加筋喷砼拱肋—锁脚锚杆组合结构承载机制与支护效应研究

作     者：喻海涛 

作者单位：长沙理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：秦卫星

授予年度：2016年

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：加筋喷混凝土拱肋 锁脚锚杆 承载机制 数值模拟 支护效应 

摘      要：由加筋喷混凝土拱肋、锁脚锚杆构成的组合结构作为围岩质量较差隧道的永久支护,在地下工程实践中被证明是一种经济有效的加固措施,取得了良好的工程效应和显著的经济效益。然而,目前针对加筋喷混凝土拱肋-锁脚锚杆组合结构联合支护的承载能力和支护效应研究还不多见,影响了该支护结构的更广泛的应用。首先,推导了加筋喷混凝土拱肋-锁脚锚杆组合结构内力和拱顶沉降的解析解;然后,编制了组合结构内力和拱顶沉降的计算程序,并基于该计算程序确定了锁脚锚杆最佳打设角度;最后,以某交通隧道软弱围岩段为工程背景,基于FLAC3D研究了不同拱肋厚度和拱肋间距时组合结构支护下围岩及支护结构的力学响应,分析了组合支护结构的联合承载机制和支护效应。具体研究工作及结论如下:（1）加筋喷砼拱肋-锁脚锚杆组合结构加固机理的阐述。介绍了锚喷-加筋喷混凝土拱肋复合支护结构的组成,并阐述了加筋喷混凝土拱肋的加固机理,锁脚锚杆作用机理,以及加筋喷砼拱肋-锁脚锚杆组合结构与围岩相互作用机制。（2）组合结构内力及拱顶沉降解析解推导。根据锁脚锚杆和围岩的相互作用机理,建立了加筋喷混凝土拱肋和锁脚描杆力学计算模型,利用结构力学力法中的弹性中心法求解拱肋断面内力;接着将锁脚锚杆视为半无限长梁,运用弹性地基梁法和荷载传递法推导出锁脚锚杆的横向效应和轴向效应表达式,最后详细推导了组合结构内力及拱顶沉降解析解。（3）组合结构受力和拱顶沉降计算程序的编制及应用。基于喷混凝土拱肋-锁脚锚杆组合结构内力及变形理论研究,利用Excel软件编制了加筋喷混凝土拱肋-锁脚锚杆组合结构计算程序,并利用理正岩土计算软件及已有文献的计算结果进行考证,再从围岩荷载、荷载承担比及拱肋厚度变化等三个方面确定了组合结构锁脚锚杆的最优打设角度为45°。（4）加筋喷砼拱肋-锁脚锚杆组合结构的联合承载机制和支护效应研究。在锁脚锚杆打设最佳角度为45°的基础上,以某交通隧道软弱围岩段为工程背景,基于FLAC3D有限差分软件,模拟了某交通隧道在加筋喷砼拱肋-锁脚锚杆联合支护下不同拱肋厚度（0.2～0.7m）和间距（2mm）时围岩和支护结构的力学响应;对比分析了隧道围岩变形、塑性区,以及围岩与支护结构的应力、锁脚锚杆与钢筋轴力的变化规律对复合结构支护效果的影响,得到拱肋最优厚度为0.4～0.5m,最优间距为3～4m。