到的单钉极限承载力比<钢结构设计规范>(GB 50017-2003)公式的计算值平均高32%左右.     

嵌岩桩桩端极限承载力研究

应用广义非线性统一强度理论和滑移线场方法,基于Meyerhof求解深基础极限承载力方法得出的地基破坏滑移面模式,推导出嵌岩桩桩端极限承载力公式,并对承载力随滑移面倾角及嵌岩比的变化规律进行研究,分析嵌岩比、中主应力系数、过载系数等因素对桩端极限承载力的影响。结果表明:桩端极限承载力系数随着嵌岩比的增加而呈非线性递减趋势,且递减幅度越明显。随着中主应力系数的增大,极限承载力也随之提高。承载力系数在嵌岩比n较小时,随着过载系数hm的增大而增大;当嵌岩比n较大时,则随hm的增大而减小。现行规范所定义的桩端承载系数偏于安全。     

螺纹桩竖向承载特性及承载机理研究

研究目的:螺纹桩是一种新型异型桩,具有高效、环保、经济的优点。但目前对螺纹桩承载机理尚无准确的认识,因此本文通过模型试验和数值模拟,对比分析螺纹桩和直桩竖向承载性状的不同,研究螺纹桩桩身轴力及桩侧摩阻力分布规律,分析桩顶荷载作用下桩身与桩周土体的变形规律,揭示螺纹桩竖向承载机理,并讨论螺纹结构参数对螺纹桩承载力的影响。研究结论:(1)竖向荷载作用下长径比为12的直桩和螺纹桩分别表现为摩擦端承桩和端承摩擦桩的承载特性;(2)螺纹桩极限承载力和桩身材料利用率都明显优于直桩;(3)螺纹结构参数中,螺距和螺纹宽度是影响螺纹桩承载力的主要因素,螺纹厚度对承载力影响很小;(4)螺纹桩桩侧承载力主要由桩周土体的剪切力提供,存在最优螺距使螺纹桩桩周土体抗剪强度发挥程度最大,极限承载力最大;(5)实际工程中,过大的螺纹宽度或过小的螺纹厚度会引起螺纹强度不足,并加大施工难度,因此,设计时要兼顾承载力、螺纹强度、施工难度及工程成本;(6)本研究成果可为螺纹桩地基或路基处理工程提供有用参考。     

基坑工程内支撑抱箍式活络头试验研究

为了研究传统基坑工程钢支撑活络头和不同接触面处理(无滚花、直纹滚花、网纹滚花)的新型抱箍式活络头刚度特性和极限承载力,进行了室内原型试验,观察其受力过程和破坏特征,分析了不同设计参数对位移、应变、承载力的影响。试验研究结果表明:抱箍式活络头整体刚度高于单缸千斤顶支顶活络头,在荷载为2 000 k N时,单缸千斤顶支顶活络头位移约是抱箍式活络头的1.5~4倍;在正常使用状态下,试件可重复使用;在达到极限承载力时,抱箍式活络头发生微小脆性滑移破坏,滑移之后可继续承载;由于底部螺栓的夹持作用,抱箍式活络头调节长度短时,即接触面积大时,承载力反而减小;在轴向压力作用下,抱箍式活络头螺栓预拉力基本不变。总体上看,抱箍式活络头具有良好力学特性,有助于提高基坑工程内支撑体系的安全性和稳定性。     

基坑工程钢支撑BFW活络端力学性能试验研究

高速铁路明挖隧道、地下铁道明挖车站的基坑工程大量采用内撑式围护结构,其中钢支撑活络端是控制基坑稳定与变形的关键构件之一。针对现有活络端结构的不足,研发了新型的BFW(Bolt Fasten Wedge)活络端,并按照1∶1的尺寸加工制作了3套试件。对该3套试件在不同工况下进行了弹性试验和极限承载力试验,研究了其在轴向荷载和不同方向偏压荷载作用下的力学性能,分别得到了这些试件的极限承载力和破坏形式。试验结果表明:(1)受荷载前期,试件都处于线性受压阶段,位移较小,稳定性好;(2)对比弹性试验不同工况下的试验结果发现:试件的整体刚度和截面抗弯刚度都随调节量的提高而下降;(3)试件的最终破坏形式为螺栓断裂,提高螺栓强度,增加螺栓个数可以提高活络端的承载能力;(4)试件在偏心荷载作用下产生偏转,但承载能力没有降低,活络端在轴心和偏心荷载作用下的极限承载力约为5 800 kN。所研发的BFW活络端结构简单,承载性能好,有推广应用前景。     

临坡条形锚板抗拔承载力试验及理论分析

临坡条形锚板的抗拔承载力由于边坡一侧土体的缺失而与平地锚板明显不同,借助DIC图像关联技术开展一系列临近砂土边坡条形锚板的室内抗拔模型试验,得到临坡条形锚板在不同边坡角度、临坡比的抗拔承载力及破坏规律。试验结果表明:条形锚板抗拔承载力随边坡角度增大而减小,随着临坡比增大而增大。当临坡比增大到某一特定值,即临界临坡比以后,抗拔承载力则不再增大并与平地锚板的抗拔承载力相等,且该临界临坡比与边坡角度密切相关。在此基础上,进一步根据由DIC技术得到锚板上拔后砂土的变形规律,利用极限平衡和K?tter方程得到临坡条形锚板抗拔承载力的理论计算公式。基于该公式的的理论解与本文的试验结果及前人的相关试验和理论解进行对比,结果表明本文理论公式与试验测试值吻合较好,可用于工程设计。     

OMNI-Max锚初始贯入行为的研究

深水锚是深水系泊系统的核心组成部分,而重力贯入锚是深水锚最新发展型式,具有其他深水锚难以企及的综合优势,尤其是OMNI-Max锚具备可抵御灾害条件的特殊能力。本文采用大变形有限元分析技术耦合的欧拉-拉格朗日(CEL)法模拟OMNI-Max锚在海床土中的初始贯入行为,考虑了应变率与应变软化效应和水流拖曳力,并合理地处理了锚-土界面摩擦,研究了锚的运动行为、土体流动机理、土体破坏模式及土体强度响应。通过现场试验数据进行对比,验证了数值模型的可靠性。基于本文所建立模型的分析结果,加深对OMNI-Max锚安装过程的认识,以期为工程应用提供有益的建议。     

桥梁矩形基础承载特性的深度与宽度效应研究

桥梁矩形基础承载特性的深度、宽度效应问题尚未完全解决,以均质砂土地基为例,对桥梁矩形基础沉降、极限承载力的深度与宽度效应开展了数值计算,研究了规范提供的经验修正公式计算结果的合理性,讨论了考虑沉降控制的容许承载力的合理确定方法。计算结果表明:在上部荷载不变的情况下,基础沉降随着基础相对埋深和基础宽度增加非线性减小;极限承载力随着基础相对埋深和基础宽度增加近似线性增加;地基土的破坏模式与基础埋深有关,埋深越小越趋向于出现整体破坏,埋深越大越趋向于出现局部破坏;当基础宽度和基础相对埋深较小时,极限承载力是基础承载能力的控制性因素,当基础宽度和基础相对埋深较大时,沉降是基础承载能力的控制性因素;当基础宽度和基础相对埋深较小时规范取值偏于保守,而当基础宽度和基础相对埋深较大时规范取值偏于危险。     

旋转触探确定钻孔灌注桩极限承载力研究

研究目的:旋转触探是一种新型原位测试技术。在相继完成方法设计、设备研制和试验测试和试生产后,为探索旋转触探试验在钻孔灌注桩设计中的应用,依据京津城际、京沪线等项目钻孔灌注桩桩身内力测试成果,开展利用旋转触探确定钻孔灌注桩极限承载力的研究。研究结论:(1)提出的旋转触探特征量——旋转触探比功的概念,可应用于后续的对比分析工作;(2)可利用旋转触探试验确定钻孔灌注桩极限承载力的估算,并根据收集的钻孔灌注桩桩身内力测试成果,对公式中修正系数进行拟合;(3)经实例验证,应用旋转触探公式能有效估算钻孔灌注桩极限承载力;(4)本研究成果可为桩基设计提供参考,同时对推动旋转触探新技术在岩土工程中的应用具有指导和借鉴作用。     

自锚式悬索桥极限承载力及安全性评价方法研究

以鹅公岩轨道交通专用桥为工程背景,对自锚式悬索桥极限承载力及其安全性评价方法进行研究。从材料的单轴本构模型出发,介绍杆单元与纤维梁单元弹塑性刚度矩阵的计算方法,基于U.L.列式编制相应的杆系有限元计算程序。对活载独立增大及恒活载同比增大两种典型荷载模式下四种工况的极限承载力计算结果进行分析,揭示了自锚式悬索桥的破坏过程中位移、截面刚度变化规律及失效机制。结合JTG/T D65-01—2007《公路斜拉桥设计细则》中大跨度桥梁非线性分析时主梁安全系数的规定,根据荷载效应等效原则,推导活载安全系数的计算公式,通过与规范对比分析发现,其计算结果更为严格,并就该公式及规范评价吊索与主缆安全性出现的结果不一致性进行分析。     

碎石桩极限承载力计算的几种方法

研究目的:碎石桩极限承载力计算是复合地基承载力计算的关键,本文阐述了碎石桩极限承载力Hughes-Withers计算式、Brauns计算式、盛崇文计算式、刘杰等计算式,并通过工程实例进行计算、分析与比较,推荐可采用的计算式,以期对今后规范和标准的修编,以及类似工程提供借鉴。研究结论:推荐单桩极限承载力按盛崇文推导的公式计算,既考虑了群桩效应,又避免了地基土各种物理力学指标的采集,计算简单,且偏于安全;建议复合地基承载力按极限承载力设计,再除以1.3～1.5的安全系数,不仅概念明确,也经济合理。     

考虑降雨影响的框锚支护结构稳定性动态分析

研究目的:现有的框架预应力锚杆柔性支护结构(简称"框锚支护结构")的整体稳定性分析方法均未考虑降雨入渗的影响。为探索降雨入渗对框架预应力锚杆柔性支护结构稳定性的影响规律,基于Geo Studio软件,采用Van Genuchten模型对非饱和黄土的土-水特征曲线和渗透系数特征曲线进行拟合,进而对降雨条件下非饱和黄土边坡内部渗流场进行模拟,采用非饱和土强度理论确定黄土的强度,提出一种土体含水率变化时摩擦型灌浆锚杆极限抗拔承载力的计算方法,对降雨入渗条件下的框架预应力锚杆柔性支护结构的整体稳定性进行动态分析。研究结论:(1)锚杆锚土摩阻力和极限抗拔承载力随着土体含水率增大迅速降低;(2)降雨持时超过12 h后,雨水入渗对锚杆承载力的影响比较明显;(3)不考虑和考虑含水率变化对锚土摩阻力的影响,边坡安全系数变化差异较大;(4)降雨入渗对框架预应力锚杆柔性支护结构的整体稳定性影响不容忽视,分析时应考虑含水率变化对锚杆极限抗拔承载力的影响;(5)本研究成果能为非饱和黄土地区框架预应力锚杆柔性支护结构考虑降雨影响的设计和施工提供指导。     

大跨度铁路钢桁梁柔性拱桥极限承载能力研究

研究目的:钢桁梁柔性拱桥具有强大的承载能力及跨越能力,也是大跨度铁路桥梁常用桥型之一,其跨度不断发展。针对铁路钢桁梁柔性拱桥的极限承载力问题,本文同时采用MIDAS及ANSYS两种有限元软件建立一座双主跨360 m的大跨径下承式钢桁梁拱桥的有限元模型,通过对比双主跨满载等三个荷载工况的线弹性承载力分析,并考虑结构几何非线性、几何与材料双重非线性的影响,系统分析大跨度铁路钢桁梁柔性拱桥的极限承载力。研究结论:(1)由线弹性承载力的计算对比分析可知,实际结构在恒载+主跨满载的工况下,结构的受力最不利杆件为拱肋及主桁上弦杆和斜腹杆部分,杆件应力达到屈服时的承载力系数最小为2.06;(2)线弹性极限稳定承载系数介于10.64～12.46,均为拱肋的整体失稳破坏,最不利的荷载工况为恒载+主跨活载,表明桥梁结构的稳定承载力远大于杆件强度承载力;(3)考虑p-Δ效应与整体、局部几何偏位初始缺陷后,计算得到的稳定承载系数依次降低至2.75、2.65,表明几何偏位初始缺陷会显著降低极限稳定承载能力,考虑材料非线性后极限稳定承载力系数进一步降低至2.20;(4)验证了桥梁结构具有良好的稳定承载能力及构件强度承载能力,可为类似桥梁极限承载能力分析提供参考。     

大跨悬索桥隧道锚设计及试验研究

研究目的:本文以油溪长江大桥主跨760 m悬索桥的隧道锚为例，分别采用理论计算、数值模拟及原位试验，对隧道锚的受力机理、破坏形态进行研究，并介绍试验方法及流程，详细分析试验结果，以期为设计优化提供依据。研究结论:(1)理论公式计算的隧道锚安全系数偏保守，主要原因是公式忽略了围岩和锚塞体相互作用的有利因素，且一般地勘报告提供的岩土参数也偏保守，与原位岩土试验参数有一定差距；(2)数值模拟也受围岩参数取值影响较大，与试验结果误差较大，但可作为前期设计参考；(3)根据缩尺模型试验，油溪长江大桥原设计40 m长锚塞体，峰值强度为18P,屈服强度为11P,比例极限强度为4P,富余较大，可适当缩减尺寸进行优化；(4)本研究成果可为大跨悬索桥隧道锚设计及试验提供借鉴和参考。     

超深大沉井基础的承载特性

以沪通长江大桥主塔28#墩超深大沉井基础为研究对象,利用有限元软件ABAQUS对其进行承载特性的数值模拟研究,并将模拟结果与现场实测的荷载沉降曲线进行对比分析,求出基底土体的强度储备安全因数。模拟结果表明:沉井基础基底土体的破坏形式为局部剪切破坏;荷载沉降曲线为没有明显拐点的缓变曲线,与实际监测结果吻合较好;沉井基础在桥梁运营阶段竖向位移最大值为35.29 cm,沉井基底土体的极限承载力为489.18×105kN,强度储备安全因数为3.6。     

PBL剪力键静载力学性能推出试验研究

通过7组21个PBL剪力键(开孔钢板连接件)试件的推出试验,研究PBL剪力键的弹性承载力、极限承载力、滑移量及延性系数等静载力学性能。运用推出试验的非线性有限元仿真分析,研究PBL剪力键的传力和破坏过程。结果表明:PBL剪力键的极限承载力高,延性系数大;按照荷载-滑移曲线及内部应力状态,PBL剪力键的破坏过程可分为线性阶段、弹性阶段及塑性阶段;弹性阶段之前承载力主要由孔洞内混凝土提供,弹性阶段之后承载力主要由贯穿钢筋提供。由于PBL剪力键的力学性能指标尚无明确的定义和标准化的推出试验方法,使得各试验者得到的PBL剪力键承载力回归公式没有普适性。为使PBL键得到更广泛的应用,应尽快规范PBL键推出试验方法。     

墩底设置无黏结钢筋铁路重力式桥墩抗震性能研究

为改善低配筋铁路重力式桥墩的延性性能,提出1种墩底设置无黏结钢筋的铁路重力式桥墩。设计制作配筋率分别为0.2%和0.3%、钢筋完全黏结和墩底设置无黏结钢筋共4个模型桥墩,采用拟静力试验,进行墩底设置无黏结钢筋铁路重力式桥墩抗震性能研究。结果表明：墩底设置无黏结钢筋铁路重力式桥墩破坏时仅在墩底形成1条贯穿裂缝,区别于钢筋完全黏结桥墩破坏时墩身出现多条裂缝的破坏特征;在保证承载能力基本不变的情况下,桥墩的极限位移增大,延性提高,但刚度略有下降,滞回曲线形状“捏缩”效应明显,且配筋率越大,“捏缩”效应越明显;在墩底设置无黏结钢筋,可有效改善低配筋铁路重力式桥墩的抗震性能。