基于岩体质量指标BQ的隧道锚承载能力计算方法

本发明涉及桥梁工程，具体是一种基于岩体质量指标bq的隧道锚承载能力计算方法。

背景技术：

1、悬索桥是山区高速公路和铁路跨越江河或深谷的主要通道。悬索桥主缆两端的锚固方式分为地锚与自锚，地锚方式中的重力锚和隧道锚被绝大多数悬索桥采用。隧道锚的主要特点为：先在岩体中开挖隧洞，后浇注钢筋混凝土锚体，锚体与围岩共同承担桥梁主缆荷载。隧道锚独特的结构决定了其开挖工程量较小，避免了对生态环境的扰动和人文景观的破坏，此外由于混凝土浇筑量小，因而具有较高的性价比。工程实践表明，隧道锚不仅可用于硬岩地层，也可用于软岩甚至层状地层，是一种承载能力优良的锚碇结构。

2、隧道锚主体结构主要包括：散索鞍、锚体、后锚室和后锚室等，其中锚体是主要的承载结构。悬索桥主缆荷载较大，单根主缆荷载一般在0.5万吨～4.4万吨之间，对应的锚体长度一般在35m～60m之间。锚体承载能力计算模型和方法方面，根据夹持效应提出的锚体沿围岩喇叭形破坏模式，其可靠性尚有待检验；工程实践中，仍以锚体与岩体界面处的剪切破坏模式为唯一方法，来计算锚体抗拔承载力，并把该模式细分为贯通剪切破坏和局部剪应力破坏，前者以《公路悬索桥设计规范》为代表，后者以朱玉公式为代表。由于地质条件的复杂性，较长的锚体一般会穿过不同质量的岩层，如岩性不同的地层或岩性相同、完整程度不同的地层，这些岩层的力学性质如抗剪断强度参数往往存在很大差异，但现有锚体承载能力计算公式和方法，无法考虑这一实际工况。此外，贯通剪切破坏和局部剪应力破坏的计算方法存在本质区别，尚无上述两种条件同时不发生的锚体容许抗拔荷载计算方法。

3、上述相关理论计算方法的缺陷，限制了工程岩体的充分利用和隧道锚承载能力的充分发挥，制约了隧道锚的设计及工程应用。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本发明提出基于岩体质量指标bq的隧道锚容许抗拔荷载计算方法，通过地表、地层和锚体模型的构建和分割，得到锚体侧面岩层的分布和占比，结合各岩层的岩体质量指标bq和修正指标cbq，计算锚体侧面的岩体质量综合指标kbq以及抗剪断强度参数，进而计算锚体侧面不发生贯通剪切和局部剪应力破坏的容许抗拔荷载，从而准确和可靠地评估锚体的承载性能。

2、一种基于岩体质量指标bq的隧道锚承载能力计算方法，包括如下步骤：

3、s1、获得锚址区地表和地层条件以及主缆和隧道锚的结构型式，建立二维平面模型和三维空间模型；

4、s2、通过模型交叉和分割，统计锚体侧面的岩层组成和占比；

5、s3、根据地层条件，计算锚体侧面各岩层的岩体质量指标bq和修正指标cbq；

6、s4、根据锚体侧面各岩层的占比及修正指标cbq，计算岩体质量综合指标kbq，并计算抗剪断强度参数；

7、s5、根据锚体的体型参数以及锚体侧面的抗剪断强度参数，计算锚体侧面不发生贯通剪切和局部剪应力破坏的容许抗拔荷载。

8、进一步的，步骤s1具体包括：

9、s11、在锚址区开展地质勘察，采用地形测绘获得地表的等高线，通过钻孔勘探取出地层的岩芯，所述地层条件包括岩石饱和单轴抗压强度、岩石弹性纵波速度和岩石饱和单轴抗压强度和岩石弹性纵波速度；

10、采用地层所有岩层的岩芯，制作成圆柱形岩样，进行室内单轴压缩试验，得到地层所有岩层的岩石饱和单轴抗压强度和岩石弹性纵波速度；

11、在勘察钻孔内开展声波测试，得到地层所有岩层的岩体弹性纵波速度；

12、根据岩性类别、风化程度或卸荷程度的不同，将地层划分为不同的岩层，并得到岩层分界面；

13、建立包含地表和地层的沿纵桥向二维平面模型；

14、s12、开展桥梁结构设计，获得桥梁相关设计参数，其中得到主缆的相关设计参数如下：地表入射点、入射角θ1，得到锚碇相关设计参数的如下：锚体中心线倾角θ2、锚体侧面扩展角θ3、前锚室长度l1、锚体长度l2、锚体侧面长度l3、锚体前锚面形状和周长l4、锚体后锚面形状和周长l5；

15、s13、根据步骤s11中地表的等高线建立地表的三维空间模型，根据地层条件建立地层的三维空间模型，根据步骤s12中的锚体的相关设计参数建立锚体的三维空间模型。

16、进一步的，步骤s2具体包括：

17、s21、在步骤s1建立的二维平面模型中，根据锚体侧面的线条和岩层分界面的线条是否交叉，筛选出锚体所在的岩层，采用岩层分界面的线条分割锚体侧面的线条，得到不同分段，统计相交岩层内分段线的总长，并计算其长度占比；

18、s22、在步骤s1建立三维空间模型中，根据锚体侧面和岩层分界面是否交叉，筛选出锚体所在的岩层，采用岩层分界面分割锚体侧面，得到不同分块，统计相交岩层内分块面积的总和，并计算其面积占比。

19、进一步的，s31、根据步骤s1中的地层条件，计算锚体所在的岩层的岩体质量指标bqi：

20、计算岩体完整程度kvi；

21、由岩体完整程度kvi和岩层的岩石饱和单轴抗压强度rci，计算岩体质量指标bqi，计算式如下：

22、bqi＝100+3rci+250kvi (1)

23、上述公式使用时，遵守下列限制条件：1)当rci>90kvi+30时，以rci＝90kvi+30和kvi代入计算bqi值；2)当kvi>0.04rci+0.4时，以kvi＝0.04rci+0.4和rci代入计算bqi值；

24、s32、根据岩层的岩体质量指标bqi，计算修正指标cbqi：

25、bqi是否修正的界限值为350，bqi小于此值可无需修正，反之则需进行折减。以bqi计算修正指标cbqi的计算式如下：

26、

27、按照上述计算流程，得到步骤s2中锚体侧面所有岩层的岩体质量指标bq和修正指标cbq。

28、进一步的，步骤s4具体包括：

29、s41、计算二维平面模型中锚体侧面的岩体质量综合指标kbq2：

30、以步骤s21二维平面模型中锚体侧面各岩层的长度占比为权重系数，根据步骤s32中各岩层的岩体质量指标修正指标cbq，采用加权计算法计算锚体侧面422的岩体质量综合指标kbq2，计算式如下：

31、

32、式中：ωi和cbqi分别为各岩层的长度占比和岩体质量修正指标；

33、步骤s42、计算三维空间模型中锚体侧面的岩体质量综合指标kbq3：

34、以步骤s22三维空间模型中锚体侧面各岩层的面积占比为权重系数，根据步骤s32中各岩层的岩体质量指标修正指标cbq，采用加权计算法计算锚体侧面422的岩体质量综合指标kbq3，计算式如下：

35、

36、式中：ηi和cbqi分别为各岩层的面积占比和岩体质量修正指标；

37、步骤s43、根据二维平面模型和三维空间模型计算的岩体质量综合指标kbq2和kbq3，计算锚体侧面的岩体质量综合指标kbq：

38、kbq取值min(kbq2，kbq3)，可保障工程安全；

39、步骤s44、根据锚体侧面的岩体质量综合指标kbq，计算抗剪断强度参数：

40、抗剪断强度参数采用黏聚力c和摩擦系数f两个参数表示，由锚体侧面的岩体质量综合指标kbq，计算黏聚力c和摩擦系数f公式如下：

41、

42、式中：c的单位为kpa，f为无量纲参数。

43、进一步的，步骤s5具体包括：

44、步骤s51、计算锚体侧面不发生贯通剪切破坏条件下，锚体所能承担的容许抗拔荷载pkp：

45、pkp＝ca+fwf+wl (6)

46、式中：

47、c和f分别为步骤s3中锚体侧面的黏聚力和摩擦系数；

48、a为锚体侧面的面积；

49、wf为锚体重力垂直侧面方向的分量，计算式为γvcos(θ2+θ3)；

50、wl为锚体重力沿锚体中心线方向的分量，计算式为γvsinθ2；

51、其中：γ为混凝土的容重；v为锚体的体积，θ2和θ3分别为锚体的中心线倾角和锚体侧面的扩展角；

52、步骤s52、计算锚体侧面不发生局部剪应力破坏条件下，锚体所能承担的容许抗拔荷载pks，计算式如下：

53、

54、式中：

55、b为无量纲参数，计算式为

56、lm为锚体平均周长，计算式为(l4+l5)/2；

57、其中：l2、l4和l5分别为锚体长度、锚体前锚面周长和锚体后锚面周长；c为步骤s4中锚体侧面的黏聚力；

58、步骤s53、计算锚体侧面不发生贯通剪切破坏和局部剪应力破坏两种情形，锚体所能承担的的容许抗拔荷载pk：

59、pk取值min(pkp，pks)，可保障工程安全。

60、进一步的，所述计算岩体完整程度kvi，具体包括：

61、根据岩层的岩石弹性纵波速度vpri和岩体弹性纵波速度vpmi，计算岩体完整程度kvi，计算式如下：

62、

63、式中：kvi为无量纲参数，vpri和vpmi单位均为km/s。

64、进一步的，所述计算岩体完整程度kvi，具体包括：

65、通过岩层岩芯的质量指标rqd值来计算kv值，以某岩层为例，其rqdi值计算式如下：

66、

67、由某岩层的rqdi值计算kvi值的计算式如下：

68、kvi＝0.9rqdi-0.1 (10)。

69、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

70、1、通过构建二维和三维模型，采用模型交叉和分割，可准确得到锚体侧面的岩层组成和占比，以便量化评估锚体赋存条件。

71、2、根据岩层的岩体质量指标bq，得到的修正指标cbq，代表了岩层与混凝土接触面和岩层内部界面中的不利破坏面，保证了计算结果的准确性和客观性。

72、3、采用锚体侧面岩层的修正指标cbq为变量值、占比为权重系数，加权计算并确定锚体侧面岩层的岩体质量综合指标kbq，进而得到可以反映锚体侧面实际岩层条件的抗剪断强度参数，提高了计算结果的可靠度。

73、4、本发明提供的锚体轴力分布非线性函数，符合轴力从锚体受力端非线性下降至临空端的实际条件，得到了锚体受力端荷载作用下的锚体侧面剪应力分布函数，可完全满足力的平衡定律，提高计算结果的准确性。

74、5、本发明锚体容许抗拔荷载的取值，为锚体侧面不发生贯通剪切破坏和局部应力破坏计算值的小值，使得锚体侧面的整体和局部均能保证安全，有效提高计算结果的可靠性。