（地质工程专业论文）公路路堤挡土墙失稳机理及其加固治理研究.pdf

摘要 公路高填方路堤挡土墙是山区和丘陵地区常见的一种挡土结构。根据1 0 7 国 道位于河南省漯河市境内的某一公铁立交桥路堤挡土墙的破坏状况，对此类挡土 墙的破坏机理及加固结构的参数进行了比较系统的研究，并取得了以下主要研究 成果： 1 根据公路交通动载荷属性，给出了动载作用下土质边坡的失稳机理的分析 方法。 2 分析了动载作用下路堤挡土墙的失稳机理，利用引入的动载系数，根据挡 土墙抗滑力和抗滑力矩的计算式，推导出了重力式挡土墙墙体一滑移体系统的极 限平衡方程，根据这一方程可以比较容易的求出滑移体的倾角，同时，根据工程 实际对计算方法进行了验证。 3 对路基填土注浆后土体的改性进行了分析，并利用泰勒级数和摩尔一库伦 破裂准则，推导出了注浆后土质边坡的屈服函数表达式。 4 采用不同的分析方法，对锚杆荷载的传递机理以及杆体的位移进行了探 讨。结合工程实际，推导出在不同的拉拔力的作用下，锚杆的轴向位移与锚固段 长度的关系表达式。 5 对喷锚网面层受力状态进行了分析，提出了局部采用双层钢筋网的施工方 法。 6 根据工程的实际加固情况对加固后挡土墙和坡体的稳定性进行了分析，结 果表明：各种不同类型的加固结构组成了一个有机整体，完全可以保证挡土墙以 及边坡稳定。 关键词：公路工程路堤挡土墙动载荷失稳机理加固结构 a b s t r a c t i nl l i l l yc o u n t r ya n dm o u n t a i n o u sa r e a s ，e m b a n k m e n t - r e t a i n i n gw a l l ，i sav e r y c o n l m o nr e t a i n i n gs t r u c t u r e a c c o r d i n gt ot h ei n s i t u u n s t a b l es i t u a t i o n so fa nh e a v y r e t a i n i n gw a l lo fo n ea c r o s sr a i l w a yb r i d g eo fn o 1 0 7n a t i o n a lh i g h w a y ，l o e a t e di n l u o h ec i t yh e n a np r o v i n c e ，as y s t e m a t i cs t u d y0 1 1i n s t a b l em e c h a n i s m s o f e m b a n k m e n t - r e t a i n i n gw a l lu n d e rd y n a m i c sl o a d i n gc o n d i t i o na n da p p l i c a t i o no f r e i n f o r c e m e n tt e c h n i q u e sw a sc a r r i e dt h r o u g h l yi nt h et h e s i s , a n ds o m ek e yr e s u l t so f w h i c h 棚f o l l o w s ： 1 b a s e do nt h ep r o p e r t i e so f h i g h w a yd y n a m i c sl o a d i n g , t h es t u d ym e t h o da b o u t i ns t a b l em e c h a n i s mo fs o i l m a s s c s $ l o p eu n d e rh i g h w a yd y n a m i c sl o a d i n gw a s b r o u g h to n 2 1 n s t a b l em e c h a n i s m so fe m b a n k m e n t - r e t a i n i n gw a l lu n d e rt h er a n d o mh i g h w a y l o a d i n gc o n d i t i o nw e r es t u d i e d t h r e ep a r a m e t e r sw e r ei n t r o d u c e di n t ot h ep r o g r a mo f i n s t a b l em e c h a n i s ma n a l y s i s c a r r y i n gt h ec r i t i c a la n t i s l i d i n gf o r c ea n da n t i - s l i d i n g m o m e n ta sa n a l y t i c a lf o r m u l a s ，a n dt a k i n gi n t ot h el i m i te q u i l i b r i u mc o n d i t i o no f w a l l s o i ls y s t e m , t w oe q u a t i o n sw e r ee d u c e d b yn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h e e q u a t i o n s t h ep r a c t i c a le n g i n e e r i n gw a sa n a l y z e d 1 1 】er e s u l ts h o w s t h a tt h ea n g l e so f s l i d i n gw e d g eo fs u b g r a d es o i la l ea l m o s ti nt h es a m ev a l u ew i t ht h ed i f f e r e n t m e a s u r e s 3 c o n s u l t e dt h em e c h a n i s mo fc e m e n t - g r o u t i n g 。 a n db yl l s co ft h e m o h r - c o u l o m bf a i l u r ec r i t e r i a ( y i e l df i m e t i o n ) , t h ey i e l df u n c t i o n s ，w h i c hu n d e rt h e a c t i v ea n dp a s s i v ee a r t hp r e s s u r ec o n d i t i o nw e r ed e d u c e d 4 t a k i n gt h ed i f f e r e n ta n a l y s i sm e t h o d s ，t h em e c h a n i s mo ft h el o a d i n g t r a n s f e r i n ga n dt h ed i s p l a c e m e n to fa n c h o rw f f t - ee x p l o r e d 1 1 扯f o r m u l a t i o na b o u t t e l a t i o nb e t w e e nt h ea n c h o rs h e a rd i s p l a c e m e n ta n dt h ea n c h o r i n g - p a r tl e n g t hw n s d e d u c e da c c o r d i n gw i t l lt h ee n g i n e e r i n gf a c t s 5 ak i n do fc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y , p a r t r e i n f o r c e i n gs t e e lm e s ho ft h e s h o t e r e t em e s hw a sp r e s e n t e da n dp u ti nu s ea f t e ra n a l y s i s n gt h ef o r c ec o n d i t i o no f t h e s h o t c r e t em e s h 6 b yu s co ft h ep r o p o s a ld e s i g np a r a m e t e r sa n dt h em a t e r i a l sp r o p e r t i e s ，t h e n u m e r i c a la n a l y s i sm o d e lo fp l a sw a sf o u n d e d u s i n gt h en u m e r i c a lm o d e l 。t h e s t a b i l i t yv a i l a t i o n s ( d i s p l a c e m e n to fs i d ed i r e c t i o n ) o fr e i n f o r c e m e n ts t y u c t u r e sw e l e a n a l y z e d t h ea n a l y s i ss h o w st h ed i f f e r e n tt y p e so fr e i n f o r c e m e n ts t r u c t u r ew e r e i n t e g r a t e da n df o r m u l a t e da no r g a n i ce n t i r e t y ，a n di tw a sav e r ye f f e c t i v em e t h o dt o r e i n f o r c et h eu n s t a b l er e t a i n i n gw a l la n ds o i l - m a s s e s sl o p eu n d e rd y n a m i c sl o a d i n g c o n d i t i o n k e yw o r d s ：h i g h w a ye n g i n e e r i n ge m b a n k m e n t - r e t a i n i n gw a l l d y n a m i c sl o a d i n g i n s t a b l em e c h a n i s m s r e i n f o r c e m e n ts t r u c t u r e 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果也不包含为获得中南大学或其他单位的学 位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 1 作者签名：d 土4 1 - 日期：上蛐月日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位 论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容， 可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部 门规定送交学位论文。 作者签名：二垒4 l 导师签名： 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 在高等级公路或铁路等工程设计中，为防止公( 铁) 路路基填土或山坡土体坍 塌而修筑的承受土体侧压力的墙式构造物，统称为挡土墙【l l ，其广泛应用于支撑 路堤填土、路堑边坡、桥台、隧道洞口和河流堤岸等处。由于其具备提高稳定性 和节省占地等优点，因而在路基工程中占据不可或缺的位置。 挡土墙按照其结构形式的不同可分为重力式挡土墙、锚定板式挡土墙、扶壁 式挡土墙、加筋土挡土墙、锚杆式挡土墙、垂直预应力锚杆挡土墙等【2 】。 根据墙体刚度的不同，挡土墙又可分为刚性挡土墙和柔性挡土墙两类。刚性 挡土墙是指墙体本身刚度较大，在土压力作用下墙体基本不变形或变形很小的挡 土墙，如用砖、石、混凝土、钢筋混凝土等材料建筑的重力式挡土墙、悬臂式挡 土墙等。柔性挡土墙是指墙体刚度不大，在土压力作用下墙体本身会产生变形的 挡土墙，如支撑墙、板桩墙、锚定板挡土墙等。 在上述挡土墙中，重力式挡土墙的应用范围最广，是历史最悠久的一种挡土 墙，而加筋挡土墙和锚定板挡士墙则是近几十年来发展起来的一种新型挡土 墙，是一种节省材料和场地的挡土结构。随着国民经济和科学技术的发展，挡土 墙应用范围和种类越来越广，尤其是在交通工程中应用更为广泛。 1 2 研究的目的和意义 采用挡土墙作为高填方路基段的支挡结构是公路及铁路路基建设中常见的 结构形式，诸如加筋土挡土墙、重力式挡土墙、锚定板式挡土墙等。挡土墙具有 结构简单、占地少、施工方便和造价低等诸多优点。但在其投入使用一段时间以 后( 个别甚至在建设过程中) ，随着时间的推移，由于种种原因，各类挡土墙时 常出现不同程度的失稳现象： g 1 0 4 界河立交桥两端接线采用加筋土挡土墙技术，建成于1 9 9 0 年1 0 月， 建成初期即发生轻微墙体外鼓现象。从1 9 9 7 年起，外鼓现象逐渐加剧，至2 0 0 0 年6 月，最大位移量相对值达1 0 0 唧，绝对值超过2 0 0 姗，路面局部发生纵向 开裂，两侧护栏内倾，顶部面板局部脱落，墙体整体失稳【3 】。 始建于1 9 9 5 年1 0 7 线京广铁路王店立交桥改线工程引桥及端部重力式挡土 墙，由于公路振动及路面交通过大等原因，致使挡土墙有多处发生裂缝，路面发 中南大学硕士学位论文第一章绪论 生明显的沉降，严重影响公路交通正常运行，见图卜1 。 图卜1 加固前的失稳挡土墙 挡土墙的失稳问题带有普遍性，国内类似工程有几百处，严重者甚至有可能 酿成墙体倾覆、交通断绝、人员伤亡等严重事故。因此，如何根据不同的失稳原 因，从设计和施工阶段即采用有效的加固措旖，以消除挡土墙失稳的事故隐患， 已经成为一个非常紧迫的研究课题。 作为所有挡土墙结构形式中难度最大、结构最复杂，也是最易失稳的路堤坡 间挡土墙，其设计与施工则更是一个重大的工程技术难题。所谓坡间挡土墙是指 半填半挖段的路堤挡土墙，一般是位于自然边坡的坡面上。坡问挡土墙主要有两 种失稳类型： ( 1 ) 单纯失稳。所谓单纯失稳是指由于填方质量不好，墙体支挡能力不够， 路面荷载过大而引起墙体本身的失稳，常见的挡土墙失稳大多属于此类情况。 ( 2 ) 间接失稳。此类失稳是指由于坡体滑动导致墙体基础外移，容易诱发整 个墙体倾覆的严重工程事故，这是所有挡土墙事故中最严重的情形。 路堤坡间挡土墙失稳的主要特征： ( 1 ) 坡体滑动。这是此类失稳的根源。其特点是由于挡土墙所在的原始路堤 边坡坡体发生滑动，进而导致整个墙体外移失稳。 ( 2 ) 路面开裂。墙体失稳后，首先可察觉的迹象是路面产生裂纹，严重者甚 至可在路面的横断面上形成阶梯状。 ( 3 ) 破坏迅速。坡间挡土墙失稳区别于单纯失稳最大的一点就是坡间挡土墙 失稳破坏十分迅速。一般情况下，只要出现迹象，即会在短时问内( 不超过一个 月) 造成墙体倾覆、交通断绝的严重事故，没有足够的后续加固治理时间。对此 类事故处治的重点是预先防止而不是事后处理。 各类挡土墙是国内外己广泛应用的成熟技术，国内也制定了不同标准的设计 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 与施工规范，但是路堤坡间挡土墙在施工期间或在运行一个时期以后，会频频发 生严重的失稳塌方事故，经综合分析，主要有原因如下： ( 1 ) 自然原因 原坡体本身不稳定，即使不扰动，也可能滑塌，又由于勘察工作不详细， 没能预先采取有效的预防措施，发生事故是必然和不可避免的； 雨水渗透、采空区的存在及地震等原因也可能诱发坡体滑动 ( 2 ) 人为原因 经过人工挖填后，打破了原来坡体的自然平衡，开挖揭露面可能导致雨 水的大量渗入，改变了边坡岩土体的力学特性； 支挡措施单一。现行的规范，没有对坡间挡土墙提出专门的设计要求， 一般只是采用一种单一的设计形式( 或加筋土，或锚定板，或重力式) ，没有根据 坡问挡土墙的失稳特点，将挡土墙的施工当作边坡加固的组成部分，常常是单纯 侧滑失稳避免了，而更为严重的间接侧滑却发生了。 失稳挡土墙的加固方法主要有预应力锚固、重力式翼墙、后跺式扶臂墙、喷 射混凝土和预应力锚杆联合加固以及加筋喷射混凝土和预应力锚秆联合加固等， 就单一的预应力锚固而一言，它不能和原有的挡土墙充分结合，尤其是对片石重 力式挡土墙，不能合理利用原有挡土墙的残余支承强度；而重力式翼墙和后跺式 扶臂墙加固方法是一种被动承载的加固方式，是由于其需要占用更多的场地， - - - n 是由于其施工周期较长且工程成本较高，因而使用的越来越少；至于预应力 锚杆和喷射混凝土联合加固，从加固效果来说比前两者要好，但是由于加固结构 和原有挡土墙的结合力不够，并且素喷混凝土的抗剪强度较低，所以在一些危险 区域及重要工程中不宜使用；加筋喷射混凝土和预应力锚杆联合加固方式则克服 了上述缺点，它能够和原来的墙体充分结合而形成一个有机的整体，减少预应力 损失，共同支承土体及外来载荷。同时，在施工中可以减少喷射混凝土的回弹率， 增加混凝土的喷射厚度从而使失稳挡土墙恢复到甚至超过原有的支承能力。尤其 是当原来的挡土墙出现外鼓和局部出现破裂时，这一种加固方式会更加有效。 在实际工程中，由于挡土墙所承受的外部载荷环境不同、回填土性质以及挡 土墙的类型不同，因而，结构失稳的原因和所采用的加固方法以及同一种方法所 选用的加固参数也不尽相同。所以，问题的研究必须有针对性。即针对某一类型 的挡土墙的失稳情况，从实际出发进行比较系统的研究，了解它的失稳机理并选 择一种切实可行的加固方法，从理论和实践中加以证明其可行性并进而推广应 用。本课题所研究的内容主要是结合位于河南省境内的g 1 0 z 线京广铁路王店立 交桥改线工程引桥重力式挡土墙加固工程，就此类路堤挡土墙的失稳机理以及加 固结构参数和加固结构的作用机理等方面展开相关研究。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 路堤挡土墙失稳及加固研究综述 要对动载下挡土墙的失稳机理以及加固技术应用方面进行研究，就必须对挡 土墙的失稳机理、锚固工程应用和发展及现状、锚固理论等方面进行必要的了解， 下面就这几个方面的基本内容、应用情况以及发展趋势进行简单介绍，为课题的 研究奠定基础。 1 3 1 动荷载下挡土墙的失稳机理 1 3 i 1 基础理论研究 对挡土墙承载能力及失稳的研究已经有很长的历史了，首先是1 7 7 6 年由库 伦( c a c o u l o m b ) 提出的著名的库伦压力理论。这一理论是从研究挡土墙后宏 观土体的滑动出发，挡墙后的破裂棱体出现滑动时，土体处于一种极限平衡状态， 根据破裂棱体的静力平衡条件，求得墙背主动土压力和被动土压力。这一理论基 于以下几种假设【4 】： ( 1 ) 墙后土体为均质散粒体，颗粒问只有内摩擦力而无粘聚力； ( 2 ) 当墙体产生一定的位移时，墙后土体将形成破裂棱体，而沿着墙背和破 裂面滑动( 上移或下移) ； ( 3 ) 破裂面为一个通过墙趾的平面； ( 4 ) 挡墙后土体开始滑动时，土体处于极限平衡状态，破裂棱体在其自重 w ，墙背反力( 它的反作用力即为土压力e ) 和破裂面反力r 的作用下维持静力平 衡。由于破裂棱体与墙背及土体间具有摩擦阻力，所以e 与墙背法线成6 角，而 破裂面反力r 与破裂面成中角，并均偏向阻止棱体下滑的一侧( 如图1 2 所示) ； 1 州入 图i 一2 库伦土压力计算图 ( 5 ) 挡土墙和破裂体均示为刚体，在外力作用下不发生变形。 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 和库伦土压力不同，朗肯( w j m r a n k i n e ) 土压力是从研究弹性半无限体的 应力出发，建立在土体的极限平衡理论基础上，先求得土体压力。这一理论基于 以下几个基本假设： ( 1 ) 土体是地表为一平面的半无限体，土压力的方向与地表面平行； ( 2 ) 达到主动应力状态时，土体向侧向伸涨，达到被动应力状态时，土体向 侧向压缩； ( 3 ) 主动应力和被动应力只存在于破裂棱体之内，而破裂棱体之外仍然处于 弹性平衡状态； ( 4 ) 土体发生剪切时，破裂面为一平面； ( 5 ) 伸涨和压缩对土体的影响很小，可以忽略垂直方向上土体变形对土压力 的影响； ( 6 ) 挡土墙墙背垂直光滑，墙背与填土无摩擦作用。 这两种理论是挡土墙理论分析和设计的基础，但是由于其适用条件的限制【5 l ( 例如：朗肯土压力只适用于填土为一平面的垂直墙背和具有均布载荷，填土表面 为一倾斜平面的垂直挡土墙；库伦土压力只适应于砂性土) ，因此，后来有许多 人根据工程实际情况及试验对上述理论进行了不断完善。例如1 8 7 1 年c u l m a n n 的图解法i “。1 9 2 7 年，f e l l e n i u s 提出了条分法，后经m o r g e n s t e r n 和p r i c e 等 许多学者进行了一系列改进嗣。1 9 3 5 年，o h d e 7 提出了对数螺旋线组合面法。但 上述理论都是将挡土墙作为一个平面问题来研究，也就是将挡土墙看作是一个无 限长的一个单位长度来考虑，实际上挡土墙的长度是有限的。于是许多学者从 5 0 年代开始了挡土墙空间问题的研究。1 9 5 5 年，b i s h o p 哺l 首次采用滑移弧线的 方法对边坡的稳定性进行了分析，而后许多人将这一方法应用到挡土墙的稳定性 分析中。 1 9 6 5 年，由n e 聊n a r k 9 提出了著名的块体滑移理论( s li d i n gb l o c kt h e o r y ) ， 并将这一理论成功地应用于在动载荷条件下( 地震) 对桥墩和大坝永久性位移的 预测上，r e c h a r d s 1o 】又成功的将这一理论应用到挡土墙的设计及稳定性分析上。 k o s e k il e s h c h i n s k ! 1 1 】等根据地震的震动规律，采用伪静态( p s e u d o s t a t i c ) 分 析的方法，对地震作用下挡土墙的破坏机理进行了分析。现在这一理论已经在许 多岩土工程中得到应用，尤其是动载条件下( 既考虑水平加速度又要考虑垂直加 速度) 挡土墙及桥台的失稳分析和结构设计上，应用更为广泛。 进入8 0 年代，许多科学工作者采取更为有效的研究方法对挡土墙墙后填土 的滑裂体形状进行了更进一步的研究。我国的顾慰慈 2 1 教授得出了不同墙体时滑 移体的形状及其变化规律，从而为空间土压力的计算打下了基础。 9 0 年代以后，由于计算机技术的迅猛发展，这一领域的研究也异常活跃。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 9 9 4 年，s s u b h a s hb a b u 等人f 1 2 】利用有限元对承受外部载荷下挡土墙与土体 的相互作用问题进行了比较系统的分析，并对挡土墙的变形以及在各个方向上的 位移变化进行了预测。1 9 9 5 年，p k w o o d w a r d 1 3 恨据l a d e - d u n c a n 破裂准则利 用数值模拟的方法，对两个传统的库仑土压力系数( 主动土压力系数和被动土压 力系数) 进行了研究，并根据载荷条件和土体性质的不同提出了修正的方法，但 是，由于对l a d e 角对土压力的影响敏感性没有考虑，所以其修正方法过于粗糙。 莫尔库仑破裂准则以及与l a d e - - - g u n c a n 破裂准则比较如图1 3 ： 图1 3 丌平面上的l a d e d u n c a n 和美尔一库仑破裂面 1 9 9 7 年，d a n u t al e s n i e w s k a 1 4 】等人利用塑性硬化模型采用离心加速的方法 对加筋土挡士墙的承载能力进行了等比试验和数值模拟，结果证明：两者在挡土 墙的极限应力分布以及侧向位移变化方面的分析结果比较接近，从而进一步说明 了数值模拟在挡土墙机理分析中的可行性。2 0 0 0 年，p a o l oc a r r u b b a 1 5 1 等人， 分别采用离散元和有限元法对挡土墙的后填土的破裂角以及滑移体的形状进行 了分析，同时对加固结构( 锚杆) 的承载性能进行了评估。2 0 0 1 年，j a m e g c o l l i n 1 6 1 根据美国各类挡土墙尤其是加筋土挡土墙失稳的类型，进行了一系 列的分析，并进行了大量的数值计算，根据分析结果他认为挡板与加筋分别承受 着5 0 的载荷量，并由此提出了对加筋土挡土墙设计的修正方法。2 0 0 1 年，h o n g s u n 和x i h o n gz h a o 以及k w a n gw e i l o 提出了等效应力( e q u i v a l e n ts t r e s s ) 概 念【1 7 】( 与传统的有效应力( e f f e c t i v es t r e s s ) 不同) 。 我国许多学者在这一方面也作了大量的工作。许多著名科学家都对挡土墙的 稳定性分析及失稳机理的研究做出了重要贡献。其中沈珠江【1 8 】教授在6 0 年代提 出的散体极限平衡理论，蒋莼秋教授提出的挡土墙土压力非线性分布解以及顾慰 慈教授翻在8 0 年代对挡土墙背面填土中滑裂土体形状的研究等，为我国的在这 一领域应用提供了理论基础。 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 进入9 0 年代，于顺得、谢能刚【l 明等人应用三维有限元法，对砌块混凝土挡 土墙的稳定性及设计优化进行了分析研究。李广信、陈平【2 0 】等人利用计算机模 拟技术对加筋土挡士墙在二维超静孔压力下的稳定性进行了分析，他们认为在二 维孔压力分布下，采用朗肯理论计算是不合适的，而应采用图解法计算墙后土压 力并用圆弧滑动法进行稳定校核。鲍鹏、赵掣2 1 1 等人利用广义变分原理及线弹 性平面问题的复变函数通解，建立了挡土墙在发生任意位移时的数值分析方法。 经过2 0 0 多年的发展，有关挡土墙的基础理论研究己经取得了大量的具有应 用价值的研究成果，理论体系日臻完善，但是，由于其力学体系的复杂性，许多 理论还有一定的局限性。 1 3 i 2 动载理论研究 关于挡土墙动载下失稳的研究起源于地震土压力的计算，前苏联的罗米谢教 授研究了松散土在地震情况下的土压力问题。他认为在挡土墙设计中可以只考虑 水平方向上的加速度，而垂直方向上的加速度则可以忽略。并由此给出了地震载 荷下主动土压力和被动土压力的计算式( 式1 - 1 ) 2 1 。 硅2 川2 翥旷黯，2 。= l r h 2 端+ 蹶，2 式中：，表示土体的容重，l ( n m 3 ；伊表示内摩擦角，。；口表示挡土墙墙面与竖 直方向的夹角，。；p 是考虑水平地震加速度影响的合成加速度作用线与竖直线 的夹角，。 而后，纳皮特瓦里泽根据日本著名学者物部冈部提出的地震土压力计算公 式，考虑挡土墙在土压力和墙体惯性力的作用下将产生一个偏转角c 的影响， 并进一步求得了被动土压力和主动土压力的计算式。在以后的时间里，查古里、 罗米旅等人分别对地震载荷下，挡土墙后填土的应力分布情况进行了一系列的研 究工作，并提出，地震时填土对挡土墙的地震土压力沿墙高的分布是一个抛物线 形状【2 】。 1 9 9 6 年，o l i v e t o 和s a n t i n i 瞄】，采用一维土体结构互动模型( o n e - d i m e n s i o n s t r u c t u r ei n t e r a c t i n gm o d e l ) ，建立了在动载荷条件下土体的运动方程，并应 用这一方程式来对复杂的土体振动频率和固有模态( e i g e n m o d e s ) 进行分析。他 们用插值函数和计算出的频率进一步建立起了一组复杂的释偶( o e c o u p l i n g ) 运 动方程。应用这组方程式就可以采用时间步来计算在动载条件下挡土墙和土体的 位移变化量。 1 9 9 8 年，比利时k a t h o l i e k e 大学的g l o m b a e r t 教授和g d e g r a n d e 博士瞄1 7 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 嘲= 栽黜割m z ， 矗 中南大学硕士学位论文第一章绪论 对位移反应，路基存在一个临界加速度，当列车的速度达到或接近该速度时，路 基的垂向动位移明显增大，相当于静载荷的1 5 倍；路基刚度对垂向位移影响比 较大而对加速度却影响较小；列车速度对路基的响应力不如垂向位移明显。但是 限于计算条件和计算方法，他并没有考虑列车动载荷所引起的轨道系统振动的有 害频率，同时对车辆动载荷对路基周围的扰动范围也没有给出。 1 9 9 6 年，铁道科学院的叶阳升博士哪】在杨灿文教授的指导下，模拟列车载 荷，对循环载荷下饱和软粘土的变形特征进行了比较细致的研究，经过研究他认 为：土体的塑性模量与载荷的作用次数在对数坐标系中成双曲线的关系，而回弹 模量与动应力在半对数坐标系中成双曲线关系：饱和粘土在承受循环动载时，孔 压分布可以分为不可恢复和可以恢复两部分。但是，其研究过程中的加载过程过 于简单化，并没有考虑列车动载所产生的附加载荷，以及由此而产生的土体液化 问题。 2 0 0 0 年，天津大学的张兴强博士圆对公路动载荷下加筋土挡土墙的承载机 理进行了研究，并参照美国加州大学的u c l a 计算程序编制了动载下加筋土挡土 墙的数值计算软件，利用这一计算软件他对加筋土挡土墙动载时间与加速度的关 系进行了分析并与u c a l 程序进行了比较。 综上所述，关于动载下结构的失稳问题，取得了不少具有实际意义的研究成 果，但动载下有关土体的强度变化特征、移动规律以及对承载结构体破坏的研究 大都拘泥于地震震动载荷条件，只是考虑土体的运动加速度对结构体的破坏作 用。而对于车辆载荷下挡土墙以及土质边坡的失稳研究则没有相关资料可以查 阅。近几年来，随着交通流量以及大型重载车辆也迅速增长，车辆与路基的相互 作用问题日益受到人们的重视，并取得了一些成果，但是，动载下路基边坡以及 挡士墙的失稳机理研究问题，目前少有相关文献和研究资料。 1 3 2 锚固工程发展与现状 锚固工程是岩土工程领域的一个重要维护手段，在岩土工程中采用合理的锚 固技术，能充分地发挥和提高岩土体的自身强度和自稳能力，大大缩小结构物体 积和减少结构物自重，较其它加固方式可以大量地节约工程材料，并有利于安全 施工，其己经成为目前提高岩土工程稳定性和解决复杂的岩土工程问题最经济最 有效的方法。 岩土锚固己经在挡土墙、边坡、基坑、矿井、隧道、地下工程、坝体、航道、 水库、机场以及抗浮、抗倾结构等工程建设中获得广泛应用。随着我国大力兴建 基础设施，特别是对交通、能源、水利和城市基础设施建设力度的加大，锚固工 程将展示出十分广阔的应用前景。 9 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 9 1 1 年，美国首先使用岩石锚杆支护矿山巷道【3 0 l 。建于1 8 8 0 年阿尔及利亚 切尔伐斯坝，在砂岩地基上构筑了3 0 m 高的污工重力坝。在1 9 3 4 年的坝体加高 中，首先采用了3 7 根设计承载力为1 0 0 0 0 k n 的预应力锚杆来保持加高后坝体的 稳定性，每一根锚杆有6 3 0 根高质量钢丝组成。2 0 年后测得的预应力损失只有 2 0 9 6 p ”。 6 0 年代，随着预应力锚固技术在法国、德国、瑞典、瑞士和南美一些国家 的成功应用，其应用地域迅速扩展到了美国、加拿大和澳大利亚及欧溯各国。1 9 6 1 年英国的亚格尔坝和1 9 6 6 年奥地利的斯布列希坝采用了预应力锚杆加固技术 【3 2 l 。我国的岩土锚固工程起源于地下工程【3 3 j ，自5 0 年代末期和6 0 年代以后， 在我国矿山巷道和交通隧道工程中，2 5 m 的非预应力或低预应力的岩石锚杆和 喷射混凝土支护得到广泛应用，对加速我国矿山和交通隧道工程的建设发挥了重 大作用。1 9 6 4 年，中国安徽省的梅山水库大坝基础的加固处理，梅山水库连拱 坝的最大高度为8 8 2 4 m ，从1 9 5 8 年开始蓄水发电。于1 9 6 2 年1 1 月发现，岩石 的坝基突然出现大量漏水，某些垛墙向左及向下游偏斜，有些向上提高，出现断 裂。坝基出现一条l o l m 长，最大宽度1 7 m m 的裂缝，加固采用预应力锚杆1 1 0 根，设计的承载力达2 4 0 0 l ( n 3 2 0 0 l ( n 【蚓。 7 0 年代，预应力锚固技术被广泛应用在边坡加固工程e e 3 s 。法国、瑞士、 捷克、澳大利亚先后颁布了土层锚杆的技术规范。在瑞士、法国、意大利、澳大 利亚、英国、巴西、日本、美国等广泛采用岩土锚杆维护挡土墙和边坡的稳定闻。 进入8 0 年代后，英国、日本和美国等国家开发了一种新型锚固技术二单孔 复合锚固，改善了锚杆的传力机制，能大大提高锚杆的承载能力和耐久性【3 7 】。 随着我国水利、交通、电力和城市建设的发展，我国岩土锚固的应用在8 0 年代 进入了旺盛时期。伴随着我国高强钢生产和灌浆技术的发展，长度大于1 5 m 的高 和较高预应力锚杆，在我国边坡稳定、地下硐室加固、深基坑支护、坝基加固和 抗浮结构等工程中广泛应用，标志着我国岩土预应力锚固设计、材料、施工水平 进入了一个新阶段 3 8 1 。 9 0 年代，国际间岩土锚固的理论研究、技术创新和工程应用得到进一步发 展。理论研究主要围绕地层锚杆的载荷传递机理、不同类型注浆锚杆用于不同地 层时杆体与注浆体、注浆体与土体间的粘结应力及其分布状态展开的，提出了“注 浆锚杆的侧向刚度、注浆体长度及膨胀水泥含量对杆体及注浆体特性的影响”、 “有侧限状态下注浆锚杆的性质”、“锚杆注浆体与岩石界面的现场特性”、“粘 结应力分布对地层锚杆设计的影响”和“单孔复合锚固理论与实践”等理论研究 成果，对改进锚杆设计和发展能充分利用地层强度的锚杆体系具有特别重要的作 用【3 9 1 。在技术创新和技术应用方面，中国的成就是特别令人注目的。从1 9 9 3 年 1 0 中南大学硕士学位论文第一章绪论 到1 9 9 9 年，据初步统计，中国在深基坑和边坡工程中预应力锚杆的用量约为 2 0 0 0 k m 3 0 0 0 l c i l l 4 0 l 。葛洲坝的闸墩加固是目前我国在大坝中应用预应力锚杆规 模最大的工程。工程中总计采用预应力锚杆2 4 0 0 根，锚杆长度为1 6 m 2 0 m 张拉 力为1 2 0 0 3 2 0 0 k n ，工程加固后效果比较理想1 4 l 】。北京中国银行大厦基坑开挖 深2 1 5 m 2 4 5 m 穿越的地层为人工堆积层、粉质粘土，细中砂和砂卵石层。由 3 4 排预应力锚杆背拉厚8 0 0 m m 地下连续墙作支挡结构，共采用设计8 0 0 k n 的锚 杆1 3 0 0 根，成功地维护了基坑的稳定。基坑周围的最大位移量仅为3 0 砌【4 2 l 。 这一时期国际间的学术交流也十分活跃，9 5 、9 6 、9 7 连续三年先后在奥地 利、中国和英国举办了关于地层锚固和锚固结构的国际学术会议，广泛交流了岩 土锚固的理论、设计、材料、施工、腐蚀、防护、试验、长期性能、荷载传递和 界面上的粘结特性等成果。毋容置疑，当今国际间岩土锚固的理论和实践己经提 高到一个新水平，为广泛应用岩土锚固技术打下了坚实的基础。 总之，随着应用领域和使用范围的不断发展，随着施工技术和旌工机具的不 断改进，预应力锚固在世界范围内已经形成了一种非常重要的工程技术。 1 3 3 注浆工程发展与现状 注浆技术是岩土工程学的一个分支，如同土力学的发展一样，注浆技术是由 经验逐步完善成为一门具有独特理论的技术。它是锚固工程中一种极为重要的施 工方法。 注浆技术已经有近2 0 0 年的历史，其大致上可以分为四个阶段：原始粘土浆 液阶段( 1 8 0 2 1 8 5 7 ) ，初级水泥浆液阶段( 1 8 5 8 1 9 1 9 ) ，中级化学浆液阶段 ( 1 9 2 0 1 9 6 9 ) 以及现代注浆阶段( 1 9 7 0 ) 嘲。 1 8 0 2 年，法国人查里斯在修理d i e p p e 冲刷闸时，用一种木制冲击简装置， 采用人工冲击的方法向地层挤压粘土浆液，被称为注浆的开始。此后，法国在 1 9 世纪中叶，应用这种注浆方法对建筑物的地基进行加固，以后这种方法相继 传入英国和埃及。从1 8 0 2 1 8 5 7 年期间，注浆技术进入原始的萌芽阶段，注入 的方法比较原始，浆液主要来自于粘土、火山灰、生石灰等简单材料。 1 8 2 6 年，英国的阿布斯丁研制成功了普通硅酸盐水泥，1 8 4 5 年美国沃森首 次在一个溢洪道基础下灌注水泥浆。英国的基尼普尔在1 8 5 6 1 8 5 8 年间，用水 泥作为注浆材料进行了一系列的注浆试验，并获得成功。1 8 6 4 年，巴洛利用水 泥浆液在隧道加固中使用并用于伦敦和巴黎的地铁工程。1 8 7 6 年，美国的托马 斯和霍克斯莱利利用浆液下流方式向一个水坝注入硅酸盐水泥浆液。1 8 8 0 1 9 0 5 年，他们又相继研制了压缩空气和类似目前采用的压力注浆泵等注浆设备。日本 最早于1 9 1 5 年在长崎松岛煤矿立井施工中，采用了水泥注浆。硅酸盐水泥的发 中南大学硕士学位论文第一章绪论 明和注浆设备的不断发展，为注浆技术的应用创造了条件。 1 9 1 4 年，比利时的弗兰克伊斯用水玻璃和硫酸铝浆液注浆，而后德国的汉 斯耶德研制了水泥浆和水玻璃的一次压注法。从化学注浆开始到4 0 年代，注浆 材料主要是以水玻璃为主，并且在欧美等国家被广泛采用。5 0 年代，美国研制 了粘度接近水、凝结时问可以控制的丙烯酞胺( a m 一9 ) ，而后又相继研制成功了木 质素类、酚醛树脂类、丙稀盐酸类、聚胺脂类、环氧树脂类及不饱和聚脂树脂等 各项异性的注浆材料。1 9 7 4 年，由于日本发生了注丙稀酞胺引起的中毒事故， 世界范围开始禁止使用有毒的化学浆液。于1 9 7 8 年，美国也停止了a m 一9 浆液的 生产。我国化学注浆主要以水玻璃为主，其它化学注浆材料开始于5 0 年代，由 于三峡水利工程的需要又开始进行环氧树脂和甲凝类材料的研究。 随着化学注浆的出现和发展，注浆理论和工艺相继产生。1 9 3 8 年m a a g “1 发 表了在颗粒材料中注浆的简化理论。该理论假设浆液在均匀、各向同性介质中流 动时，按球形扩散流动，从而使注浆压力、流量、扩散半径、浆液的粘度、岩土 的空隙性及渗透性等因素联系起来。随后出现了柱状渗透理论，注浆工艺也在不 断革新。除简单的钻杆和过滤管注浆法外，由于化学注浆凝结时间比较短，大多 情况下是注入两种浆液，根据两种浆液的混合方式研制出不同的注浆方法及孔内 装置。随着注浆技术的广泛应用和深入研究，现在己形成了渗透注浆、压密注浆、 劈裂注浆和复合注浆等理论和工艺。 6 0 年代末期，出现了高压喷射注浆技术。将水力采煤技术与注浆技术结合 起来，用高压水和浆液切割土层形成空穴，再将浆液和土体搅拌固结成形，克服 了软土注浆难以控制的不足。高压注浆技术从单管逐步形成双管和三管。高压注 浆技术的出现，使注浆结石体由散体发展成为结构体，从而使注浆技术具有高度 的统一性。另一方面，随着人们环境保护意识的逐渐增强，注浆材料向超细水泥 方向发展，并有逐步替代化学注浆的趋势，这样不但可以减少对环境污染而且又 能降低工程成本。 伴随着注浆材料和注浆技术的不断发展，现已形成了渗透注浆、劈裂注浆、 裂隙注浆和复合注浆等理论和工艺。 1 3 3 1 渗透注浆理论 渗透注浆理论是借助于流体力学和固体力学的理论发展而来的，对浆液的单 一流动形式进行分析，建立压力、流量、扩散半径和注浆时间之间的关系。渗透 注浆是在不足以破坏地层构造下，把浆液注入到粒状土的空隙中，从而取代和排 除其中的空气和水。对于松散土体，通过注浆从内部渗透入土体中去，使得浆液 与松散土体结合，将土体粘结成一个整体，改变土体的力学性质，提高c 、c p 值。 对于浆液难以渗透的岩土体采用高压注浆主要起到压密和劈裂加固的作用。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 9 3 8 年，m a a g m 首先推导出浆液在砂层的渗透公式。他作了如下假设：浆液 从钻杆底部孔注入土体，注浆源为点源，浆液在地层中呈球状扩散，浆液为牛顿 体。由此他根据达西定律推出了计算注浆压力水头和注浆时间的计算公式( 式 i - 3 、式卜4 ) 。 氟：塑( 1 - 3 ) 3 砜 f ：互堕 ( 1 4 ) 3 k , r o 式中：k 表示岩土的渗透系数；表示浆液粘度与水的祜度之比；，l 表示浆液的 扩散半径，m ；r e 表示注浆孔半径，m ；n 表示砂土的空隙率。 而后，r a f f l e 和g r e e n w o o d 又进一步推导出如下的计算式1 ( 式卜5 、式 1 - 6 ) 。 啊= 杀p c 丢+ + 爿 m s ， ，= 篆降r 1 2 州一譬c 和 m 6 ， 式中：各符号意义同卜3 ，i - 4 式。 前面所推出的渗透注浆公式都是将具有一定粘度的浆液运动状态看作是与 地下水一致的匀速运动实际在上含水地层，注浆是驱水注浆，在浆液注入而驱 替空隙中的水和空气时，渗流运动将是减速运动根据这一现象推出了如下计算 式嗍( 式卜7 ) ： ，= i 三羞矗t 弓k 印一；，等+ h c + 等，老， c 一z ， 式中：表示注浆孔半径，i n ；r e 表示地下水影响半径，m ；最表示浆液的饱和度； t 表示饱和度为& 时浆液的渗透率；k 表示饱和度为瓯时水的渗透率：岛表 示浆液的压力，k p a ，；p e 表示地下水的压力，k p a ；见表示注浆压力和地下水压 力差，k p a 。 1 3 3 2 土体压密注浆和劈裂注浆理论 土体压密注浆始源于美国，二十世纪5 0 年代用于工程。压密注浆是用很稠 的浆液，通过钻孔向土体挤压。它适用于加固中细砂土，在美国已经使用4 0 余 年。压密注浆是在注浆处形成球形浆泡m ，浆体的扩散是依靠对周围土体的压 缩。它的主