（交通运输工程专业论文）压力分散型锚索在路基边坡中的应用研究.pdf

k 安人学硕士学位论文 摘要 深挖路颦边坡稳定性及其经济有效加固技术是山区高等级公路建设中亟待研究的 课题之一。鉴于此，论文首先对宛坪高速公路b 段k 4 0 + 2 8 0 - - - k 4 0 + 4 2 0 处边坡稳定性进 行了分析，并提出了采用压力分散型无粘结预应力锚索+ 混凝土格构梁联合加固方案： 在此基础上，分析了压力分散型锚索加固边坡的特点、加固高陡边坡的原理，设计出了 压力分散型锚索加固宛坪高速公路b 段k 4 0 + 2 8 0 - - - - k 4 0 + 4 2 0 处边坡的方案，并通过压力 分散型锚索内力观测，分析了压力分散型锚索加固后的边坡稳定性。理论分析和实测结 果表明，压力分散型锚索加固边坡具有良好的效果。此外，结合实体工程，提出了压力 分散型锚索加固边坡的施工技术，可供类似工程实践时参考。 关键词：压力分散型锚索；路堑边坡：稳定性分析 a b s t r a c t a b s t i 认c t s l o p er e i n f o r c e m e n tw a sav e r yi m p o r t a n te n g i n e e r i n gt e c h n i q u e t h e r e f o r e ，t h ep a p e r p r e s e n t st h es t a b i l i t ya n a l y s i so fs l o p ea tt h es i t eo fs e c t i o nb f r o mk 4 0 + 2 8 0t ok 4 0 + 4 2 0i n w a n p i n ge x p r e s s w a y ，f u r t h e r m o r e i t p r o p o s e s a s l o p e r e i n f o r c e m e n tm e t h o dw i t h c o m p r e s s i o nd i s p e r s i o n t y p ea n c h o rw h i c hh a sn o tg l u t i n o s i t ya n dc o n c r e t eg r i db e a m o n t h i sb a s e ，t h ep a p e ra n a l y s e st h ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h ep r i n c i p l eo fh i g hs t e e pr e i n f o r c e m e n to f c o m p r e s s i o nd i s p e r s i o n t y p ea n c h o r , a n dd e s i g n sam e t h o dw h i c hc a nm a k eu s eo ft h e c o m p r e s s i o nd i s p e r s i o n t y p ea n c h o rt or e i n f o r c et h es l o p eo fs e c t i o nbf r o mk 4 0 + 2 8 0t o k 4 0 + 4 2 0i nw a n p i n ge x p r e s s w a y t h r o u g ho b s e r v i n gt h ei n t e r n a lf o r c eo ft h ec o m p r e s s i o n d i s p e r s i o n t y p ea n c h o r , i ta n a l y s e st h es t a b i l i t yo ft h es l o p ew h i c hr e i n f o r c e dw i t ht h e c o m p r e s s i o nd i s p e r s i o n t y p ea n c h o r t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ec o m p r e s s i o nd i s p e r s i o n t y p e a n c h o ri sau s e f u lt e c h n i q u ef o rr e i n f o r c i n gs l o p e f i n a l l y , t h ep a p e rp r e s e n t st h ec o n s t r u c t i o n t e c h n i q u eo ft h i sm e t h o do nt h eb a s eo fe n g i n e e r i n g k e y w o r d s ：c o m p r e s s i o nd i s p e r s i o n - - t y p ea n c h o r ；c u t t i n gs l o p e ；s t a b i l i t ya n a l y s i so f s l o p e 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 ：蔫鸸祷凋f f 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 鸸祷 谬梁 川年牛月“日 z 唧年9 - 月日 k 女 i # 论i 第一章绪论 11 研究目的意义 边坡是人类生存及工程活动最常见最基本的自然地质环境之一，伴随着高速公路的 建设，c 其是高等级公路及交通工程等向复杂环境、复杂山区地质条件场地推进，与之 相关的自然边坡和人工高边坡稳定性问题显得越发突出。但对于山区高等级公路，囡山 岭重丘绵延不断，为了达到线形要求的平、纵断面标准，施工中的深开挖、高填方是不 可避免的，这就使路新高边坡的稳定性尤为重要。从一些工程失稳教训来看，高边坡稳 定性问题与崩滑地质灾害的发生有着密切的因果关系发生在我国境内的多起灾害性崩 滑地质灾害，如阻碍长江航道的鸡扒子滑 坡、新滩滑坡，摧毁城镇及村庄的洒勒山 滑坡、溪口滑坡等都是高边坡失稳破坏的 结果。图l _ 1 为甬台温高速公路山体滑坡 照片。边坡失稳产生的滑坡现象已变成同 地震和火山相并列的全球性三大地质灾害 之一。我国每年由于各种滑坡造成的损失 达2 0 0 亿元。 图l1 甬台温高速公路山体滑垃 随着经济的发展，我国高等级公路得到了迅猛的发展单就“十五”期米，全国高 速公路总里程猛增到45 万公里这一事实就足以说明。而在山区的高等级公路中，近5 0 的路段由挖方路堑组成，因此，确保挖方路堑的稳定是保证公路畅通的先决条件。 在山区修筑高等级公路，由于地质、地貌条件的限制和公路线形的制约，深挖路堑 路基十分普遍。但是由于我国科研工作的迟后，使得在山区高等级公路中缺乏稳定挖方 路堑边坡必要的技术，导致在工程实际中挖方边坡坍塌、滑动经常发生，给工程造成极 大的损失。而所有这些太部分是由于人们对边坡稳定和边坡加固机理尚未完全理解。因 此，开展边坡加固技术的研究，形成深挖路堑边坡稳定实用成套技术，是解决我国山区 高等级公路修筑的关键技术问题。 目前宛坪高速公路高陡边坡支护大多采用放坡及喷锚支护这一较为传统的作法，这 种形式的喷锚支护只能解决边坡的局部坍塌及防止雨水侵蚀，边坡稳定性靠放坡解决。 这样的做法存在着以下的缺点：放坡的坡度缓则占用较多土地：土石方丌挖量大； 第一章绪论 边坡稳定性差。边坡的稳定完全依赖于放坡，如果边坡中存在着软弱结构面或破坏带， 当受到外界扰动时，如振动、地震等因素，边坡有可能失稳；喷射混凝土面层对公路 周边环境产生一些不利影响。 本文主要针对宛坪高速公路b 段路基施工过程中多处出现滑坡现象，对滑坡原因及 潜在滑坡可能的边坡稳定性进行分析，在兼顾了安全和绿化的基础上，提出了压力分散 型锚索与格构梁联合加固边坡方案。并对压力分散型锚索加固高陡边坡原理、设计方法 及施工技术进行了研究。这对确保高边坡稳定性具有重要意义，同时对山区地质灾害的 防治及地质环境保护具有重大的实际意义。 1 2 国内外研究概况 近年来，随着经济的日益发展，出现了越来越多的高陡边坡，而这些边坡又往往成 为制约该工程是否经济合理乃至成败的重要因素。因此，如何经济、安全可靠地设计合 理的边坡工程或分析评价天然边坡的稳定性，其重大的意义越发显得突出。与之不可分 割的一个方面就是边坡稳定性分析方法的使用。不同的边坡工程常常赋存于不同的工程 地质环境中，不同的边坡稳定性分析方法又各具特点，有一定的适用条件。因而，如何 根据具体的边坡工程地质条件，合理有效地选用与之相适应的边坡稳定性分析方法，是 值得深思的问题。从边坡工程研究发展历程可见，边坡稳定性研究发展的过程，同时又 是一个边坡稳定性分析方法不断发展的过程。新的边坡稳定性分析方法不断出现，古老 的方法又不断得到改进，且逐步由定性向定量、半定量的方向发展。 近年来，国内外在公路高边坡稳定性以及病害防治的研究工作表现在两个方面：理 论基础研究和应用研究。在理论基础研究方面，开展了对公路高边坡稳定性分析方法的 研究，如有限单元法、自适应有限单元法、数值方法与无单元法、离散单元法、可靠度 方法、分形块体理论、模糊方法以及神经网络法等：在应用研究及应用基础研究方面， 在船闸以及航道工程的高边坡稳定性方面以及病害防治方面，尤其对三峡较高的船闸高 边坡稳定性解决的比较好，而对于山区高等级公路高边坡稳定性方面的病害防治方面做 的工作相对较少，主要方法有混凝土抗滑结构、预应力锚索锚固技术、喷锚支护法以及 对高边坡施工的动态监测等，并取得了一定的成果，但仍有很多不足，体现在以下几方 面：1 ) 高边坡的加固机理方面仍不明朗；2 ) 稳定算法仍未成熟；3 ) 本构关系方面仍 需要深入的探讨；4 ) 土压力计算不太合理；5 ) 加固方法值得研究等。而由于路鞭高边 坡的地质构造往往比较复杂，影响滑坡的因素也很多，结构体系的不确定性，复杂性， 2 k 安人学硕上学位论文 结构的失效模式惊人之多，加之各失效模式之间的相关性很强，所以基于结构体系可靠 度分析方法的路堑高陡边坡加固稳定可靠性分析在国内外研究甚少。 边坡加固是挖方边坡稳定性研究的重要内容，目前用于挖方边坡加固的方法主要有 三类：( 1 ) 直接加固法：包括挡墙及护坡、抗滑桩、滑动面混凝土栓塞、锚杆及钢绳锚索； ( 2 ) 间接加固法：包括边坡中用巷道及钻孔梳干、地面截水排水、削坡减载卸荷；( 3 ) 特 殊加固法：包括麻面爆破、压力灌浆。对路堑边坡的加固，国内外应用较多的是直接加 固法和间接加固法。在这些加固方法中，锚杆、锚索加固技术被认为是最有发展前途的 方法，国际上普遍认为锚杆、锚索在边坡工程中的应用，使边坡加固技术发展到一个新 的高度，且使边坡加固及边坡设计得到了重要性的发展。锚杆最早用于地下工程围岩加 固，六十年代才开始用于公路路堑边坡的加固，与国外及国内冶金、矿山等部门相比， 存在着很大的差异。 岩体的锚固是一种把受拉杆件埋入岩体的技术。岩土锚固能充分发挥岩土的能量， 调用和提高岩土体的自身强度和自稳能力，大大减轻结构物自重，节约工程材料，并确 保施工安全与工程稳定，具有显著的经济效益和社会效益，因而世界各国都在大力开发 这门技术。1 9 1 1 年，美国首先用岩石锚杆支护矿山巷道，1 9 1 8 年西利西安矿山开采使 用锚索支护，1 9 3 4 年阿尔及利亚的舍尔法坝加高工程使用预应力锚杆，1 9 5 7 年德国 b a u e r 公司在深基坑中使用土层锚杆。目前，国外各类岩石锚杆已达6 0 0 余种，每年使 用的锚杆量达2 5 亿根。同本的土锚用量己比三年前增加了5 倍。德国奥地利的地下开 挖工程，己把锚杆作为施工安全的重要手段。我国应用岩石锚杆始于5 0 年代后期，进 入6 0 年代，我国矿山巷道，铁路隧道和各类地下工程中大量采用普通粘结型锚杆与喷 射混凝土支护。1 9 6 4 年，梅山水库的坝基加固采用了预应力锚索。近1 0 年来，北京王 府井饭店、京城大厦、新侨饭店等一大批深基坑工程以及云南漫湾电站边坡整治，吉林 丰满电站大坝加固和上海龙华污水处理厂沉淀池抗浮工程等相续大规模地采用预应力 锚杆。岩土锚固工程，几乎遍及土木建筑领域的各个方面，如边坡、基坑，隧洞、地下 工程、坝体、码头、海岸、干船坞、坑洼结构、桥梁及建筑的拉力型基础等。 锚索加固在原理上和加固机理上与锚杆相同，但和锚杆相比具有一些突出的优点， 这些优点是( 1 ) 锚索可施加很高的锚固预应力；( 2 ) 锚索加固深度比锚杆大，且可在很 大范围内变化，从而既可加固边坡的局部稳定，又可加固大型深层滑坡；( 3 ) 锚索对各 种岩体结构及岩体介质都可适用且效果良好；( 4 ) 锚索的埋设及施工方便。因此，国内 外锚索的应用和研究更加重视，而我国锚索加固的应用还很少。随着锚杆、锚索加固技 3 第一章绪论 术的应用，给边坡加固设计及加固赋予了新的内容。目前国际上边坡加固有两个明显的 态势和特点，其一，边坡加固已经由单一的加固措施发展到综合治理；其二，加固措施 从指导思想上，己由单纯的被动防治转到主动加固，提高边坡稳定坡角，以便获得更好 的技术经济指标和良好的经济效益。这种新的思想，在边坡加固及边坡设计中愈来愈受 到重视，己成为衡量及及评价边坡设计合理性的一个重要性的一个重要标准。有鉴于此， 目前国际上对边坡加固技术的研究重点在于以下两个方面：( 1 ) 各种加固方法的综合应 用的系统设计；( 2 ) 锚杆、锚索加固机理，设计方法及锚杆、锚索群合理布置形式。可 以预见随着研究的深入，边坡加固技术将发展到一个新的高度。 根据试验段的地质情况及前后边坡滑坡分析，决定在试验段采用预应力锚索和梁格 联合支护。该方法具有的优点有：坡坡度较陡，减少占地；减小土石方的开挖量； 由大吨位组成的预应力锚索体系，施加预应力可以提高边坡的稳定性，在外荷干扰时 具有良好的延性，大大减小边坡的变形；充分利用岩石体自身强度和自承能力，大大 减轻结构自重，节省工程材料；经济上能节省工程造价；坡面梁格中绿化，改善环 境。 1 3 主要研究内容 本论文结合宛坪高速公路b 6 标段k 4 0 + 2 6 9 - - - - k 4 0 + 4 2 6 处工程地质情况，开展如下主 要内容的研究： ( 1 ) 高陡边坡稳定性分析 ( 2 ) 压力型锚索加固边坡的原理及设计技术研究 ( 3 ) 压力型锚索加固边坡的内力变化规律及稳定性分析 ( 4 ) 压力型锚索加固边坡的施工技术研究 4 k 安人学硕 学位论文 第二章工程概况及试验段边坡稳定分析 2 1工程概况及试验段选取 2 1 1 项目地理位置及工程简介 宛( 南阳) 坪( 西坪) 高速公路是上海至武威高速公路的重要组成部分，是国家规 划的西部大开发八大通道之一，也是河南省规划的“五纵、四横、四通道”高速公路主 骨架中的“第四横 。项目所在地南阳市位于豫西南，东邻信阳、驻马店；北靠平顶山、 洛阳；西与陕西省商洛相连：南与湖北丹江口、枣阳、隋州连界。现辖2 区1 市1 0 县， 是河南省面积最大、人口最多的市。地理位置十分独特，自古素有“豫楚雄藩，中原要 冲”的美称，是“襟三山而带群湖”的富饶盆地，是联系东、西部地区经济的桥头堡， 介于长江经济带和亚欧大陆桥两廊之间。 宛坪高速公路项目路线全长约1 5 0 公里，起自南阳市卧龙区辛店、于在建的南阳至 信阳高速公路相接，途经南阳市卧龙区、镇平县、内乡县、西峡县，至于西峡县西坪镇 豫陕交界处、与拟建的商洛高速公路相连，项目概算总投资6 3 亿元人民币，设计标准 双向六车道( 外侧预留) 、路基宽3 5 米、设计时速1 2 0 公里，分南阳至内乡( 6 8 2 公里) 、 内乡至西坪( 8 2 0 2 公里) 两段。 2 1 2 沿线工程地质条件 项目区域有多条板块结合带或区域性断裂通过，并分割成各具不同组成、不同变质 变形特征和相对独立演化历程的多个构造块体( 单元) 。大的断裂带有西官庄一镇平断 裂带和木家垭一西峡断裂带。本区地震基本烈度为度区。 路线所经地貌有3 种类型，即冲洪积平原区( i i i ) 、山前丘陵区( i i ) 和构造剥蚀 基岩低中山区( i ) 。冲洪积平原区又分为倾斜平原工程地质亚区( i i i 。) 和冲积平原工 程地质亚区( i i i 。) ，工程地质条件较好，地基较稳定。山前丘陵区又分为基岩工程地质 亚区( i i 。) 和松散岩类工程地质亚区( i i 。) ，工程地质条件较好，地基较为稳定。构造 剥蚀基岩低中山区，分为四个工程地质亚区，其中碎屑岩工程地质亚区( i 。) 和松散岩 类工程地质亚区( i 。) 均属工程地质条件较好区域，是公路建设的良好路基区。变质岩 工程地质亚区( i ) ，在开挖地段容易形成崩塌或滑移；岩溶工程地质亚区( i 。) ，为 工程地质条件较差地段，与其它地段相比，不宜建高速公路。 5 第一章t 程概m 及m 验段边坡稳定性分析 213 不良地质情况 在路基工程施工过程中，宛坪高速公路b 段多处出现滑坡现象，如图21 22 所 示。其中k 4 0 + 8 8 0 k 4 0 + 9 8 0 段、k 4 9 + 0 8 0 k 4 9 + 14 0 段于2 0 0 5 年9 月份挖方右侧边垃 发生坍方，塌方情况为整座山体滑动：k 4 7 + 7 5 7 k 4 7 + 0 4 0 段、k 4 8 + 0 5 0 k 4 9 + 1 0 0 ( 李营 隧道出口) 段挖方，于2 0 0 5 年1 1 月份挖方右侧边坡发生坍方，坍方情况为局部滑动、 坍塌。 图2 1k 3 9 - 岫5 0 滑墟图2 2k 4 0 + 8 8 0 滑坡 经分析，产生滑坡原因有以下几方面： 滑坡体地段全部属于风化泥质岩，多为顺层坡，同时路基设计边坡夹角为4 5 。， 大干岩层倾角( 路线与岩层走向夹角为2 0 。3 0 。) ，形成不稳定因素，易产生滑坡。 大气降水影响，在9 月1 5 日和9 月2 l 两次降雨，短时间内的雨水渗入滑坡体内， 增加了滑坡体的总重量，即下滑力增大。 在修筑路基时，大量地切削前缘土体，产生临空面，加上滑坡体表面构造被破坏， 被扰动的土体孔隙率与渗透系数增大，在大量降雨时，地表水渗入软化土层，增加滑坡 体的重力和渗透压力，减小了土体的抗滑系数，降低摩阻力，促使滑坡。 215 试验段的选取 考虑到已发生滑坡路段的工程地质情况以及滑坡产生的原因，本文研究的试验段决 定选取在宛坪高速公路b 6 标段k 4 0 + 2 6 9 k 4 0 + 4 2 6 处。该段右侧岩层倾向路侧，岩层的 倾角约在2 0 4 3 0 。之间，小于设计边坡坡度4 5 。，加之岩层层理面有薄层泥岩，如 果遇水则泥岩软化，其抗剪强度大幅降低，容易造成塌方。 22 边坡稳定性分析原理 对于不同的破坏方式存在不同的滑动面形式，因此应采用不同的分析方法及计算公 6 跃安人学硕j ：学位论文 式来分析其稳定状态。如平面直线滑动的滑坡，可用平面直线法计算；圆弧滑坡可选择 f e l l e n i u s 法和b i s h o p 法计算：复合破坏面滑坡可采用j a n b u 法、m o r g e n s t e n p r i c e 法、s p e n c e r 法等计算；对于折线型滑坡可采用传递系数法、j a n b u 法等分析计算：对 于楔形四面体岩石滑坡可采用楔形体法计算等等。李忠( 2 0 0 5 ) 的研究表明，在考虑支 护结构、锚杆对土体边坡稳定性影响的情况下，最危险滑移面随设计参数动态变化。因 此，通常凭借经验公式确定最危险滑移面有一定的盲目性，由计算机搜索法动态的确定 最危险滑移面，并进行稳定性分析更加合理。 2 2 1 边坡稳定i 生分析的理论框架 如图2 3 所示，垂直条分法假定边坡内存在一潜在的滑裂面，在这滑裂面上，处 处达到了极限平衡状态。 似= 苫嘴 扣口) 似) 蹦i n f 晴嚣) 川 对t 聃夕的假定 作用在条块i ：的力 图2 3 边坡稳定的垂直条分法 分析图2 3 ( c ) ，将这一滑动土体分成具有垂直边界的条块，作用于垂直土条上的力 存在着4 个未知量，即作用于土条底面的法向力n7 ，作用于土条侧面的总作用力g ， 它的倾角b 以及该力作于侧面上的位置y 。对这个土条可建立的平衡方程只有3 个，即 二个静力平衡方程和一个力矩平衡方程。因此，需要对其中某一未知函数作出适当的假 定，在相应的边界条件下求解安全系数f 值。 通常，对土条侧面作用力的g ( x ) 的倾角b 作以下假定( 如图2 3 ( b ) 所示) ： 7 第二章工程概况及试验段边坡稳定性分析 t a n = f o ( x ) + 2 f ( x ) ( 2 1 ) 式中：f o ( x ) 一线性函数，它保证f 。( a ) 和f 。( b ) 的数值分别等于t a n1 3 在x = a 和x = b 的设定数值： f ( x ) 保证f ( a ) 和f ( b ) 为0 的任意函数。 在实际应用中，经常两种假定，第一种假定取f 。( x ) = o ，f ( x ) = 1 ，即为s p e n c e r 法。 第二种假定取f ( x ) 为一正弦曲线，如图2 3 ( b ) 所示。引入假定的函数后，即可解得安 全系数f ( 或土压力p ) 和入这两个未知量。 由于引入假定的函数f 。( x ) 和f ( x ) 可以是多种多样的，那么安全系数f 的解答也就 不可能是唯一的。垂直条分法理论体系要求，所有的这些解答，都要符合一定边界条件， 边界条件为： ( 1 ) 满足摩尔一库仑准则，即 f ( c r u ) = f 一( 吒t a n c p + c ) 0 ( 2 2 ) ( 2 ) 在一般的岩土材料中，不容许出现拉应力的限制条件，即 o3 0 ( 2 3 ) 式中：o 。土体内任一点的小主应力。 式( 2 2 ) 和式( 2 3 ) 可具体表示为式( 2 4 ) r i 掣 f 亿4 ， 弋 e o l n o 式中：e 、x _ 一分别为作用于侧面的有效作用力和切向力； q a v 、c a v l 侧面上的平均有效抗剪强度指标； h 土条高度； n 一作用于条块底部的法向作用力。 2 2 2 垂直条分法的静力平衡方程及其解 对图2 3 ( c ) 所示条块，建立x ，y 方向的静力平衡方程，可得 c 。s ( 无- - 5 + ) 竺三一s i n ( 无一口+ ) 垡拿g ：一p ( x ) ( 2 5 ) d xa x 加) - ( 警+ g ) s i n ( 藐刊一，= ，华s e c a s i n 以+ ts e c a c o s a x旌一7 7 华a xc o s ( 藐刊( 2 6 )d x 式中：g 一土条间作用力的大小； 8 k 安人学硕_ 上学位论文 a 一土条底倾角； 呻与水平线的夹角； d w m x 一土条单位宽的重量； l 隙水压力系数； u 孔隙水压力； q _ 单位宽度上表面垂直荷重； c 。l 土体有效凝聚力， ( p 。l 土的有效内摩擦角 卜水平地震力系数。 对条底中点建立力矩平衡方程，可得 g s i n ：一) ，i d ( g c o s ) + 要( 咒g c 。s ) + 7 7 垡警矗 ( 2 7 ) 反x出出 式中：h 。一水平地震力作用点与条底的距离； y 。q 作用点的y 坐标值。 微分方程组的边界条件： ，g ( a ) = 脚 l lg ( b ) = p l jh p h = k ( b ) ( 2 8 ) lb ( a ) = o l l1 3 ( b ) = 8 i k ( a ) = h w h w ：l 3 式中：p w 一顶端拉力缝( x = a ) 上作用的水压力，即g ( a ) 。 h ( _ b 处的条间作用力g ( b ) ，即待求的主动土压力； h 一土压力的作用点到土条底的距离，即在x = b 时的( y y ：) 值； 江为墙和土接触面作用力的倾角，即x = b 时的d 值。 根据式( 2 8 ) 边界条件，可获得边坡稳定垂直条分法的力和力矩平衡方程式的积分 形式，分别为： j ：p ( x ) s ( x ) d x = m 。 ( 2 9 ) | ：p ( x ) s ( x ) t ( x ) d x = m ， ( 2 1 0 ) 9 第二章t 程概况及试验段边坡稳定千牛分析 出一叫c - a + 细一a n c 伽埘面a f t g m = 只一p e e 。= e x p 一f t a n c 一口+ ，筹彬 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 如) = r ( s i n 即。s 伽饼) - e x p a n ( 一口峒筹蟛 鸳 ( 2 1 4 ) m t 聃一p h c o s 肌( 6 ) e b 】+ r7 7 参，d x ( 2 1 5 ) 求解安全系数时，土压力p 为零，因而简化为 q ( f ，允) = 【p ( x ) s ( x ) d x 一乃= 0 ( 2 1 6 m 。( f ，允) = f p ( x ) j ( x ) f ( x ) 出一昂一r 叩警h , d x = 0 ( 2 1 7 ) 2 3 试验段边坡稳定性分析 2 3 1s l o p e w 软件简介 s l o p e w 软件是g e o - s l o p e 公司g e o s t u d i o 系列软件之一，用于边坡稳定性分析、土 质与岩石边坡的安全因子计算。s l o p e w 软件采用极限平衡理论去计算土质和石质边坡( 含 路堤) 的安全性，可以同时用八种方法分析简单或复杂的问题，限制平衡方法不同的滑动 表面形状，含水孔压力条件、沙的性质及集中负荷，s l o p e w 也可做随机稳定性分析。 s l o p e w 软件对于综合问题公式化的特征使得它很容易计算简单的或复杂的边坡稳 定问题。该软件具有：建模容易、操作简便；可以直接使用a u t o c a d 底图建模，计 算结果可以采用多种格式输出，供打印和汇报使用；对一个问题可采用不同的计算方 法，与s i g m a w 模块结合，可以按有限元应力法计算边坡的稳定度；与q u a k e w 模块相 结合，可以分析在地震荷载作用下的边坡问题；还可以采用m o n t e c a r l o 可靠度法来对 边坡问题进行分析计算；可以分析计算有孔隙水压问题的对象；加固措施可以直接 施加在计算断面上，甚至可以根据输入参数分析锚固段所需长度的问题；对于均质土 可以十分完美的搜索出最不利滑裂圆弧，对于其它问题也可以搜索最不利滑面等等特 点。此外，该软件在我国和北美已应用十几年，积累了大量的应用经验。 1 0 k 盘人i 学位论文 232 稳定性分析 根据该试验段的地质资料，本文采用s l o p e w 软件对试验段k 4 0 + 3 2 0 处边坡稳定性进 行分析。分析时参数取值如r ： y = 2 0o k n m ： c - - 2 5 k p a ； 士= 2 0 3 0 。，该边坡岩质为泥页岩，易发生折线破坏可能滑裂面角在2 0 3 0 。 当边坡无支护时，用上述参数计算的稳定系数见图24 图27 。 3 ，7 图24 滑裂面角度2 0 。 ， 图25 滑裂面角度2 2 。 图26 滑裂面角度2 5 。 第一辛i 程概m 及试验殷垃控稳定性什析 图27 滑裂面角度3 0 。 滑裂面角度2 0 。、2 2 。、2 5 。和3 0 。的边坡稳定系数计算结果见图28 。 一l 少 囊 一、一 一一。夕卜 ：1 8 、j 七h 4 ： ：么，i 2 02 2 2 4 2 6 2 83 03 2 滑裂面角度( 。) 圈28 不同滑强面角度的边坡稳定系数 由图2 8 所示，不同滑裂面角度的边坡稳定系数均小于1 3 0 ，而高速公路中边坡稳 定系数至少在l3 0 以上。且考虑到泥页岩雨水后其强度会大幅度减小，边坡稳定系数 还会下降很多，可能开挖后来不及支护就发生滑坡。因此，试验段所处边坡是非稳定的， 需要进行加固处理。 跃安人学硕：卜学位论文 第三章压力分散型锚索加固原理及设计研究 3 1锚索类型及结构 按不同的分类方法，可将锚索划分为不同的类型，如按锚头的结构形式分为o v m 锚、 q m 锚、x m 锚、费氏锚等；按锚索体种类分为纲绞线束锚索、高强钢丝束锚索；按锚固 段结构受力状态分为拉力型、压力型、压力分散型等。 从国内目前的技术发展现状来看，锚头部位和锚索体材料参数都不难满足技术的需 要，而锚固段却因地质条件复杂，较难确保其可靠性。因此，将锚索按锚固段的受力状 态分类，更具有实用性。 3 1 1 拉力型锚索 拉力型锚索，主要依靠锚固段提供足够的抗拔力，以保证预应力的施作。 锚固段有两种，一种是采用水泥净浆或水泥砂浆将锚固段部分的锚索体锚固在岩体 的稳定部分：另一种是采用机械式锚固段，如胀壳式内锚头。由于机械式锚头适应性差， 加工量大，现已很少使用。 拉力型锚索结构简单，施工方便，造价较低，其结构如图3 1 所示。但这种锚索的 锚固段受力机制不尽合理，在锚固段底部岩体产生拉应力，且应力集中，使锚固段上部 产生较大的拉力，易把浆体拉裂，影响抗拔力和锚索的永久性。 j ，) ，) u i 涕= 一i ， ， j 锚固段 图3 1 拉力型锚索结构 卜锚具；2 一结构；3 一油脂；4 一注浆体；5 一套管；6 一锚索体；7 一裂纹；8 一对中支架 3 1 2 压力型锚索 压力型锚索与拉力型锚索的受力机理不同，如图3 2 所示。 图3 2 压力型锚索结构 卜锚具；2 一结构；3 一油脂：4 一注浆体：5 一套管：6 一锚索体；7 对中支架：8 一波纹管；9 一端部压板 1 3 第二章压力分散型锚索加固原理及设计研究 压力型锚索荷载分布的特点是： ( 1 ) 在锚索的根部荷载大，靠近孔口方向荷载明显变小，这样有利于将不稳定体 锚定在地层的深部，充分利用有效锚固段，从而可缩短锚索长度。 ( 2 ) 浆体受压，被锚固体受压范围更大，可提供更大锚固力。 ( 3 ) 压力型锚索的锚索体采用无结钢绞线，因而多一层防护措施，如果采用涂锌 或环氧喷涂钢绞线外再包裹层或二层高密度聚乙烯( 即p e ) 套管，就具有更高防护性 能。 ( 4 ) 锚索安放后可一次性全孔注浆，这样不仅减少注浆工序，而且即使没施加预 应力，靠浆体和土体的结力起到一定的作用，这对于正在滑动的滑坡体整治加固是很有 必要的。 3 1 3 荷载分散型锚索 上述拉力型和压力型锚索，都将预应力过于集中地传递给锚固段的局部部位。拉力 型易把浆体拉裂，即使压力型锚索，在承载板上部2 5 - 3 0 c m 范围内的浆体也有受压破 坏的情况发生。荷载分散型锚索，是将施加的预应力分散在整个锚固段上，使应力应变 分散、减少，从而确保锚固体不受破坏。 荷载分散型锚索多种多样，可分为拉力分散型、压力分散型、拉压分散型和剪力型 锚索，如图3 3 图3 6 所示。 图3 3 拉力分散型锚索结构 图3 4 压力分散型锚索结构 1 4 k 蜜人学碰1 ，学位论女 图35 拉压分散型锚索结构 图36 剪力型锚索结构 钢绞线：2 一结材料：3 一剪力块：4 塑料套管：5 一注浆体 32 压力分散型锚索结构及作用机理 321 压力分散型锚索结构 压力分散型馅索是在无粘结钢绞线上按一定距离分散布置若干承载体，对承载体施 加压应力，并使荷载分散。在同等条件下，压力分散型锚索比拉力分散型锚索具有更大 的承载力。图37 是国内应用较多的压力分散型锚索结构。 智皆 圄37 压力分散型锚窬结构示意图 第三章压力分散型锚索加固原理及设计研究 3 2 2 压力分散型锚索作用机理 图3 7 压力分散型锚索将无粘结钢绞线承载体弯曲成“u ”型，并在不同长度的无粘 结钢绞线术端套以承压板和挤压套，构成单元锚索。当锚索体被浆体固结后，以一定荷 载张拉对应于承载体的钢绞线时，设在不同深度部位的数个承载体将压应力通过浆体传 递给被加固体，这样对在内锚固段范围内的被加固体提供被分散的锚固力压力分散型锚 索作用机理可概述为以下两点： ( 1 ) 通过锚索尾部的p 型锚和按一定间隔布置的承压板将张拉荷载分散作用于锚固 段中下部，使内锚固段注浆材料承受较均匀的轴向压力，在轴向压力作用下注浆材料径 向膨胀，但该膨胀受到周围岩体的约束，所以在注浆材料与孔壁之间产生均匀的挤压咬 合力。压力分散型锚索的锚固力不仅取决于内锚固段注浆材料与孔壁的粘结力，而且取 决于二者之间的挤压咬合力。 ( 2 ) 当锚索受拉时，锚索的拉力通过钢绞线传至不同位置的承载体上，每个承载 体上钢绞线承受锚索拉力的1 n ( n 为承载体个数) ，而承载体所受的拉力以压力形式传递 给锚固体，这就使锚索轴力和锚固体与周围岩土体粘结应力峰值降到较低程度并分散作 用到整个锚固段长度上，显著改善了锚固体与周围岩土体粘结应力分布状态，充分调用 了岩土体的抗剪强度和锚索单位长度上的承载能力，大大提高了锚索的承载能力。 3 2 3 压力分散型锚索承载力 压力分散型锚索因其结构的特殊性，其承载力由下面三个基本条件控制。 ( 1 ) 钢绞线的抗拉强度 这部分可人为控制。 ( 2 ) 锚固体的局部抗压承载力 由锚固浆体的抗压强度、锚固浆体的断面积及承载体的截面积( 锚固浆体的承压面 积) 3 个参数确定。根据混凝土结构设计规范 ( g b 5 0 0 1 0 - 2 0 0 2 ) 中局部受压承载力计算公式， 在不考虑周围岩土体径向压力对其承载力的影 响时，锚固浆体的局部抗压承载力f 。为( 计算简 图见图3 8 ) ： e = 1 5 f l f c 4 ( 3 1 ) 1 6 图3 8 锚固浆体局部受压承载力计算简图 k 安人学硕卜学位论文 届：( 粤) 0 5 ( 3 2 ) 码 式中：f ，局部受压面上作用的局部荷载设计值( m p a ) ： 1 3 锚固浆体受压时的强度提高系数，无量纲； f 。浆体轴心抗压强度设计值( m p a ) ； a 。锚固浆体的截面积( 1 1 1 2 ) ； a 。浆体局部受压面积( m 2 ) 。 ( 3 ) 锚固浆体与周围岩土体之间的粘结摩擦阻力 锚固浆体与周围岩土体之间的粘结摩擦阻力是决定压力分散型锚索承载能力的一 个基本因素，其大小与其分布密切相关。理论分析和实测数据分析表明，压力分散型锚 杆摩阻应力分布较均匀，峰值较小，在较大荷载作用下，粘结应力的传递长度在3 5 m 以内。 3 3 压力分散型锚索的受力特性分析 在预应力锚索加固体系中，一般认为钢绞线索体只能轴向抗拉，不能抗压和承受弯 矩。在索体强度足够大的情况下，锚索失效可能是由于索体与浆体的接触面受剪破坏， 或是浆体与周周岩土体的接触面受剪破坏，钢绞线索体一浆体一岩土体理想界面的剪切 特性是通过浆体的粘聚力和摩擦特性来体现的。 3 3 1力学模型 如图3 9 所示，将压力分散型预锚索的内锚固段简化成按等间距的三个承载体，每 个承载体上作用有均布力。其等效集中力为总拉拔力的1 3 ，每一个承载体及其相邻承载 体间的锚固浆体作为一个锚单元考虑，因此，共采用了三个锚单元采进行压力分散型预 应力锚索内锚固段加载过程的模拟。 自幽段融锚霞殴 仁二丁二二= e 巫二疆至i 尸 气卜_ 怂- 业叶上_ 图3 9 压力分散型锚索力学简化模型 1 7 第三章压力分散型锚索加同原理及设计研究 图3 1 0 拉力集中型锚索力学简化模型 为了对比分析，本文还对拉力集中型预应力锚索受力特点进行了比较，模拟的平面 应变力学模型如图3 1 0 所示。模型左侧自由( 外锚头模拟祝凝土垫墩的单元固定) ，右侧 边界固定；模型上下边界施加垂直于锚索轴向的荷载，模拟不同同压的情况。本文主要 研究锚索内锚固段的力学特性，因此，在锚索的内锚固段左端头施加轴向拉拔力实现对 锚索的加载过程，压力分散型预应力锚索与拉力集中型预应力锚索的主要差异在于内锚 固段受力状态的不同。 3 3 2 拉拔过程中锚固段浆体的受力特性 1 锚固段浆体轴力 两种类型锚固段浆体轴力分布特性见图3 1 1 。 ( a ) 拉力集中型锚索( b ) 压力分散型锚索 图3 1 1锚索内锚固段浆体轴力分布特性 由图3 1 l ( a ) 可见，对拉力集中型锚索，当张拉荷载从自由段传递到内锚固段后， 再通过浆体向周围岩体内部转移，形成内锚固段的始端轴向拉力较大，并向末端迅速衰 减的分布形式。由于轴向拉力沿内锚固段全长并非均匀分布，而足在内锚周段的始端出 现拉力严重集中现象，因而在该部位最易发生浆体拉裂破坏，导致锚索预应力损失或锚 固失效。从图3 1 1 ( b ) 可知，对压力分散型锚索，作用在每段锚索浆体上的轴力仅为拉 力集中型锚索的 3 ，且浆体处于受压状态，能够充分利用浆体投岩土等材料耐压怕拉 的力学特性，因此压力分散型锚索内锚固段浆体的受力效果要比拉力集中型锚索好。 2 锚固段浆体一岩体界面上的剪力 锚固段浆体一岩体界面上的剪力分布情况见图3 1 2 。 1 8 长安人学硕士学位论文 面 “ 兰 穴 毯 瓠 0 0 l 瞧) 幽齄啼妣奥照匆i ( 1 6 0 图3 1 2 压力分散型锚索与压力集中型锚索剪应力分布的比较 从图3 1 2 ( a ) ( b ) 可看出，拉力集中型锚索锚固浆体一岩体界面上剪力分布在内 锚段的始段附近剪力较小，在距始段很小一段距离处达到峰值，从峰值点再往里剪力随 深度按指数规律递减，递减到一定距离后，剪力为零；压力分散型锚索锚固浆体一岩体 界面上的剪力峰值小于拉力集中型锚索，而且剪力峰值与剪力均值差别很小，并能较均 匀地分布于整个锚固长度上，可以充分发挥整个锚固段浆体的抗剪作用。 如图3 1 2 ( c ) 所示，以三个承载体的为例，压力分散型锚杆的剪应力分布有三个 峰值，分别为三个承载体上外荷载的作用位置，其中在锚杆尾部的剪应力峰值比前两个 承载体处的峰值更大一些：而对于拉力型锚杆，其最大的剪应力峰值在锚杆的端头部位， 锚杆沿轴线的剪应力分布主要集中在锚头近端约1 m 的范围内，存在着严重的应力集中 现象。由此可见，由于一个大的外荷载被分散，使得压力分散型锚杆的剪应力峰值大为 降低( 图中压力分散型锚杆最大的剪应力峰值仅为拉力型的5 5 ) ，其剪应力在整个锚杆 轴线方向上的分布更为均匀，受力更为合理，因此可以推断压力分散型锚杆在同等条件 下具有比拉力型锚杆更高的承载能力。 3 轴向位移规律 图3 1 3 为压力分散性锚杆与拉力型锚杆轴向位移情况。 1 2 e l 曼0 8 羹0 6 葛0 4 簿0 2 o 00 51i 5 22 533 5 4 弘 f f ，璎m 图3 1 3 压力分散性锚杆与拉力型锚杆轴向位移 1 9 l l l o o o o 0 第三章压力分散型锚索加固原理及设计研究 如图3 1 3 所示，这两类锚杆的轴向位移分布规律与其剪应力的分布规律十分相似， 压力分散型锚索的轴向位移峰值与拉力索锚杆相比大为降低，位移总量也减小了相当比 例。由此可知，在相同的条件下压力分散型锚索控制岩土层变形能力比拉力型锚杆更强， 因此其更适用于对控制变形要求严格的锚固支护工程。 4 锚索拉拔力与位移的关系 锚索拉拔过程中的锚端拉拔力f 与位移u 曲线见图3 1 4 。 l6 i 4 1 2 l o 8 簧嘶 0 4 0 2 0 u2 0q i ，哪蛐1 0 0 i i 厶t l j h i 图3 1 4 锚端拉拔力f 与位移u 曲线 由图3 1 4 可看出：拉力集中型和压力分散型锚索在弹性介质岩体中，锚索出现屈服 前f - u 基本保持线性关系。对拉力集中型锚索，当拉拔力为1 3 8 m n 且锚端位移达至u 5 4 m m 时，锚固段钢绞线与浆体之间发生剪切破坏，此后，随着锚端位移的继续增加，锚索拉 力保持恒定；对压力分散型锚索，当拉拔力为1 5 6 心，且锚端位移达到8 4m i l l 时，浆 体受压才发生屈服破坏，此后，随着锚端位移的继续增加，锚索拉力保持恒定由图3 1 4 可知，在保持拉力集中型锚索和压力分散型锚索锚固段长度相等的情况下，压力分散型 锚索的最大拉拔力要高出拉力集中型锚索，本例中高出0 1 8 m n ，说明压力分散型锚索可 以提供更大的拉拔力，但是也应注意到锚端位移也相应地增大。 5 承载体数量与锚固力的关系 图3 1 5 为不同承载体数量时锚索的拉拔f u 曲线。 3 、25 螽 2 采i 5 gi l q 怖0 5 o 0 图3 1 5 个 巾 个 个 5 0 1 0 015 f l 2 0 0 2 5 0 信穆( 刖n 不同承载体数量时锚索的拉拔f - u 曲线 2 0 k 安人学硕士学位论文 由图3 1 5 - i 看出，压力分散型锚索的锚固力随承载体数量的增加面显著增加。这主 要是由于承载体数量增加后，每个承载体所分担的压力相应减少，从而使浆体达到屈服 破坏的拉拔力提高当承载体数量为2 、3 、4 、5 个时，锚固浆体一岩体界面最大剪应力 为2 6 2 、1 1 4 、1 0 2 、9 8 k n 。表明承载体数量增加后，锚索浆体一岩体界面上的剪力值也相应 减小了，所以增加承载体数量是提高压力分散型锚索锚固力和改善其受力状态有效途径。 3 4 试验段边坡压力分散型锚索的设计 3 4 1