（地质工程专业论文）路堑类土质边坡锚固技术研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 、厂 i 随着高速公路建设向山区的转移，必然会出现大量路堑类土质边坡。然 而，目于对类土质边坡破坏机理的认识不够以及加固措施不力，常常会留下 一些工程隐患且造成资源浪费。锚固技术是利用巨大的锚固力改变坡体应力 状态、调用坡体自稳能力的一种主动加固方法。它安全稳定、轻巧美观，综 合造价及社会经济效益要明显地优于传统的重型支挡结构。但目前，国内对 锚固技术的研究大多集中于岩石边坡，对类土质边坡的锚固机理( 尤其是一 些新型锚固措施，如预应力锚塞框袈、地梁等，没有成熟的计算模式) 缺乏 研究，其应用大多是基于经验的。i 本文通过大量野外调查，提出类土质边坡的概念，并分析了它不同于一 般粘性土边坡的特性：通过锚索抗拔试验研究了类质边坡的锚固力大小、 锚索刚度系数和锚索预应力损失情况；通过现场试验、理论分析和数值计算 相结合的方法，研究预应力锚索框架( 地梁) 加固类土质边坡的机理，提出 预应力锚索框架( 地梁) 的内力计算模式。最后，应用拉格朗日元法对预应 力锚索地梁加固的类土质边坡进行数值模拟，得出它具有普通锚固措施不能 达到的优越性。 关键词：类土质边坡；步堆；锚固力；预应力锚索框架n 龄；锚固效应 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t n o wt h a tt h ef o c u so ff r e e w a yc o n s t r u c t i n gi sb e i n gs h i f t e dt o m o u n t a i na r e a s ，m a n ys i m i l a rs o ils l o p e so fr o a d c u tw o u l db em a d e h o w e v e r ，t h em e c h a n i s m so fs i m i l a rs o i ls 1 0 p e sd e s t r o y i n ga r es t i l l u n c l e a ra n dt h em e a s u r e so fr e i n f o r c i n gt h e ma r ei m p r o p e r ，s os o m e h i d d e nt r o u b l e so fe n g i n e e r i n ga r eo f t e nb r o u g h ta n ds o m er e s o u r c ea r e w a s t e d t h ea n c h o rt e c h n o l o g yi sak i n do fm e t h o do fa c t i v er e i n f o r c i n g t h a tc h a n g e ss l o p e ss t r e s ss t a t u sa n di n s p i r e so n e so w ns t a b i l i t y b yh u g ea n c h o rf o r c e t h es 1 0 p ee n g i n e e r i n gb yi ti sc h a r a c t e r i z e da s s a f e t y ，l e g e r i t ya n db e a u t y m o r e o v e r ，i t st o t a lc o s t ，s o c i e t yo r e c o n o m yb e n e f i t sb r o u g h tb y i t g r e a t l ye x c e l l e dt h o s ec o n v e n t i o n a l h e a v ys t r u c t u r eu s e di nr e i n f o r c i n gs 1 0 p e b u tn o w a d a y s ，r e s e a r c ho n t h ea n c h o rt e c h n o l o g yi nc h i n am o s t l yf o c u so nr o c ks l o p e s ，n o ts i m i l a r s o i ls l o p e s t h et e c h n o l o g yu s e di ns i m i l a rs o i l s 1 0 p e s is c h i e f l y b a s e do n e x p e r i e n c e ，e s p e c i a l1 y s o m e n e w s t y l e m e a s u r e so f s 1 0 p e a n c h o rs u c ha sp r e s t r e s s e da n c h o rc a b l es a s ho rb e a m ，e t c b ym a n yf i e l di n v e s t i g a t e s ，t h i st h e s i sb r i n g sf o r w a r dt h ec o n c e p t o fs i m i l a rs o i ls l o p e sa n da n a l y z e st h e i rd i f f e r e n tc h a r a c t e r sf r o m c o m m o ns o i ls l o p e s b yt h et e s to fa n c h o rc a b l ep u l l 一o u t i n t e n s i t y ， r e s e a r c hi sc a r r i e do na n c h o rc a p a b i l i t y ，s t i f f n e s sc o e f f i c i e n ta n d p r e s t r e s s1 0 s s e so fa n c h o rc a b l ei nr e i n f o r c i n gs i m i l a rs o i ls l o p e s 。 t h em e c h a n i s m so f r e i n f o r c i n g s i m il a r s o i1 s l o p e sb yp r e s t r e s s e d a n c h o rc a b l es a s h ( b e a m ) a r es t u d i e db yt h em e t h o do fc o m b i n a t i o no f f i e l dt e s t ，t h e o r ya n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，a sar e s u l t ，t h e c a l c u l a t i o n a lp a t t e r no fi n t e r n a lf o r c eo fa n c h o rc a b l es a s h ( b e a m ) i s p u tf o r w a r d i na d d i t i o n ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fe f f e c to fs i m i l a r s o i ls l o p er e i n f o r c e db ya n c h o rc a b l eb e a mc o m e st ot h ec o n c l u s i o nt h a t t h i st e c h n o l o g yi s s u p e r i o rt o c o m m o nr e i n f o r c i n gm e a s u r e s k e yw o r d s ：s i m i l a rs o i1 s l o p e ：b e h a v i o r ：a n c h o rf o r c e ：p r e s t r e s s e d a n c h o rc a b l es a s h ( b e a m ) ：r e i n f o r c i n ge f f e c tb ya n c h o rc a b l e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 锚固技术概述 1 1 1 锚固技术的发展 第1 章绪论 岩土工程是以岩土体为工作对象，涉及岩土体的利用、整治和改造的土 木工程。它是一门自成系统的综合性技术科学。岩土工程锚固技术是以锚索 ( 杆) 支护为主要技术措施，在岩土体的利用、整治和改造中，有效控制岩 土体的稳定性，使之具有服务功能的加固技术的总称。在古代，我们的祖 先在采煤或修建栈道时，早已使用了木锚杆，同时普遍使用无机材料黏 土，有机材料糯米浆( 淀粉) ，以及树脂等作为砌块的胶结材料和防渗止 水材料。如果说那是最原始的岩土锚固工程，那么锚固技术的近期发展可追 溯到1 9 3 4 年，法国人h c o y n e 首次将其应用于a 1 9 e r i a 河的c h e a i f e s 大坝 加高工程获得成功，这项技术便在许多国家迅速推广和发展，目前在发达国 家已经形成多种体系且有多种应用。 伴随着岩土工程概念的更新，岩土工程锚固技术的发展可分为三个不同 阶段，即结构工程、岩体工程和她质工程。结构工程概念来源于建筑工程， 其基本特征是荷载结构模式，即把岩土体破坏坍落部分作为荷载，由锚 索( 杆) 结构来承担。该概念沿用了锚固技术发展之前的那些传统支挡结构 计算荷载的方法( 如地下工程中的塌落拱理论、普氏理论、太沙基理论确定 隧道荷载，边坡工程中的极限平衡分析法确定边坡滑动荷载等) ，提出锚索 ( 杆) 支护的悬吊理论。该理论要求在隧道工程中锚索( 杆) 的长度要穿越 塌落拱高度范围，但工程实践表明锚索( 杆) 长度小于塌落拱高度时，隧道 仍然安全，于是岩体工程概念应孕而生。岩体工程概念是以现代岩土力学、 数值计算方法与支护作用理论等为基本依据的。它的基本特征是充分发挥岩 土体的自稳能力，防其破坏于未然。支护适时、合理的施工步骤，主要作用 是控制岩土体的变形与位移，以改变岩土体应力状态，提高岩土体强度，使 岩土体与支护达到新的平衡稳定状态，以获得最佳的支护效益。但随着社会 经济的高速发展，社会文明化程度的逐渐提高，人们越来越强调自然环境对 人类生活的巨大作用。于是在锚固技术岩体工程概念基础上充分考虑环境因 素的影响，强调岩土体、环境因素、工程措施三者的相互作用，从维护与改 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 善环境稳定性出发，把科学、技术、管理三者结合起来，进一步形成了现今 的地质工程概念。 1 1 2 锚固技术的优越性 大量的工程实例表明，岩土锚固技术相对于其它支护方式具有巨大的优 越性，这里仅列举它在边坡工程中的主要体现： ( 1 ) 随机可调。这是指可以根据工程反馈的信息随机调整锚索( 杆) 的 数量以及施加预应力的大小，弥补初步设计的不足，能最佳地控制岩土体的 变形。这是传统支护方式所不能达到的。 ( 2 ) 深层加固。锚固技术可以根据岩士体加固需要达到的深度，合理地 调整锚索( 杆) 的长度，控制深层岩土体的变形，达到改变深层岩土体应力 状态的目的。 ( 3 ) 主动加固。通过对锚索( 杆) 旋加预应力，主动控制岩土体的变形， 充分调动岩土体的自稳能力，使其达到最佳稳定状态，防其破坏于未然。这 也是传统支护结构所不能比拟的。 ( 4 ) 经济效益。锚固技术加固边坡具有很好的经济性，且边坡越陡越经 济，因为它避免了对高陡边坡进行大规模的刷方或造宽平台，而且它对地基 没有过高要求。这是传统支护结构做不到的。 ( 5 ) 环境效益。新型锚固结构不仅安全稳定而且轻巧美观。将锚固技 术与边坡绿化相结合，能有效地达到环境保护的目的。例如预应力锚索框架 本身就是一种美观的框架结构，再在框架之间合理地种植各种绿色植物，能 有效地恢复因边坡开挖而造成的自然环境的破坏。 1 2 国内外锚固技术现状及本文研究意义 1 2 1 研究现状 锚固技术在世界范围内较大规模的应用开始于2 0 世纪6 0 年代，特别是 近二三十年来发展尤为迅速，在岩土锚固的设计理论、结构形式、锚固材料、 施工设备机具、施工工艺和应用领域等方面，都有了许多新的进展和成就， 并在整个岩土工程中占有不可缺少的地位而持续发展。锚固技术己在水电、 矿山、交通、地矿等诸多领域中得到了广泛的应用与大力的发展。在国外， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 德国的单根锚索预应力最高已达到了1 6 0 0 0 k n 。印度的坦萨坝采用锚索根数 为2 4 0 0 根、单根锚索预应力为7 0 0 k n 的预锚工程是目前单项工程的锚索根数 之最。我国漫湾水电站的预锚根数也高达2 2 7 0 多根，该项工程的预锚力总吨 位列居世界前列。 在边坡岩土锚固技术上，以瑞典、法国、南非为代表。由于条件优越， 对具体的工点他们能进行专门细致的调查和综合测试工作( 如岩土的真三轴 实验、扫描电镜分析等) ，而且能在施工时高精度地进行监测和各种控制性工 程( 如预裂爆破、光面爆破等) ，同时广泛地使用计算机分析技术( 如瑞士 b r u g g 公司的防崩分析系统、加拿大g e o s l o p e 系统) ，加上环保需要，所以 他们的边坡设计广泛地采用锚固技术，以减少开挖工程量并尽量地不破坏环 境，当然价格比较昂贵( 如法国马赛高速铁路某土质边坡，高2 8 米，采用锚 固系统加固，坡率l ：0 2 ) 。 国内的岩土锚固技术主要多用于高层建筑的深基坑支护，但基坑属于临 时性支护，其设计要求是基础施工时，基坑壁不发生过大变形和涌水：而边 坡是永久性工程，其要求及设计理论与基坑有很大不同。近年来，水利、矿 业、铁道部门在边坡加固上采用锚固技术也取得了很大的成就。 目前，在进行锚索体的设计中，一般采用工程类比、有限元计算及现场 试验相结合的方法，其中张拉应力的选择是十分关键的。统计资料表明”1 ： 8 0 年代以前，张拉应力多为钢材最大抗拉强度的0 6 o 6 5 倍；近年来在建 筑、铁路、水电等系统，尤其是在国外的预应力混凝土设计中，有提高张拉 应力的趋势，但一般控制在钢材抗拉强度0 7 倍以内。在锚根的设计中，目 前尚不能准确计算出锚根的长度，设计计算时都假设锚根轴向的剪应力呈倒 三角形分布，假定岩体从内锚段为起点呈倒锥形破坏，不计岩体抗剪强度， 只计倒锥体的质量来计算锚根长度，但最后还得经过现场试验确定。 国内工程中预应力锚索材料主要用高强预应力钢铰线、精轧螺纹钢筋和 高强度预应力钢丝束。锚具多选用q m 、o v m 体系，该体系可实现单根张拉、 整体张拉、重复张拉锚固锁定等特点，长江三峡链子崖工程2 0 0 多根锚索均 采用q m 型锚具。日本近几年在预应力锚周方面有e 系列的4 种类型锚具，其 结构与我国q m 系列锚具类似，但其功能比我国的锚具多。目前国内外多采用 粘结式锚周，用注浆的方法进行施工。注浆材料一般采用水泥砂浆，一般浆 液的水灰比大多控制在0 4 5 0 5 ，注浆压力为0 5 0 8m p a 。为了提高预 应力锚固强度和可靠性，人们正试着在浆液里掺入一些钢纤维和玻璃纤维， 还掺入一定量的膨胀剂。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 尽管不同结构的预锚支护作用原理相同，即控制岩土体变形与位移，改 善岩土体应力状态，提高岩土体强度，促进岩土体稳定性，但结构类型不同， 其作用机制也是不一样的。以下为国内外当前比较先进的几种预锚技术： ( 1 ) 扩底承压式锚索。该类型锚索实际上是一种压力型锚索，在日本及 我国台湾等已有了定型的产品及技术规范，我国大陆也进行了研究和生产试 验，与国际水平接近。 ( 2 ) 多段扩孔及钻具。随着岩土工程量的逐年加大，以往预应力锚固多 用于岩层中，近年来在软土层中推广利用预锚，在锚孔的结构上采用了扩孔 和多段扩孔，来保证锚固时锚根的可靠性：随之，需求经济、操作简便可靠 的扩孔钻具，地矿部成都探矿工艺研究所己进行了研究和试验，取得了较好 的效果。 ( 3 ) 可回收式锚索。该类型锚索应用在一些i 临时锚固工程中，待工程结 束后必须拆除，大大降低了临时工程的造价。例如台湾大地公司的g e c 多段 可拆式地锚以及台湾探勘工程公司的可拆式地锚已在台北新客站的工程中大 量成功使用。 ( 4 ) 压力式锚索。它提供的预应力由锚头经钢铰线直接传递到固定端的 承压锚头，使承压锚头由下而上压迫灌浆体，因而塑性变形和徐变均较小， 因灌浆体能承受大的压力，固压力式预锚的承载力比拉力式预锚大。 ( 5 ) 预应力锚索框架( 地梁) 。该锚固结构是本文研究的重点，它是由 钢筋混凝土框架( 地梁) 与预应力锚索组合成的，主要用于滑坡治理，边坡加 ( a ) 即将竣工的锚索框架 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 ( b ) 锚索地梁 照片l l预应力锚索框架、地梁加固的类土质边坡 固，特别适合于加固( 类) 土质边坡。其外形美观，作用方式独特，是一种 较为先进的新型边坡支护方式。照片1 一l 即为用预应力锚索框架( 地梁) 加 固的漳龙高速公路某类土质边坡。 1 2 2 本文意义 福建是个多山的省份，因气候湿润多雨，山体多发育有厚层或巨厚层的 花岗岩风化壳或坡残积层。随着高速公路建设向山区的转移，在这些地区修 建高速公路，路堑的开挖必然会导致大量路堑类土质边坡的出现，如何计算 分析这些边坡的稳定性，并采用经济安全的手段进行加固，以保证高速公路 运营的畅通无阻，是一个极其重要的课题。 然而，在公路部门，由于缺乏对类土质边坡破坏机理的认识和相应的分 析计算手段，使得类土质边坡的设计难尽人意。同时由于现场加固边坡的手 段落后( 主要是重力式挡墙、抗滑桩等“被动”加固措施，这些设施多是在 边坡发生位移之后才产生作用，又因其自重大，对地基要求高，所以它们能 防护的边坡高度有限。遇到地质条件较差的边坡时，往往以大刷坡、宽平台 甚至明洞为代价，造成了一定程度的工程浪费) ，所以在山区高速公路施工现 场，大量的类土质边坡发生了破坏，有些甚至在通车数年之后发生了坍塌或 滑坡。 近年来，岩土锚固技术开始用于边坡加固，如预应力锚索、锚杆、钉 话南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 墙等。它们均以安全稳定、轻巧美观而著称，其原因是它们均以主动改善边 坡的应力状态为主，如果结合适当的排水措施，对于高陡的路堑边坡，其综 合造价及社会经济效益要明显的优于传统的重型支挡结构。而且这些技术在 冶金、水利、铁道等部门已经取得了很大成就。但冶金、水利部门的边坡虽 然高陡，且受力特殊，如在坡脚不断开挖、库水动压等，但由于数量少( 相 对于某个具体工程来说) ，可以作为专题研究( 如一个大型水库，其地质论证 就包括地震、地应力、不良地质等很多专题，往往要进行几年时间) ，且多为 岩质边坡；山区铁路的边坡虽然是线状分布，延伸长、数量多，但其路基较 窄，边坡较低。而高速公路由于其路基面宽，形成的边坡高，对山体的扰动 较大，且数量多、地质水文情况变化复杂，与以上部门的边坡有着很大的不 同。 国内对岩石边坡锚固技术的研究相对较多。对于土质边坡，尽管有一些 成功应用的先例，但对于锚索( 杆) 在土体中的作用机理以及范围，都未曾 做过系统深入的研究，使得这些轻型支护结构的使用极具经验性。同时由于 公路里程长、勘测时间短，不可能象水利水电或矿业部门一样定点工作( 往 往由专家论证) ，所以专门进行山区高速公路土质边坡锚固技术加固的研究显 得尤为重要。 1 3 本文主要内容及研究思路 本文是结合漳龙高速公路和溪段花岗岩风化壳类土质边坡的锚固技术加 固展开工作的。通过实地调查、现场试验和理论分析来研究类土质边坡的锚 固机理，得出了一些有意义的结论。主要研究内容如下： ( i ) 通过实地调查，分析路堑类土质边坡的特性、破坏形式和机理； ( 2 ) 通过锚索抗拔和预应力损失现场试验，研究类土质边坡的锚固特性， 并进行刚度分析，为此类边坡的锚固设计提供参数； ( 3 ) 根据现场测试和理论分析结果，探讨预应力锚索框架( 地梁) 与类 土质边坡相互作用的机理，推导锚索框架( 地梁) 内力计算模式； ( 4 ) 对类土质边坡的锚固效应进行数值模拟，分析预应力锚索地梁作用 下边坡的变形情况及应力分布。 本文研究技术路线见图1 - i 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 路堑类土质边坡锚固技术研究 类土质边坡特性及锚固等效参数 破坏形式ii 破坏机理锚固等效参数 锚固力试 验研究 锚 索 抗 拔 预 应 力 损 失 预应力锚索框架( 地 梁) 内力计算模式 现 场 试 验 理 论 推 导 数 值 计 算 模 拟 原 理 锚固效应 数值模拟 建 一 止 模 型 得出结论，指导边坡锚固工程的设计与施工 图卜1 论文研究技术路线 结 果 分 析 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章类土质边坡特性及锚固等效参数 2 1 引论 大量的工程实践表明，花岗岩等火山岩残积土质边坡稳定有其特殊性， 传统的边坡设计是以残积土的室内实验值为依据，忽略了该类边坡稳定的特 殊性，致使部分边坡一垮再垮，给建筑及道路工程造成严重的威胁。花岗岩 残积土是指花岗岩经风化淋滤后在原地形成的残留物质，同母岩相比，它已 被风化分解成松散体，大部分矿物已经风化变质，但它在一定的程度上仍然 继承着部分的母岩结构面，使得其稳定性不同于一般的粘性土边坡。然而长 期以来所做的工作大多是采用一般粘性土的处理方法，通过室内实验测得其 抗剪强度指标；也有部分学者把花岗岩残积土当做一种特殊类型的混粒土， 试图从粒度成分入手，寻求其性质变化的界限指标，对其进行工程分类。这 些研究都没有考虑残积土类似于岩体的特性，即结构面对其稳定性的重要作 用。这些作用在边坡工程中表现尤为突出，导致残积土边坡稳定的实验值常 常大于实际值。表2 - i 是几种方法测得的花岗岩残积土抗剪强度指标，按 表2 一l 花岗岩残积土抗剪强度试验值 以上指标，边坡可直立7 8m 高，但实际上多数边坡在更小高度，更缓坡角 下失稳。为突出残积土的工程性质，引起人们对其特殊性的重视，本文将由 该类土体组成的边坡统称为类土质边坡。所谓类土质边坡，就是指由花岗岩、 熔岩等火山岩风化而成的具有岩体结构特征的土体物质或破碎岩体物质组成 的边坡，包括残积土边坡，全风化和强风化软岩边坡等。研究类土质边坡的 特性，探讨其不同于一般粘性土边坡的破坏规律，对评价该类边坡的稳定性 以及选择合理的支护措施具有重要的指导意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 2 类土质边坡破坏形式 由于类土质边坡具有类似于岩体的特性，因而其破坏形式与一般粘性土 边坡有着很大的不同。仅少数以圆弧形式破坏，绝大部分都是沿软弱面滑动， 倾覆破坏和坡面冲刷。 2 2 1 沿软弱面滑动 所谓软弱面就是指那些由母岩结构面风化而成的延伸较远，且充填有一 定厚度软弱物质，抗剪强度低，可变性大的结构面。例如花岗岩中常见不均 匀分布的岩脉，有些岩脉( 如二长岩脉，煌斑岩脉等) 抗风化能力较弱，形 成纯高岭土化的软化夹层。这些软化夹层对水的作用表现出很高的敏感性， 遇水之后将发生一系列的不良地质作用，这些作用中有软化、泥化、溶蚀、 潜蚀等，其中以软化、泥化为主。经过这些作用后，软弱面的力学强度大大 降低，t g 妒值常常降为0 2 以下，小于表2 1 中的试验值。此外，上部土体 与基岩接触面也是比较危险的滑动面。 该类破坏主要发生在平面型与汇流型斜坡中，占类土质边坡破坏数量的 绝对优势，而且与边坡高度无直接关系，主要取决于临空面与结构面的空间 组合关系以及结构面的抗剪强度。当结构面的倾向与边坡倾向一致时，即使 边坡高度再小，也很容易滑动。此类滑动多发生在雨季，降雨使结构面软化， 滑体原有裂隙扩展或产生新裂隙，逐渐解体为滑动块体，滑动块体强度进一 步降低而沿结构面滑出。 2 2 2 倾覆破坏 当控制类土质边坡稳定性的结构 面近于直立而且结构面为拉裂性时， 容易产生倾覆破坏，如图2 - 1 所示。 这种结构面常为由于人工开挖，土的 膨胀，物理化学风化等因素作用而形 成的裂隙。结构面平直、光滑，如刀 劈一般，无滑动痕迹。失稳土体高度 达到5 8 m 时，很容易首先在坡脚某 点发生破坏，进而引起背向临空面的 图2 - 1 倾覆破坏示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 倾覆，单块破坏体厚度一般不大于2 3 m 。此类破坏基本上是叠瓦式，每次 清除倾覆体就相当于在前缘卸荷，又会为新一轮的破坏提供卸荷裂隙。这类 边坡在短时间内一般较少发生破坏，多数边坡的失稳都发生在来年的雨季。 2 2 3 圆弧破坏 圆弧破坏是均质粘性土边坡破坏 的最基本形式。工程实践证明，强烈 的构造破碎与风化破碎的岩质边坡的 失稳形式同土质边坡十分相似。因此， 这类破碎岩体组成的边坡稳定性评价 中，也可以采用土力学中的圆弧破坏 分析法。破碎岩石边坡在各种地质条 件作用下进一步风化成类土质边坡， 图2 - 2 圆弧破坏示意图 坡体组成物质比较均匀，没有明显结构面的影响；或母岩中存在倾向与坡面 倾向相反( 不倾向于临空面) 的结构面，风化成类土质边坡后仍然只受这些 结构面的作用。这两种类土质边坡一般都会以圆弧形式发生破坏。值得注意 的是，在松散体类土质边坡中，地下水的活动是不可忽视的因素。在地下水 渗透于滑体之中的情况下，作用于滑动面上的水压力u ( 起减少法向力的作 用) 的计算，以地下水的流网为基础，如图2 - 2 所示，滑动面曰上的水压力 可用等水头线彳占表示，其大小就是两点的高程差，即c b 。但该类破坏数量 相对较少，仅局部可见。 2 2 4 坡面冲刷 坡面冲刷是指坡面表层土体在降雨及其形成的坡面流作用下破坏流失的 现象。1 。公路作为线状工程，延伸长，其路堑类土质边坡性质多样，有些风 化物抗冲蚀性弱，再加上路堑的开挖破坏了坡面的均衡，因此在不利的降雨 条件下往往形成严重的坡面冲刷。花岗岩类土质边坡由于其组成物质及粒度 成分的特殊性，为坡面冲刷的发育提供了有利的物质条件。表2 2 是花岗岩 类土质边坡常见坡面冲刷形式的分类。当边坡坡度较缓时，水力坡度较小， 不足以切割成深沟，以片蚀为主；随着边坡坡度增大，水的掏蚀能力加强， 沟蚀作用越发显著，而且常在局部缓坡位置形成落水洞；切割的沟壁越高， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1 页 表2 - 2 坡面冲刷分类 掏空的上层土的厚度越大，于是发生崩塌。山岗的坡面崩塌得支离破碎，故 又称剧岗，崩岗多发生在坡面坡度6 。2 2 。之间。照片2 一l 为某花岗岩类土 质边坡冲刷全貌。在路堑类土质边坡工程中，排水措施不力及支护方式不当 都会留下严重的坡面冲刷隐患。 照片2 一l 某花岗岩类土质边坡冲刷全貌 2 3 类土质边坡滑动破坏机理 类土质边坡渗透性好，在降雨期间含水量变化快，因而类土质边坡的破 坏与降雨强度关系密切。本文仪以发生数量占多数的沿软弱面滑动破坏为例 进行分析，圆弧破坏形式的机理与之有些相似。降水入渗导致土体的基质吸 力减小甚至完全丧失，孔隙水压力升高而造成土体抗剪强度降低。随着孔隙 水压力的进一步增加，软弱面附近局部土体出现剪胀，土体孔隙比增加，孔 隙水压力降低；随着降雨及地表径流的入渗，剪胀土体中的孔隙水压力恢复 并增加，剪胀土体发生剪胀破坏，边坡士体由于剪胀破坏而出现张、剪裂隙， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 并使土体中原有的其它裂隙、孔隙等扩大扩展。当降雨足以使剪胀或剪胀破 坏土体中孔隙水压力恢复时，边坡土体继续变形。降雨入渗使裂隙饱水，裂 隙中的水分进一步向破坏土体快速入渗，土体剪胀破坏区扩展；随着土体应 变的进一步增大，土体开始出现应变软化。在应变软化过程中，破坏土体中 孔隙水压力增加，甚至部分土体出现液化现象，致使土体中剪应力集中并转 移到相临未破坏土体，使其所受剪应力增加并超过其抗剪强度而破坏。破坏 的进一步扩展造成破坏面贯通，土体从原地滑出。从上述内容可以看出，类 土质边坡的破坏机理可概括为由常剪应力排水剪胀破坏和其后的应变软化或 液化造成的剪应力转移、破坏扩展两个过程的复合机制。 通过以上分析，可以将类土质边坡的破坏过程概括为以下六个阶段( 如 图2 3 所示) ： ( 1 ) 降雨入渗饱和阶段。降雨的入渗使得软弱面附近的土体基质吸力减 小甚至完全丧失，坡体中孔隙水压力迅速增大： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 图2 - 3 类土质边坡破坏过程 ( 2 ) 排水剪胀阶段。随着孔隙水压力的逐渐增大，土体的有效应力迅速 减小，因而在软弱面附近某些最软弱部位首先产生剪胀变形，导致孔隙水压 力减小，但随着降雨的入渗补给，孔隙水压力很快恢复； ( 3 ) 剪胀破坏阶段。孔隙水压力减小与恢复周而复始的进行，致使剪胀 变形逐渐加剧，坡体中出现张剪裂隙，原有的垂直裂隙、大孔隙进一步扩展。 此时的边坡土体开始出现及其缓慢的蠕动，地表径流及降雨向土体中入渗， 土体中孑l 隙水向剪胀破坏区渗流； ( 4 ) 破坏扩展阶段。土体的剪胀破坏导致强度降低，孔隙水压力的恢复 使得土体强度进一步降低甚至丧失，于是剪胀应力向相临区转移，致使相临 区土体由于剪胀应力超过其抗剪强度而产生剪胀破坏。剪胀破坏区迅速扩展， 土体进一步变形和蠕滑，张剪裂隙和原有垂直裂隙与软弱面相互贯通，蠕动 土体形成块体； ( 5 ) 应变软化阶段。随着变形的进一步增大，软弱面附近的土体开始出 现应变软化现象，蠕动块体间产生差异性滑动裂缝，在地表表现为不连续挤 压或差异性变形。蠕动块体向滑动面挤压使得孔隙水压力升高，部分位景甚 至产生液化现象，土体强度丧失，由原地向外滑移； ( 6 ) 滑动解体加速阶段。滑动土体由于应变软化而使得强度进一步降低， 滑动速度加快，各滑动块体间因滑动速率的差异而相互碰撞或脱离，致使滑 动土体分散解体，解体后的土体从原地滑出，在重力的作用下沿滑动面以滑 动或碎屑滚动的形式加速运动。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 4 类土质边坡锚固等效参数的选取 由于类土质边坡具有类似于岩体的工程性质，因此锚固技术在类土质边 坡加固中显示出巨大的优越性。它通过调整边坡内部的应力状态，提高边坡 的整体性和自稳能力来体现锚固效果。为突出这一特征，本文通过综合考虑 土体与锚索( 杆) 共同作用的整体效应，推导理想状态下加锚类土质边坡的 等效参数，对边坡锚固设计彻底摆脱传统的结构工程概念约束，从整体角度 分析边坡起到抛砖引玉的作用。 2 4 1 等效刚度系数 假设边坡为弹性体，坡体中只有一组软弱面，且软弱面厚度、产状具有 统计一致性，软弱面间完整土体厚度、产状近似一致，模型如图2 4 所示。 图中f 为锚固力，设完整土体的法向刚度系数为瓜。、切向刚度系数为瓜。、 软弱面法向刚度系数为如、切向刚度系数为衅，。则 t = f c o s 0 ，n = f s i n 臼 ( 2 - 1 ) 软弱面层数 m = ( l h ) ( h + e ) 完整土体层数 i 1 = 聊+ l = ( 三+ 8 ) “ + p ) 根据固体力学原理可得 幽= 惟去嘻爿 c z z ， r nv 这7 再设经等效后的法向及切向刚度系数分别 为k 。和k 。，则 a h = n x 。，a b = 吖k 。( 2 - 4 ) 黝有 1 以2 喜丢k 套k 三 c z s ， 丘。智。鲁。， 7 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 5 页 一1 ：步一i + 囊1 ( 2 6 ) k t 鲁ks 。乞k 。 ? 式( 2 - 5 ) 、( 2 - 6 ) 为等效法向、切向刚度系数的计算公式。 2 4 2 等效强度参数 仍然只考虑存在一组软弱面的情况，如图2 4 所示。假定完整土体和软 弱面的强度参数分别为c i 、仍和c ：、p ：，等效强度参数c 、妒不相关。 根据库仑强度理论 有 其中 7 ，= c + 盯t a n c p r ，1 = c l + 仃t a n 妒1 f ，2 = c 2 + o r t a n q 2 仃= n b = f s i n o b 假定等效模型等效前后在水平面上受力相等，设为f ，则 又有 所以 ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) f = t y i 拍2 + f f ：胁= ( c t 哪蚴等+ ( c ：圳锄伊：妞等 ( 2 _ 1 0 ) f = f c + c r t a n q d ) b l ( c + 口r t a n c p ) l ( h + e ) = ( c 。+ o r t a ng o l 如乜+ 8 ) + ( c 2 + a t a n q ，：k ( l 一向) ( 2 - n ) 酉南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 因为c 、妒不相关。所以由式( 2 1 1 ) 可得 c = 坐半 盯t a i l 妒e + p ) = a t a n 9 1 h ( l + e ) + a t a n c a 2x e ( l 一向) 锄妒= 业些塑嗟蔗严型j 2 5 结论与问题 ( 2 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 本文通过分析花岗岩等火山岩残积土质边坡稳定的特殊性，提出类土质 边坡的概念。并进一步分析了类土质边坡常见的破坏方式，强调水在类土质 边坡破坏中所起的重要作用。由于该类边坡具有类似于岩体而又不同于岩体 的特征，因此，用预应力锚索框架( 地梁) 加固类土质边坡是最为行之有效 的方法。再考虑在锚索框架( 地梁) 间空格处种植草皮，附以适当的排水措 施，既能防止南方地区雨季颇为严重的坡面冲刷问题，又能绿化边坡，为社 会带来巨大的环境效益。 但是本文对类土质边坡问题仅做了较为粗略的分析，对其与土质边坡、 岩质边坡的界限问题没有进行深入探讨；对加锚后边坡等效参数的选取也仅 分析了一组软弱面的理想模型，这与实际情况可能存在较大的差距；预应力 锚索框架( 地梁) 己开始应用于边坡加固，但在框架( 地梁) 间空格处多填 充浆砌片石，这不符合未来社会对环境越来越高的要求。但边坡种草技术目 前在国内正处在研究阶段，如何更有效地将边坡种草与预应力锚索框架( 地 梁) 相结合来加固边坡在当前有着较大的实际意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 第3 章类土质边坡锚固力试验研究 3 1 引论 在边坡锚固工程中，预应力锚索锚固段与周围岩土体的粘结强度值的 正确选择是治理高边坡成败以及设计是否优化合理的关键。而如何提高地层 尤其是土层的锚固力则是锚固工程设计和施工的重要前提，锚固后边坡的变 形状况( 如坡体蠕变、锚索松弛等) 对整个边坡锚固工程的效果也会产生一 定的影响。本文通过现场抗拔试验和锚索预应力损失试验分别探讨类土质边 坡锚固力的大小、锚固方式对锚固力提高的重要作用以及加锚后锚索松弛等 因素对锚固力损失的影响，为同种类型边坡锚固工程的设计提供合理的参 数；根据试验过程中锚固体与边坡的变形情况分析锚固体的刚度，为某些坡 面抑制结构设计中的变形计算和控制提供刚度参数。 3 2 锚索抗拔试验 3 2 1 试验设计 3 2 1 1 试验内容 本试验的目的是研究类土质边坡提供锚固力的能力，其主要内容有以 下几个方面：确定现场锚索体与孔壁岩土体之间的粘结强度指标；测定 二次劈裂灌浆对土层锚索锚固力的提高情况；验证所采用钢绞线本身的强 度和钢绞线与沙浆之间的粘结力；做出锚索荷载位移曲线图，分析锚固 体的弹塑性变形。 3 2 1 2 试验场地及设备 本试验场地设在福建省漳( 州) 龙( 岩) 高速公路和溪段的某锚固工 地，根据边坡岩土体风化破碎程度的差异、密实程度、含水状况以及可能产 生的病害情况等因素，选择几个有代表性的边坡为试验点，按有关规范要求 制定出路堑高边坡锚固工程试验监测方案。所选择的几个边坡包括了强风 化、微风化、中风化到完整花岗岩地层。试验设备有美国英格索兰空压机一 台，m g j 一5 0 钻机一台，5 0 k w 发电机一台，切割机一台，电焊机台，压浆 泵一台；锚索张拉设备采用y c j l 5 0 型千斤顶和z b 4 - 5 0 0 型电动油泵，该两 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 项设备均在试验前经过质检部门标定。锚头和承压墩位移选用磁力支座固定 百分表测读。 3 2 1 3 试验制备 根据既定试验方案，严格按照设计造孔。钻孔以无水干钻的方式，采 用跟管钻进的工艺以解决施工中可能会遇到的塌孔缩孔等不良钻进现象。钻 进达到设计深度后不能立即停钻，要求稳钻1 2 分钟，防止孔底尖灭。钻 孔完成后，使用高压空气将孔内岩粉及水体清除到孔外，以免降低水泥砂浆 与孔壁岩土体的粘结强度。锚索的数量及锚固段长度根据现场地质情况的变 化来确定，具体参数见表3 - i 。锚索自由段采用刷防锈漆、涂脱水黄油，最 后再整体外套p v c 塑料管等防腐手段进行处理。自由段不注浆，以确保得 到的粘结系数准确可靠。 表3 - l 试验锚索的基本参数 锚索采用0 1 5 2 4 低松弛预应力高强度钢绞线，强度等级1 8 6 0 m p a 。锚 索编束前，要确保每根钢绞线顺直，不扭不叉，排列均匀，严格按照设计尺 寸下料。钢绞线采用机械切割，严禁电弧切割。应在锚索体底端接装导向 帽，以便顺利下锚，锚固段每隔1 o m 设置一个隔离支架，在隔离支架中部 采用1 6 号铁丝绕制紧箍环。反力装置采用钢筋混凝土承压墩( c 2 5 ) ，几 何尺寸1 2 m x1 2 m x 0 6 m ，采用o v m l 5 型自锁式锚具。 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 注浆材料采用配合比为1 ：1 ：0 4 5 的水泥砂浆，水泥砂浆中添加早强剂 以缩短试验周期，抗压试验结果表明试块经过7 1 4 天均可达到强度要 求。锚孔灌浆作业一般宣为孔底反浆方式注浆。 3 2 2 试验方法 试验张拉连续进行，为分析锚固体的弹塑性变形情况，故采用循环加 载方式，在前一级荷载稳定后进行下级加载，直至破坏。初始荷载宜取 a f 。的0 1 倍，每级加荷增量宜取a f m 的1 1 0 到l 5 ( a 为锚筋截面 面积，f 。为锚筋强度标准值) 。由于锚索锚固段长度以及所处地层情况的 差异，使得试验锚索的设计破坏荷载不同，因此试验过程中采用的分级荷载 也不相同。每次加荷后至少观测5 m i n ，在观测时间内，测读锚头位移不应 少于3 次，锚头位移量不大于0 1 m m 时，可施加下一级荷载；否则需延长 观测时间，直至锚头位移增量在2 小时内小于0 2 m m 时，可施加下一级荷 载；否则需再延长观测时间，直至锚头位移增量4 小时内小于2 o m m 时， 再施加下一级荷载。由于部分地层为已风化成土状的全强风化花岗岩，加上 破坏试验相应破坏荷载较大，使得承压墩的反向位移不可忽视，本次试验设 置相应装置测读承压墩的反向位移，通过数据处理将此位移的影响消除，得 到锚头的真实位移。分别记录每级荷载作用下的锚头位移和承压墩位移，计 算锚索的伸长量，绘制荷载位移( q s ) 曲线、荷载弹性位移( q s 。) 曲线、荷载塑性位移( q s 。) 曲线。 本试验参照中国工程建设标准化协会标准土层锚枰设计与施工规 范( c e c s 2 2 ：9 0 ) ，判定在试验过程中锚索出现以下任一种情况均视为己 破坏： 1 ) 后一级荷载产生的锚头位移增量达到或超过前一级荷载的两倍； 2 ) 锚头位移不收敛； 3 ) 锚头总位移超过设计允许位移值。 3 2 3 试验结果 3 2 3 1 试验现象 l 号锚索锚固段位于完整花岗岩中，锚孔9 o m 深度见地下水。在张拉 的第七个加载循环中，当荷载已超过7 0 0 k n ，油表读数1 6 5 m p a 时钢绞线中 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 预应力钢丝被拉断，所以地层实际粘结强度值应大于由破坏荷载算出的值； 2 号锚索所处的锚孔3 m 到6 m 深度为完整花岗岩，锚孔中无地下水。张 拉到第七个循环，当荷载已超过7 0 0 k n ，油表读数1 7 o i d p a 时预应力钢丝被 拉断，所以地层实际粘结强度值大于由破坏荷载计算出的值： 3 号锚索所处的锚孔7 5 m 到1 2 m 为完整花岗岩，锚孔7 5 m 深度处见 地下水。张拉到第七个循环，荷载已经超过7 7 0 k n ，油表读数1 8 3 m p a 时预 应力钢丝被拉断，地层实际粘结强度大于破坏荷载计算出的值： 4 号锚索所处的锚孔1 2 o m 到1 6 o m 深度为完整花岗岩，9 5 m 深度可 见地下水。当加载超过6 个循环时，以5 0 k n 为一级递增加载，荷载达到约 8 4 0 k n 时，先后有两根预应力钢丝拉断，压力表读数下降后缓慢上升，锚头 位移不收敛，判断为水泥浆与孔壁粘结破坏； 5 号锚索位于强风化花岗岩中，为典型类土质边坡，锚固段长6 m 。当 加载到油压表读数8 7 5 m p a 时，锚头位移不收敛，油压表读数下降，判断 为浆体与孔壁粘结破坏； 6 号锚索地层情况同5 号，锚固段也为6 m ，劈裂灌浆2 m ，以与5 号锚 索形成对比。当加载已经超过5 0 0 k n ，缓慢加压，油压表读数达到1 1 4 m p a 时，锚头位移不收敛，判断为浆体与孔壁粘结破坏： 7 号锚索锚固段位于微风化花岗岩中，当加载超过7 个循环，即荷载达 到7 5 0 k n 时，锚头位移超过上一级两倍，判断浆体与孔壁粘结破坏： 8 号锚索地层情况同7 号锚索，锚固段长4 m 。当加载到第七个循环， 荷载达到9 4 9 k n 时锚头位移不收敛，判断为浆体与孔壁粘结破坏； 9 号锚索张拉过程中，当加载到接近5 0 0 k n 时承压墩被压坏，试验无法 继续进行； l o 锚索号位于微风化到完整花岗岩中，锚固段长4 m ，当加载到第七个 循环，荷载已经超过1 0 0 0 k n ，油压表读数为2 4 0 4 m p a 时，预应力钢丝被 拉断，地层实际粘结强度应大于由破坏荷载计算出的值。 3 2 3 2 粘结强度的计算 由抗拔试验取