隧道锚承载特性及其破坏模式探究

作者：王东英; 汤华; 葛修润; 尹小涛; 邓琴

来源：岩石力学与工程学报, 2019, S2: 3374-3383.

DOI：10.13722/j.cnki.jrme.2018.0860

• 岩土工程
• 隧道锚
• 承载力
• 破坏面形态
• 附加应力
• 敏感性

隧道式锚碇的楔形结构造成锚–岩系统在不同的加载阶段表现出不同的承载能力,其中极限承载力又因锚–岩系统的破坏类型不同发掘空间巨大。首先基于一般力学原理和方法,分析锚–岩系统可能的破坏类型和隧道锚承载的阶段性,提出不同阶段隧道锚的承载力估值公式。利用数值试验和自编的破坏面追踪程序,揭示锚–岩系统的破坏演化规律,同时探究锚体结构楔形角和埋深对隧道锚的破坏面形态、破裂角和承载力的影响,主要结论如下:(1)破坏性数值试验追踪得到的锚–岩系统最终破坏形态为下窄上开口的倒喇叭形,室内2D模型试验结果验证了该破坏形态。(2)锚–岩系统的承载具有显著的三阶段特征,加载初期锚–岩界面无附加应力产生,中期界面压应力随工程荷载近似呈线性增长,加载后期界面压力随围岩破坏迅速降低。阶段承载的力学机制在于:隧道锚初始承载力仅依赖于锚体结构自身,由锚碇自重和由自重产生的界面挤压力、抗剪力两部分组成;而极限承载力取决于锚碇夹持岩体的范围,因而依赖于破坏面的位置、形态和破裂角等数据。数值试验揭示的锚–岩界面的应力随荷载变化曲线和锚–岩系统塑性区的扩展过程佐证了力学模型概化和阶段划分方法的合理性。(3)根据锚体楔形角和埋深的敏感性分析结果,发现:浅埋深、大楔形角情况下,破坏面倾向于圆台状;当埋深在35～45 m、楔形角为2°～6°时则破坏面呈喇叭状,埋深较大时倾向于界面破坏。喇叭形较窄段破裂角为2～3倍楔形角,较宽段破裂角则在20°～25°范围内,拐点位置距后锚面的距离稳定在1/2H处。(4)隧道锚的埋深不影响初始承载力,但极限承载力随埋深增加而增大;随楔形角的增加,初始承载力逐渐走低,但极限承载力呈先增后降的变化规律,表明锚碇结构存在优势角。

• 单位
  中国科学院武汉岩土力学研究所; 岩土力学与工程国家重点实验室; 中国科学院大学