（岩土工程专业论文）公路边坡坡率优化设计与压力分散型锚索锚固机理研究.pdf

中文摘要 本文结合国家自然科学基金项目( 5 0 8 7 4 0 8 5 ) 与广东省科技计划项目 ( 6 31 2 3 ) ，以二广高速公路( 粤境) 怀集至三水段工程为背景，针对该公路工 程出现的边坡坡率设计和压力分散型锚索加固边坡问题，采用现场调查、模型试 验、现场试验、理论分析与数值模拟分析相结合的方法展开了系统深入的研究。 论文在对二广高速公路( 粤境) 怀集至三水段公路沿线路堑边坡的施工期工 程地质调查基础上，结合勘察与设计资料，对路堑边坡工程地质进行了分类研究， 分析了路堑边坡稳定性的影响因素，结合设计指出了该公路路堑边坡设计存在的 问题，给出了优化设计的建议。 根据对以往工程案例的总结分析，提出了基于环境效益的公路路堑边坡坡率 设计思路，即当公路路堑边坡稳定坡率接近自然坡率时，设置垂直支挡或放陡坡 率并采用预应力锚索( 杆) 进行支护可以有效改善路堑边坡对环境的破坏。基于 此设计思想，对现场存在“削山皮 现象的路堑边坡进行了优化设计，主要采取 垂直支挡和放陡处理，收到了很好的效果。 采用模型试验、现场试验与数值模拟相结合方法对压力分散型锚索的锚固机 理进行了研究。现场原位试验进行了2 孔压力分散型锚索张拉过程测试，室内试 验采用3 块1 ：l 模型模拟在3 种不同强度围岩中压力型锚索的张拉过程，试验 主要测试锚固段受力及锚固系统的破坏形式等。与以往采用轴应变测试不同，试 验皆采用剪应变测试技术。由试验与数值模拟分析可知：( 1 ) 压力分散型锚索 锚固段受力存在有效长度；有效长度随预应力增大有所增大；现场与室内试验 条件下，有效长度的最大值均不超过2 m ，现场设计的锚固段长度可从5 m 缩 短为3 m ；( 2 ) 注浆体的剪应变( 力) 分布长度范围随围岩强度增大而减小， 剪应变( 力) 峰值随岩体强度和张拉力增大而增大；在承载板附近产生高度的 应力集中；( 3 ) 在模型试验的条件下，压力分散型锚索的主要破坏模式为钢绞 线的强度破坏，不存在砂浆体的整体破坏情况；( 4 ) 通过数值计算创新性提出 了锚固段粘结力曲线的三种类型，可以对锚固体受力机理进行很好的解释。( 5 ) 揭示了注浆体轴力不对称、不均匀的分布特性。 关键词：路堑边坡；压力分散型锚索；锚固机理；坡率设计 a bs t r a c t s u p p o r tb yp r o j e c t sf r o mn a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n aa n dt e c h n o l o g i c a l p l a n n i n gp r o j e c t so fg u a n g d o n gp r o v i n c e ，t h i sp a p e rm a k e sat h o r o u g ha n ds y s t e m i c r e s e a r c ho n s l o p e r a t i o d e s i g n a n d s l o p er e i n f o r c e m e n t w i t ht h e h e l p o f p r e s s u r e d i s p e r s i o na n c h o r , t a k i n gt h ep a r to fe r - g u a n ge x p r e s s w a yp r o j e c tw i t h i n g u a n g d o n gp r o v i n c e ( f r o mh u a i j it os a n s h u i ) a st h er e s e a r c hb a c k g r o u n d t h e r e s e a r c hm e t h o do ft h i sp a p e rc o v e r sf i e l ds u r v e y , m o d e lt e s ta n df i e l dt e s t ，w h e r e t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i cs i m u l a t i o na n a l y s i sa l ef l e x i b l yi n t e g r a t e d a f t e rm a k i n ga ne n g i n e e r i n gg e o l o g i c a ls u r v e yo fc u t t i n gs l o p e so ft h e e x p r e s s w a yb e t w e e nh u a i j ia n ds a n s h u ii n i t sc o n s t r u c t i o np e r i o da n ds t u d y i n g r e l a t e de x p l o r a t i o na n dd e s i g nm a t e r i a l ，t h i sp a p e rm a k e sac a t e g o r i z a t i o no ft h e e n g i n e e r i n gg e o l o g i c a ls t a t e so ft h o s ec u t t i n gs l o p e sa n da na n a l y s i so ft h ef a c t o r s w h i c hi n f l u e n c et h e i rs t a b i l i t y t h u si ti l l u s t r a t e st h ep r o b l e m st h a tf a c et h ed e s i g no f t h o s ec u t t i n gs l o p e si nt h a tp a r to f e x p r e s s w a ya n ds u g g e s t si t so p t i m a ld e s i g n o nt h eb a s i so fa no v e r a l la n a l y s i so ff o r m e re n g i n e e r i n g p r o j e c t s ，t h i sp a p e rp u t s f o r w a r dad e s i g np l a no fc u t t i n gs l o p ef o re n v i r o m e n t a lb e n e f i t s ，t h a ti s ，t h em e t h o d o fi n s t a l l i n gv e r t i c a ls u p p o r t i n gs t r u c t u r e so rt h eo n eo fr e d u c i n ga b r u p ts l o p er a t i oa s w e l la ss e t t i n gu pp r e t e n s i o n e dc a b l e sc a nb ea d o p t e dt ol o w e re n v i r o n m e n t a ld a m a g e e f f i c i e n t l yw h e nt h es t a b l er a t i oo fc u t t i n gs l o p ei sn e a rt h en a t u r a ls l o p er a t i o t h i s d e s i g np l a nc a nw e l lb ea p p l i e dt oo p t i m i z et h ed e s i g nf o rc u t t i n gs l o p e si n t h ec a s eo f “w h i t t l i n gh i l ls k i n t h i sp a p e ri n t e g r a t e st h em e t h o d so fm o d e lt e s t ，f i e l de x p e r i m e n tw i t ht h a to f n u m e r i cv a l u es i m u l a t i o nt os t u d yt h ea n c h o r i n gm e c h a n i s mo fp r e s s u r e d i s p e r s i o n a n c h o ra n dt h ee f f e c t so fr e i n f o r c i n gs i d es l o p e s w i t ht h et a r g e tt ot e s tt h ea d a p t i v e c a p a b i l i t yo fa n c h o r i n gs e c t i o na n dt h ef r a c t u r em o d e s o fa n c h o r i n gs y s t e m , t h ef i e l d e x p e r i m e n tc o n d u c t sat e s tf o rt h ep r o c e s so ft e n s i o no ft w op r e s s u r e d i s p e r s i o n a n c h o r sw h i l et h el a b o r a t o r ye x p e r i m e n ta d o p t st h r e em o d e l sk e p ti n1 1r a t i o st o s i m u l a t et h ep r o c e s so ft e n s i o no fp r e s s u r e d i s p e r s i o na n c h o r sw i t hs u r r o u n d i n gr o c k s o fd i f f e r e n ti n t e n s i t y t h o s ee x p e r i m e n t sa d o p tas h e a r i n gs t r a i nt e c h n i q u e ，w h i c hi s d i f f e r e n tf r o mt h ef o r m e ra x i a ls t r a i nt e c h n i q u e w h a tc a nb el e a r n e df r o mt h e e x p e r i m e n t sa n dn u m e r i cv a l u es i m u l a t i o na n a l y s i si ss u m m a r i z e dh e r e ：( 1 ) t h e r ei sa n e f f e c t i v el e n g t ho fa na n c h o r i n gs e c t i o no fp r e s s u r e - d i s p e r s i o na n c h o r s ，w i t h i nw h i c h g r o u t i n gm a t e r i a la n dt h ea x i a lf o r c eo fi t d e c r e a s e sa st h e s h e a r i n gs t r e n g t ho f h s u r r o u n d i n gr o c ki n t e r f a c ei n c r e a s e s ，a n dt h ee f f e c t i v el e n g t hi n c r e a s e s 谢t 1 1t h e p r e s t r e s s i n gf o r c e u n d e rt h ec o n d i t i o no fb o 也f i e l da n dl a b o r a t o r ye x p e r i m e n t s ，t h e m a x i m u mo ft h ee f f e c t i v el e n g t hi sl e s st h a n2m e t e r s ，s ot h ed e s i g n e da n c h o r i n g s e c t i o no f5m e t e r sl o n gi ss u g g e s t e dt or e d u c et o3m e t e r s ；( 2 ) t h er a n g e so fs h e a r i n g s t r e n g t ho fg r o u t i n gm a t e r i a la n ds u r r o u n d i n gr o c kd e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo ft h e i n t e n s i t yo fs u r r o u n d i n gr o c kw h i l et h ep e a ko ft h es h e a r i n gs t r e n g t hi n c r e a s e sw i 也 t h ei n t e n s i t yo fr o c km a s sa n dt h ep e a ka l s oi n c r e a s e sw i t ht h et e n s i o n ，p r o d u c i n g i n t e n s es t r e s sn e a rt h el o a d i n gb o a r d ；( 3 ) u n d e rt h ec o n d i t i o no fm o d e lt e s t ，t h em a j o r f r a c t u r em o d eo fp r e s s u r e - d i s p e r s i o na n c h o r si st h ed a m a g eo nt h es t r e n g t ho fs t e e l s t r a n d s ，w i t h o u ta l lo v e r a l ld a m a g eo fm o r t a rm a t r i x ；( 4 ) 3c u r v et y p e so ft h e a n c h o r i n gs e c t i o na d h e s i o ns t r e s sa r ep u tf o r w a r d , w h i c hc a l le x p l a i na n c h o r i n g m e c h a n i s mo ft h ea n c h o r i n gs e c t i o nw e l l ；( 5 ) p o i n to u tt h eu n s y m m e t r i c a la n d a s y m m e t r i c a ld i s t r i b u t i o nc h a r a c t e ro ft h eg r o u tb o d y k e y w o r d s ：c u t t i n gs l o p e ；p r e s s u r e - d i s p e r s i o na n c h o rc a b l e ；a n c h o r i n gm e c h a n i s m ； s l o p er a t i od e s i g n 独创性声明 本人声明，所呈交的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，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留、送交 论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用 影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) h 签名：导师签 武汉理工大学博士学位论文 第1 章绪论 1 1 选题依据与研究意义 以前，由于公路等级低，线形差，路基不宽，开挖不深，边坡稳定性对公路 的影响不显著，边坡稳定性没有引起人们足够的重视。但是，随着国民经济建设 的发展，公路交通事业日新月异，公路等级越来越高，高填深挖已经不可避免。 这些工程高边坡的稳定性状况，事关工程建设的成败与安全，对整个工程的可行 性、安全性及经济性等起着重要的控制作用，并在一定程度上影响着工程建设的 投资及使用效益。公路高陡边坡如果处理不当，往往导致边坡失稳，形成滑坡和 崩塌，不仅影响行车安全，甚至掩埋公路，中断交通，迫使放弃已成公路的使用， 造成不可估量的经济损失。同时，路堑高边坡的开挖方量较大，极易造成了大量 植被的破坏，对环境造成很大的影响。我国工程高边坡失稳频繁发生的主要原因 有：( 1 ) 政府管理决策部门和工程建设业主对工程边坡的认识不足，往往认为 边坡不是工程建设的主体，不愿意事前花经费对工程边坡进行勘察、论证和治理； ( 2 ) 受我国传统分工体系的影响，工程边坡的设计多由结构设计人员完成，而 他们往往对边坡的工程地质条件缺乏足够的了解，工程地质人员又对边坡治理结 构不甚熟悉，这就导致了认识边坡和改造边坡人员之间的脱节；( 3 ) 工程边坡 设计仍然为非标准设计，特别是坡率设计多为经验设计。预应力锚索格梁体系加 固作为一种主动加固方式，能够提高岩体的整体性和内在抗力，形成三维应力平 衡，改善岩体力学性能，有效控制岩体变形，保持岩体稳定，具有技术先进、经 济合理、安全可靠等诸多优点，工程应用也越来越多。已在国内外各类工程高边 坡治理中广泛使用，在锚固机理及其设计方法研究方面，国内外虽有一定的研究。 但由于试验数据的缺乏及岩土体的复杂性，在锚固设计中经验设计与工程类比仍 占主导，锚固机理和设计理论尚不完善，尤其是对于目前出现的各类型压( 拉) 力分散型锚索，研究还不够深入。 二广高速公路粤境怀集至三水段沿线穿越冲积平原、丘陵和低山地段，土质、 类土质、二元结构以及岩质高边坡均有分布。沿线高边坡数量众多，岩土体种类 较多，岩体结构复杂、风化程度不一，两阶段勘察由于勘察密度和技术水平的限 制，对沿线高边坡地质情况还存在疏漏和错误。由于全线采取了两个不同的设计 武汉理工大学博士学位论文 单位，不同单位在高边坡设计原则、加固措施偏好以及环保理念上都存在一定差 异，造成了设计文件的不统一。一些高边坡由于勘察工作和设计水平的限制，在 破坏模式确定、坡率选择、稳定性计算以及加固措施设计上存在一些错误和问题。 本线路路堑边坡破碎岩体较多，针对这种情况，设计单位大量采用了压力分散型 锚索这一锚索形式。压力分散型锚索编制工艺较拉力型复杂，锚固机理与普通的 拉力型锚索有着较大的区别。其锚固段受力以及应力传递机理、锚固体系与围岩 的相互作用、锚固段剪应力分布特性仍处于理论探讨之中，未形成系统的计算理 论，锚固体设计参数的确定均多凭经验公式计算。有必要在弄清压力分散型锚固 机理的基础上对锚固设计参数进行研究，以达到减少工程造价，提高锚固效应的 目的。 为了解决实际工程中存在的问题，同时推动工程实践技术和理论的发展。本 文以二广高速公路建设为工程背景，结合国家自然科学基金项目( 5 0 8 7 4 0 8 5 ) 与 广东省科技计划项目( 6 3 1 2 3 ) ，采用现场调查、模型试验、现场试验、理论分 析与数值模拟分析相结合的方法对路堑高边坡率优化设计与压力分散型锚索加 固边坡机理进行了系统研究。研究成果直接应用于工程实践，具有重要的理论意 义与工程实用价值。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 路堑边坡坡率设计研究 路堑边坡的坡率设计不仅要保证边坡的稳定性，还要达到经济合理。从减小 挖方量，保护植被的角度来说，坡率越陡越好。但是一味的放陡不仅威胁公路施 工和营运期的稳定性，还造成支护工程的巨大投入。公路路基设计规范( j t g d 3 0 - - - 2 0 0 4 ) 规定对高边坡进行单独设计，仅给出小于2 0 m 的土质路堑和小于 3 0 m 的岩质路堑坡率设计值范围。由于高边坡自身的复杂性以及坡率设计涉及的 因素众多，路堑高边坡的坡率设计成为每条高速公路设计必须解决的重要问题。 与公路系统相类似，铁路系统亦主要沿用经验参考表。坡率的确定被认为是路堑 边坡设计首要解决的难题，同时也是边坡设计的重点之一。合理的边坡坡率就是 要充分的利用边坡的自稳能力。 吴正生【1 】认为边坡坡率的设计应综合采用工程地质比拟法、力学计算法及经 验数据对比法。首先从调查当地自然山坡和人工边坡的稳定的、不稳定的和极限 武汉理工大学博士学位论文 平衡的边坡的坡高和坡率。其次，计算不同工况下边坡的整体或局部的稳定系数 和滑动时的推力大小。最后，运用已有的工程经验数据作进一步判定和总结。 付永胜等人【2 】通过大量的试验和调查，建立了岩石边坡坡率与岩体质量 ( r q ) 之间的相关关系，并考虑坡高和水体因素影响时的岩石边坡坡角确定关 系式。 李妥德【3 】等人针对裂隙粘土堑坡坡高与坡角的关系进行了研究，通过实n 5 个地区6 0 0 多个堑坡和自然边坡，并将实际测量的坡率与高度的关系绘制曲线， 通过曲线拟合建立了临界坡高与边坡坡率之间的经验公式。该临界坡高与粘聚 力、摩擦角、容重及坡角有关。 郭军强等人【4 】对也论述了路堑边坡坡率设计的重要性，认为合适的坡率对于 山区公路的施工和运营安全、工程造价等均相当重要。且认为应调查公路附近已 建工程的人工边坡和自然边坡的坡率。并通过稳定性计算得到合理的边坡坡率。 王智刊5 】结合广州街北高速公路s d 3 标k 8 + 9 4 0 k 9 + 0 8 0 段左侧路堑高边坡工 程，将坡率法与锚杆框架梁加固进行比较，无论采用坡率法还是框架梁加固设计 都要充分考虑到综合费用，同时要考虑到土石方平衡和用地情况。 高速公路路堑边坡非常重视环境友好和美观。朴忠源，王刚，王汀【6 】结合济 莱高速公路的施工，探讨在山区高速公路边坡开挖中，为使项目与周边环境较好 地融合，结合地形、实际揭露的坡面地质条件以及周围的环境景观而进行优化的 路基边坡开挖形式。 1 2 2 预应力锚索发展进程 预应力锚索的历史可追溯到2 0 世纪3 0 年代，首次应用于法国阿尔及利亚的舍 尔法( c h e u r f a s ) 大坝的加高加固工程中。每根锚索由6 3 0 根高强钢丝组成，单根 承载力为1 0 0 0 0 k n ，2 0 年后，锚索的预应力损失仅为3 0 。压力型锚索采用的无 粘结钢绞线是由胶皮包裹着油脂进行保护，并在锚索整段采用灌浆体进行保护。 相比拉力型锚索，压力分散型锚索具有低松弛特性。其结构示意图见图1 1 。有 文献记载的具有防腐保护功能的压力型永久性锚索最早于1 9 7 0 年开发并投入使 用【7 ，8 】。进入2 0 世纪8 0 年代，英国、日本等国研究开发了一种新型锚固技术单孑l 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。1 9 8 9 年，澳大利亚在w a r r a g a m b a 重力坝加固工程中，采用由6 5 根直径为1 5 2 m m 的钢 绞线组成的锚索，极限承载力达到1 6 5 0 0 l 洲。2 0 世纪9 0 年代以来，国外岩土锚固 武汉理工大学博士学位论文 技术无论在理论研究、技术创新或工程应用方面都取得了飞速发展。尤其是日本 的预应力锚索与框梁体系的应用和研发走在了世界的前列9 1 。 图1 1 压力分散型锚索结构示意图 2 0 世纪5 0 年代，预应力锚固技术开始在国内应用。但是在2 0 世纪6 0 年代 以前，我国还主要采用抗滑挡墙和抗滑桩等支挡结构，至今仍广泛应用于公路工 程边坡防护及滑坡治理当中。作为一种结构简单、取材方便、技术要求较低的结 构形式，抗滑挡墙有其独特的优势。但其加固深度较浅，且可承担的推力有限。 抗滑桩可以弥补抗滑挡墙的不足，具有加固深度大、适用性广等特点，受力明确， 计算理论及设计方法及施工工艺趋于标准化。但其桩身截面大、工程造价高，井 下作业多，施工条件差。从根本上说，抗滑挡墙和抗滑桩均为被动支护方式。2 0 世纪8 0 年代以来，随着我国高强度低松弛钢绞线生产能力的提高以及预应力锚 固技术的发展，预应力锚索开始逐渐得到了广泛的应用和发展，在水利水电、矿 山开采、公路铁路工程以及工业与民用建筑工程等土木建筑很多领域都可见其身 影【1 m 1 2 1 。 预应力锚索的发展又经历了第一代有粘结无保护预应力锚索，第二代无粘结 双层保护锚索和压力型和分散型无粘结新型锚索三个阶段。第一代预应力锚索已 具备了锚索的基本组成结构，包含内锚固段、外锚固段和自由段三个部分，但该 类锚索耐久性差，锚索内锚头质量难以保证；第二代预应力锚索自由端钢绞线与 孔壁无粘结，采用填充防锈油脂的套管作为保护，内锚固段和自由段一次灌浆。 这类锚索在防锈能力上有很大提高；第三代预应力锚索包括各种压力集中性、压 力分散型、拉力分散型及拉压分散型无粘结锚索。尤其是压力型锚索，通过设在 锚固段底部的钢制承载板，将预应力转化为施加在注浆体上的压应力，充分利用 了岩土体和注浆体的材料性质。减少了注浆体裂缝的出现，使得锚索耐久性也随 之提高。压力分散型锚索的现场试验证明了该类型锚索可充分利用地层强度，实 现较高的锚固力【l 弘b j 。 以压力型及分散型锚索为代表的第三代锚索取代传统的拉力型锚索是预应 武汉理工大学博士学位论文 力锚索技术发展的趋势p 6 - 1 8 。目前，为了解决传统预应力锚索现场绑扎的施工 质量问题，中国水利水电科学研究院引进了韩国三友公司的分散压缩型锚索生产 线，但是该类锚索在公路路堑支护工程中还未广泛推广。 1 2 3 预应力锚索锚固机理研究 1 2 3 1 模型试验研究 2 0 世纪8 0 年代以来，许多学者通过模型试验对预应力锚索的锚固机理进行研 究。 l u t z 和g e r g e l e y t l 9 1 ，h a n s o n 2 0 】，g o t o 等【2 1 1 研究了荷载从锚索转到灌浆体的力 学机制，认为钢锚索表面上存在着微观的粗糙皱曲，浆体围绕着锚索充满这些皱 曲面形成一个灌浆柱，在锚索和灌浆体之间的结合破坏之前，其结合力发挥作用。 s t i l l b o r g t 2 2 】对影响全长粘结式锚索承载力的因素进行了系统研究，这些因素包 括：水灰比，添加剂，埋置长度。h e y t t 、b a w d e m 及r e i c h e r t t 2 3 】通过现场和室内 试验得出影响锚索承载力的主要三种因素是：水泥砂浆的特性( 尤其是水灰比) 、 锚固长度和围压。j a r r e d 和h a b e r f i e l d 2 4 】通过室内仿真模拟试验，研究了注浆锚杆 的侧限刚度、注浆长度及膨胀水泥含量对杆体与注浆界面力学性质的影响，认为 杆体与注浆体界面剪切强度随侧限刚度的增大而增大。y o s h i n a k a 2 5 通过对锚索 体的试验探讨了节理面粗糙度对剪切强度的影响。j a r r e d 和h a b e r f i e l d 2 6 利用室内 模型试验对预应力锚索锚固段长度、围岩模量及水泥砂浆参数等因素对锚索和注 浆体界面的剪切性能影响进行研究，得出了锚固段剪切应力变化的规律。 f e r r e r o 【2 7 】对加锚混凝土及岩石进行了剪切试验，指出影响抗剪强度的因素 有锚杆材质、杆体尺寸及岩体类型。 f u l l e r 和c o x 2 8 】研究了荷载由锚索向粘结砂浆传递的规律，分别采用7 股直径 1 2 m m 的钢索和单根直径7 m m 的钢丝，埋置于水灰比0 4 5 的砂浆中进行了一系列 拉拔试验；揭示了拉力型锚索表面剪应力沿锚固长度上的分布呈指数关系。 j a m e sd 等【2 9 在相同干密度砂土中，通过改变锚索数量和布置形式进行了垂 直拉拔模型试验。试验表明：每组荷载位移关系可以折算成一个曲线；在大于 一个极限临界值后，每一组锚索垫片的承载能力随着单个锚杆距离增加而递增。 b e n m o k r a n e 掣3 0 3 l 】对锚杆荷载传递及抗拔力进行了一系列室内试验和测试 工作。 国内也有不少学者对预应力锚索锚固机理展开模型试验。总参工程兵科研三 武汉理工大学博士学位论文 所顾金才、陈安敏、沈俊等 3 2 书】通过模型试验系统的研究了预应力锚索对均质、 块状岩体的加固效应，分析了在均质、块状岩体中锚索长度及预应力值大小对其 加固效果的影响。此外还对锚索预应力在岩体内引起的应变状态进行了模型试验 研究，得出了锚索预应力引起的岩体轴向应变沿锚索轴线分布状态，岩体表面及 断层面上岩体法向应变分布状态，岩体内部不同深度上岩体轴线应变沿水平方向 分布状态。 河海大学张发明等 3 6 】针对预应力锚固体在张拉和运营过程中所实测到的资 料，详细分析了锚固体的剪应力、轴力的传递特征，得到了不同预应力值下的应 力变化规律，提出了岩质高边坡预应力锚固的群锚第一效应( 岩体表层的压缩效 应) 和第二效应( 锚固端应力集中效应) 的概念，通过大量资料分析，分别提出 了内锚固段轴力、剪应力分布的经验公式，为合理施锚和优化布锚提供了设计依 据。等等。 然而针对压力分散型锚索加固机理的模型试验较少。 1 2 3 2 现场试验研究 o s t e r m a y e r 和s c h e e l e 3 7 】对非黏性土锚固做了大量试验，得出表面粘结力随 其他因素变化的重要结论。 n a k - k y u n gk i m 3 8 】在成均馆大学的岩土试验场进行了风化土体中拉力型和 压力型锚索进行了拉拔试验。试验共设置了7 根全尺寸低压力灌浆锚索，锚索直 径1 6 5 m m ，埋置深度9 1 2 m 。其中，4 根为压力型锚索3 根为拉力型锚索。进行了 锚固性能测试、蠕变测试、长期应力松弛测试，并获得了锚固体与土体界面、钢 绞线与砂浆体界面的性状。并通过建立简单的梁弹簧模型对拉力型锚索和压力 型锚索的荷载传递机制进行了研究。 程良奎等【3 9 】对上海太平洋饭店和北京京城大厦两个深基坑工程的拉力型锚 杆锚固段粘结应力的分布形态进行了测定，指出锚固段的粘结力主要分布在前端 的8 1 0 m ，且极不均匀；拉力型锚固体有严重的应力集中现象。 长江科学院岩基研究所朱杰兵、韩军等【加】结合在三峡永久船闸边坡的锚索施 工，进行了锚索加固对周边岩体力学性状影响的研究。 长江科学院大坝安全监测研究所李端友，汤平等【4 1 】针对三峡永久船闸一期工 程研究了在锚索测力计安装及观测过程中出现的各种问题的原因，对锚固预应力 变化特征、趋势及群锚效应等进行了综合分析。 齐明柱【4 2 】结合交通部西部交通科研项目，对预应力锚索框架结构体系开展了 较大规模的现场试验与监测，对压力型锚索测试了锚固体内压力应力，并测试了 武汉理工大学博士学位论文 锚索在分级张拉下的预应力损失情况。测试结果表明：锚索锚固体内轴向压应力 主要集中在承载体附近，随着远离承载体，急速衰减，其分布形式符合幂函数 仃= a e 缸的形式，对于设置在弱风化砂质板岩内的压力分散型锚索，当锚索拉力 不超过3 0 0 k n 时，轴向拉应力主要分布在靠近承载体7 o 倍的孔径范围内；锚索内 力的变化可分为张拉锁定时的瞬间减小和长期变化两阶段，张拉锁定阶段瞬间减 小值约为张拉值l o ，长期损失约为6 ，共计约1 6 。文章还用大量篇幅对框架 梁应力以及框架梁与地基作用的监测成果进行了分析。 压力分散型锚索现场试验方面，一些学者进行了研究。 张四平等人【4 3 】通过在软弱岩层中进行压力分散型锚杆的现场承载力试验，证 实了压力分散型锚杆的承载能力与同条件的拉力型锚杆相比有较大幅度的提高， 并分析了承载体间距对于压力分散型锚杆承载能力的影响。 李国正【删采用现场试验对锚固段应变( 混凝土应变计) 、锚头位移、锚墩及 地面沉降、锚索受力( 锚索测力计) 进行了监测和测试。进行了压力分散型、拉 力型锚索对比试验。得出了压力型锚索锚固段砂浆体压应变沿程分布规律，锚头 位移与锚固力的变化规律，平台试验锚索地面位移的分布规律，边坡试验锚索锚 固力随时间的变化规律，压力型锚索的承载力及破坏方式等。 1 2 3 3 数值计算与理论分析 对于多数大型岩土工程问题而言，除了进行模型试验、现场试验之外，通常 还要进行数值计算，以弥补模型试验和现场试验的不足。现阶段数值计算中有限 差分法、有限元法为工程上最常用的方法【4 5 1 。利用模型试验、现场试验和数值计 算结果，尤其是在数值试验的辅助下进行理论分析，才能形成系统的设计方法， 并确定参数取值方法和范围。 国外不少学者采用数值模拟和理论分析对预应力灌浆锚索进行了一系列的 研究工作【舡5 0 1 。o s t e r m a y e r 等对无粘结砂土灌浆锚索研究【5 1 】，s o m e r v i l l e 等人【5 2 】 通过理论研究给出了倾斜场地无粘聚力砂土中锚索设计计算公式。w e a t h e r b y 5 3 - 5 5 1 对锚索挡墙的预应力锚索性状进行了较为系统的研究。w e e r a s i n g h e 等j k 5 6 】 对软岩锚杆荷载传递和破坏模式进行了研究。w o o d s 等人 5 7 】探讨了粘结应力分布 对锚固体设计的影响。还有不少学者对锚固机理与受力计算进行了研究【5 8 1 。对于 锚固系统存在三类界面问题，钢绞线与锚固注浆体之间的界面问题，注浆体与孔 壁之间的界面问题，以及岩土介质内部界面问题【5 蛐1 1 。压力分散型锚索机理研 究主要以第二类界面问题为主。 国内研究方面，西北勘测设计研究院黄德福，赵彦辉掣6 2 】应用传统的岩石力 武汉理工大学博士学位论文 学模型与方法，以及岩体损伤模型、摩擦接触模型、无限边界模型等新模型方法， 以大型岩土工程数值分析软件f i n a l 为研究手段，对预应力锚固机理与效果进行 了大量系统、深入的数值仿真分析。选取t 4 个不同的三维非线性数值模型，分 别进行多参数、多层次对比数值分析与研究，在数值分析的基础上提出了一系列 指导预应力锚固设计与施工的重要结论与计算公式。 铁道部第二勘察设计院蒋忠信【6 3 】根据数值模拟试验研究和工程实践，探讨了 预应力锚索加固松散体滑坡的应力响应问题、锚固能力问题、预应力衰减问题和 群锚效应问题。 丁秀丽、盛谦掣删采用三维显式有限差分法，建立预应力锚固数值仿真模型， 进行一系列计算机模拟试验；探讨了群锚作用下的预应力锚固机理，揭示了锚固 特性与锚索布置及参数等的关系。 徐前卫、尤春安、朱合华等【6 5 】根据预应力锚索中自由段和锚固段不同的作用 机理，建立了一种新的能够施加预应力的三维数值模拟方法；分析研究了在预应 力的作用下锚索和岩体的受力变形特征及其影响因素。 金永军、何满潮【6 6 , 6 7 】等利用有限差分程序f l a c 对压力分散型预应力锚索的 锚固机理进行了研究，并和拉力集中型锚索相比，指出压力分散型锚索的锚固段 浆体轴力峰值仅为拉力集中型的1 n ( n 为承载体的数量) 且为受压状态；剪力峰 值较小且能较均匀地分布于整个锚固长度上；可以提供较大的锚固力。 压力分散型锚索方面，有不少学者进行了数值计算和分析研究。章青的等人 【6 8 】对改进的压力集中型锚索，基于不连续介质力学的界面元法建立了精细模型。 在模型中，模拟了水泥浆芯柱、外部岩土体和不同介质交界面等材料的特性，考 虑了岩土体和水泥浆芯柱的弹塑性及开裂效应等非线性力学行为。 邢占清等【6 9 】采用有限单元法，建立了预应力锚固数值仿真模型，得到了压力 型锚索砂浆体内压应力分布规律和岩体与砂浆体界面上的剪应力分布规律，结果 表明：砂浆体中的压应力和砂浆体与岩体界面上的剪应力在钻孔延展方向衰减很 快并参照国内有关规范及标准给出了不同围岩类别条件下压力分散型无黏结预 应力锚索相应的临界锚固长度。 刘士虎【7 0 1 从理论分析、现场测试和数值方法研究了压力分散型锚索注浆体的 轴力、应变和粘结应力和围岩加固区应力、应变的分布情况。 理论分析方面，一些学者通过弹性理论推导了压力分散型锚索应力与变形。 许有飞【7 1 】由数值模拟结合现场测试，研究了压力型和压力分散型锚索地面位移与 应力、锚固段砂浆体应力与应变，以及锚固段砂浆体与围岩之间接触面的剪应力 武汉理工大学博士学位论文 分布规律；建立了压力型锚索内锚固段砂浆体轴向位移、应力和接触面剪应力计 算表达式，并分别基于是否考虑了压力型锚索径向变形效应假定，导出了内锚固 段有效长度计算公式：研究了围岩变形模量对压力型锚索传力特性，以及压力分 散型锚索相邻锚固段相互作用与影响。 曹兴松，周德培【7 2 】采用w i n l d e r 假设，基于锚索粘结应力分布的特点，通过 锚索锚固段受力状态分析和应力分布规律，利用理论与试验结果相对比，提出了 压力分散型锚索锚固段的基于峰值粘结应力的计算方法等。 侯庆【7 3 】将m i n d l i n 弹性位移解与有限元方法相结合，计算了压力分散型锚杆的 剪应力分布规律，对比分析了其受力性能与拉力型锚杆的区别；通过在软弱岩层 中进行压力分散型锚杆的现场承载力试验，证实了压力分散型锚杆的承载能力与 同条件的拉力型锚杆相比有较大幅度的提高，并分析了承载体间距对于压力分散 型锚杆承载能力的影响。 尤春安【7 4 】根据压力型锚索锚固段受力状态，导出了锚固段剪应力和轴力分布 的理论解：在此基础上讨论了锚固体、岩土体及其界面的力学参数对剪应力和轴 力分布的影响。 1 2 4 边坡锚固效应研究 西安理工大学李宁掣7 5 】结合我国“八五”科技攻关项目，应用大型数值仿真分 析软件f i n a l 对锚索加固边坡效果以及影响因素进行了系统的数值试验研究。对 岩体变形模量、砂浆强度、岩体c 、伊值、预应力吨位、间距等重要参数对锚固 效果的影响作了分析与探讨。 重庆大学王文杰等 7 6 】采用空间非线性有限元法，对实际边坡进行预应力锚索 加固后的数学模型分析并通过改变坡体介质特性和加固条件等诸多边界条件，采 用多种计算方案，深入研究松散介质中预应力锚索的加固机理和群锚效应。研究 结果得出：对比群锚与单锚作用的岩土介质应力响应，可以看出群锚效应主要体 现在提高坡体和滑面上的围压水平，均化锚固区内的应力分布梯度，增加坡体与 滑面上应力改善的范围，并有增韧止裂、围压效应和销钉作用；同时由于边坡总 锚固力的增加，滑面上由群锚直接提供的阻滑力和阻剪力也呈线性递增，因此提 高了边坡的稳定性。 谢红强掣7 7 】结合某工程边坡地形地质特性，运用有限元数学模型，反演边坡 滑动面的强度参数，研究预应力群锚的加固效果及边坡岩体稳定性，文章还对傍 武汉理工大学博士学位论文 山隧道内外侧土压力分布特性进行初步分析。 石家庄铁道学院娄国充等r 7 8 】通过对锚索、灌注锚固体和锚孔周围岩土体进行 三维弹塑性有限元分析，研究了群锚效应下锚固体的位移、正应力、剪应力的影 响范围，探讨了考虑群锚效应下锚索间距的布置原则。计算分析可以看出，在锚 拉荷载作用下，单根锚索加固的岩土体内所产生的正应力、剪应力、位移和塑性 变形存在一定的影响范围，且随着荷载的不同，其影响范围发生变化。当多根锚 索共同工作时，相邻锚固体中的正应力、剪应力、位移和塑性变形的影响范围将 进行叠加，从而影响整个岩土体内的应力状态。 吕庆、孙红月掣7 9 】以金丽温高速公路边坡为例，根据现场试验数据，通过数 值模拟的方法，研究预应力锚索张拉在破碎岩质边坡坡面的压缩变形和附加应力 规律，并以此为依据探讨了预应力锚索合理间距的问题。 夏长华等人【8 0 】通过现场拉拔试验，证明了压力分散型锚索结构预应力锚固效 果较好，可以充分利用地层强度，实现较高的锚固力。注浆体与地层界面的粘结 强度沿锚固段全长得到充分发挥。 目前的边坡锚固效应研究较多，反映了大部分学者普遍关注宏观加固效果的 情况，然而以压力分散型锚索加固边坡锚固效应为研究对象的还不多见。 1 3 论文的主要研究内容 1 3 1 主要内容 二广高速公路穿越多种地质单元，土质边坡、类土质边坡、二元结构边坡和 岩质边坡均有存在，高陡边坡数量多，岩质边坡多数岩体破碎。边坡勘察和设计 不可避免的出现问题，主要的问题体现在坡率设计不合理、边坡破坏模式确定以 及压力分散型锚索设计和施工多存在经验性。针对这样的情况，本文主要研究内 容如下： ( 1 ) 二广高速公路边坡施工期工程地质调查与评价 对二广高速公路沿线高边坡进行工程地质调查，根据调查结果对沿线高边坡 按岩土类型和稳定性进行分类；对稳定性影响因素进行分析，并对边坡岩土物理 力学性质指标进行统计。通过地质调查找出存在边坡坡率和稳定性评价问题的边 坡，对代表性边坡进行详细分析。 ( 2 ) 路堑边坡坡率优化设计 武汉理工大学博士学位论文 对基于环境效益的边坡坡率设计方法进行探讨，结合国内类似工程的工程实 例，进行案例分析，对本线路的坡率设计提出优化原则和方法；针对典型的工程 实例进行分析，重点对存在“削山皮”现象的边坡提出优化方案，采用设计计算、 数值计算和理论分析的手段从技术可行和经济合理两方面探讨优化效果。为二广 高速公路施工期动态设计提供指导。 ( 3 ) 压力分散型锚索锚固机理试验 对压力分散型锚索进行现场原位试验和室内l ：1 模型试验。现场试验以同一 工点的2 根不同的锚索作为测试锚索，安装锚固段砂浆剪应变测试点、承压板后 断裂测试点和单锁锚索应力计，探讨压力分散型锚索锚固段粘结力沿轴线分布特 征；预应力施加过程中的传递规律，锚固段注浆体开裂变化，以及锚索体的受力 变形特点。室内