（岩土工程专业论文）京沪高速公路金山路堑边坡稳定性研究.pdf

哒j 3 7 3 3 1 扩 西南交通大学研究生学位论文 第2 页 摘要 巾 本论文白目为“京沪高速公路金山路堑边坡稳定性研究爿主要以一个成功的边 ?r? 坡加固工程为例，具体应用两种方法奄横糊测度法和有限元法9 对加固前后边坡的力 学状况进行了+ - i - 算分析，全文主要内容如下： 1 根据工程地质资料运用岩土体工程分类法，对本边坡工程中的风化岩体进行 了分类评价，认为该边坡工程的岩体为不稳定岩体，对该边坡进行加固是必须的； 2 对高压注浆和锚固机理进行了较为详细的分析，并对高压注浆后对岩土体的 改性进行了论述，同时分析了预应力锚杆的作用以及高压注浆与预应力锚固共同作用 机理； 3 运用一种较为新颖但却操作方便的方法模糊测度法对加固设计后的边坡 进行了稳定性分析；得出了加固前边坡失稳和加固后边坡能保持长期稳定以及设计方 案偏于保守的结诧r 。 4 应用有限元分析方法对边坡的开挖、加固以及加固前后的稳定性进行了模拟 计算，得到了与模糊测度法相同的结论并对改进后的设计方案进行了计算，认为对 该设计方案的改进可行且效果明出7 1 一、一 ， 关键词：边坡稳定性模糊测度法有限元毋法 西南交通大学研究生学位论文 第3 页 a b s t r a c t t h i sl p e r , w h o s et i t l ei s ”s t u d yo f s t a b i u t yo f j i n s h a n c u t t i n gs i d e - s l o p e s i l lb e i j i n g - s h a n g h a i e x p r e s s w a y ”，t a k e s as u c c e s s f u ls i d es l o p er e i n f o r c e m e n t 髂 觚e x a m p l ea n de m p l o y s2m & t h o d s ( f u z z ym e a s m e m e n tm e t h o da n df i n i t e e l e m e n tm e t h o d ) t oc a l c u l a t ea n da n a l y z et h em e c h a n i c a ls t a t u so ft h es i d e s l o p e s b e f o r ea n da f t e rr e i n f o r c e m e n t i t sm a i nc o n 睫眦sa r e 嬲f o l l o w s ： 1 i t e m p l o y s r o c k - s o i l b o d ye n g i n e e r i n gc l a s s i f i c a t i o n r e f e r r i n g t o e n g i n e e r i n gg e o l o g i c a li n f o r m a t i o n , t og r a d et h ee r o s i o nr o c kb o d ye n c o u n t e r e d i nt h es i d es l o p ew o r k s , a n dc o n c l u d e st h a tt h er o c kb o d yi su n s t a b l e t h u st h e r e i n f o r c e m e n ts h a l lb e c o m p u l s o r y 2 i ta n a l y s e st h eh i g h - p r e s s u r e g r o u t i n g a n d a n c h o r i n g m e c h a n i s mi nd e t a i l ， a n dp r o b e si n t ot h en a t t w ea l t e 湘, t i o no ft h er e c k - s o i lb o d y a f i 嚣g r o u t i n g , a n d a n a l y s e st h eu s a g eo fn 把p r e s t r e s s e dr o c k b o l t sa n dt h em e c h a n i s mo f g a a r e g a t a e f f to f h i g h p r e s s u r eg r o u t i n ga n dp r e s t r e s s e da n c h o r i n g 3 i ta d o p t sa n di n n o v a t i v ea n de a s ym e t h o d - f u z z ym e a s u r em e t h o dt o a n a l y z et h es i d es l o p e ss t a b i l i t ya f f e r sf r o m i nm b i l i t yb o f o r er e f f o r c c r a e n ta n d e n j o y se n d u r i n gs t a b i l i t ya f t e r w a r d s ，a n dt h ed e s i g nt e n d st ob ec o n s e r v a t i v e 4 i ta d o p t sf i n i t ee l e m e n tm e t h o dt oc a n yo u t f u z z yc a l c u l a t i o nt ot h es i d e s l o p e se x c a v a t i o n , r e i n f o r c e m e n t a n dt h e s t a b 溉yb e f o r ea n d a f t e r t h e r e i n f o r c e m e n t , a n dr e a c h e st h es a m ec o n c l u s i o na sa d o p 畦n gf u z z ym 伐l s u r e m e t h o dm e a n w h i l ei td o e sc a l c u l a t o nt ot h ei m p r o v e dd e s i g n c o n c l u d i n gt h a t t h ee f f e c to f t h e i m p r o v e m e n t i so b v o u s k e y w o r d s ：s i d e s l o p e ，s t a b i l i t y , f u z z ym 觑t s u r em e t h o d , f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 西南交通大学研究生学位论文 第1 页 绪论 构成边坡的岩、土体是一种复杂的介质，它是岩块、土块、裂隙、节理、弱而 的混合体，因此边坡岩、土体的力学性质是岩块、土块、裂隙、节理、弱面力学性质 的综合。岩土的性质、岩体结构、水的作用、风化作用、地震、地应力、地形、地 貌及人为因素等都将是影响边坡稳定的因素【2 】。 路堑边坡稳定是公路路基研究的主要问题之一，它的稳定与否关系到整个公路 能否畅通运行。而目前，在岩土力学稳定性分析中，工程中实用的仍是基于某些近似 假定上的极限平衡法。运用传统的极限平衡法进行边坡稳定性分析时，总是先假定破 坏面形式，如平面形、楔形、圆弧形等，然后再根据工程类比法，假定破环面位置， 从而据极限平衡法理论计算稳定系数及安全系数。这种方法简单易行，易于在工程中 推广使用，但它却或多或少地忽略了构成边坡物质的不连续性和非均质性，其所作出 的假设所能反映实际工程的合理程度将直接影响最终解答的精确性f ”。本文将运用基 于极限平衡的f u z z y 综合评判法来分析边坡的稳定性问题。这一方法综合考虑了边 坡稳定性是个不确定性问题，考虑到其不但具有随机性，而且具有模糊性。它还充分 考虑了岩体内部以及外部环境等因素对边坡稳定性的影响，根据已有的研究结果p 】陋j 以及国家规范【到遵循重要性、独立性和易测性的原则，同时考虑实际工程经验【州”】， 选取了部分对边坡稳定影响较大的主要作用因素，并确定其隶属函数，最后运用模糊 数学的运算方法对边坡稳定性加以评判。 近三十年来有限元方法在岩土工程中有了较为广泛的应用。应用有限元方法 分析边坡，不但能对其稳定性作出评价而且在分析中考虑到构成边坡物质的不连续 性和非均质性，可较为精确地预测边坡某一局部的位移、应力、岩土体的破坏状况， 对于分析岩土工程问题具有一定的优越性。但从实际应用情况来看，有限元方法的汁 西南交通大学研究生学位论文 第2 页 算结果并不一定很理想，和实际情况可能还存在一定的差异，这是因为【3 3 e 3 4 ： 1 岩土工程中研究的范围较大，而有限元计算往往由于条件的限制人为的缩小 计算范围，从而影响计算结果的精度； 2 由于硬件条件的限制，有限元网格的划分不可能很细，有些岩土体的软弱面 无法精确模拟，从而影响计算结果的精确性： 3 在有限元程序中应用的岩土体本构关系与实际的岩士体应力应变关系还有 一定的差别。 但是，随着对岩士体研究的深入，以上影响有限元计算结果精确性的问题将会 逐步得到解决。本文将在基于极限平衡的f i l z 巧评判基础之上，对边坡的稳定性作进 一步分析。 西南交通大学研究生学位论文 第1 页 第一章文献综述 1 1 概述 边坡包括自然边坡和人工边坡两种类型。前者是指在自然地质作用下形成的山 体斜坡、河谷岸坡、海岸陡崖等；后者是指人类工程活动形成的规模不同、陡缓不等 的斜坡，例如道路工程中的路堑、路堤边坡，高层建筑、桥梁工程的基坑边坡，露天 矿山的边坡，水利水电工程中的运河渠道边坡，船闸、溢洪道边坡、引水渠进、出e j 边坡、土石坝边壤及坝肩边坡等，本文将要研究的高速公路路堑边坡就是人工边坡的 一种。 大多边坡岩土体是由非均质、各向异性的不连续介质组成，自然边坡在受侵蚀、 下切和人工边坡开挖过程中，边坡岩体的应力方向和大小，在不断地发生调整和变化， 加上各地区初始地应力的分布规律亦各不相同，因而边坡岩土体中应力的分布、变化 规律足相当复杂的。由于边坡是工程建设中经常碰到的岩土工程，而边坡的失稳常常 会给工程建设带来巨大的危害，所以对边坡稳定性进行正确评价就显得十分重要。 1 2 目前有关边坡稳定性分析方法的简述及比较 过去，对于岩土工程问题的稳定性分析，多是凭经验解决。随着工程规模和1 ： 程复杂性的曰益增大，单凭经验越来越难适应日益发展的需要。为了适应这种发展 解决工程问题，发展了多种稳定性分析方法。 对于大型或地质条件复杂的边坡，其稳定性一般分为两阶段进行。第一阶段， 定性分析对边坡稳定作出估计；第二阶段，对经过上阶段分析认为不稳定的边坡 进行详细堪察，再经定量分析对边坡稳定作出判断”i 。 l2 1 边坡稳定性定性分析 边坡稳定性分析是在大量收集边坡所在地区的地质资料的基础上，综合考虑影 西南交通大学研究生学位论文 第2 页 响边坡稳定的各种因素，通过工程类比法或图解法对边坡的稳定状况和发展趋势作出 估计和预测。 1 工程类比法 该法是将已有的天然边坡或人工边坡的研究经验( 包括稳定的和破坏的) ，用于 新研究的边坡的稳定性分析中。这种方法简单，易于应用，但由于岩土体边坡的复杂 性，没有完全等同的边坡，所以在应用以往的研究经验时有一定的困难性，同时，应 该注意着重考虑当前研究边坡的具体情况，多方面比较后作出定性分析。 2 图解法 图解法包括赤平极射投影、实体比例投影与摩擦圆等方法。图解法用于岩质边 坡的稳定性分析可快速、直观地分辨出控制边坡的主要和次要结构面、确定出边坡 结构的稳定类型、判定不稳定块体的形状、规模及滑动方向。对于用图解法评定为不 稳定的边坡，需要进一步用计算机加以验证。 l22 边坡稳定性定量分析 边坡稳定性定量分析是根据边坡每一区段的岩土技术剖面，确定其可能的破坏 模式，并考虑所受到的各种荷载( 如重力、水作用力、地震或爆破震动力等) ，选择 适当的参数进行计算。定量分析的方法主要有：极限平衡法、有限元分析法、概率法 等三种，其中极限平衡法属经典的方法口i 。 1 极限平衡法 自f d l e n i u s 于1 9 2 7 年首先提出条分法的基本原理后，m o r g c n s t c r n 与p r i c e ( 1 9 6 5 ) ， s p e n c e r ( 1 9 7 3 ) ，f r e d l u n d 等( 1 9 7 7 ) ，陈祖煜等( 1 9 8 3 ) 许多学者进行了一系列的 改进与不断的完善，致力于在极限平衡基础上发展能完整地或准确地满足静力学与运 动学两方面要求、理论上严密且工程中实用的统一分析方法与数值计算方法【5 i ，目前 该法己经广泛地应用于各项岩土边坡工程中，其主要思想是将滑体视为刚体，不考虑 其本身变形。除楔型滑块外，平面型、圆弧型均简化为平面问题，选取有代表性的剖 西南交通大学研究生学位论文第3 页 面进行计算，边坡岩、土体破坏遵从库仑一摩尔定律；根据稳定系数计算公式 耻瓷求得稳定系数，并根据不同的边坡靛不同的稳定系数，一般稳定系数 取1 3 15 ，同时认为当边坡的稳定系数f s = l 时，滑体处于极限平衡状态，但此法由 于是基于某些假设基础之上的，故由此可能得不到较精确的解。 2 有限元法 有限单元法至今已有三十余年的历史了，随着计算机技术和计算技术的不断发 展，它从最初作为一种数学计算方法到现在的工程分析中的一种切实有效的工具“。 采用有限元法对某一岩土边坡工程进行分析，将得到各节点的位移和单元的应力。根 据应力与强度的关系判断该单元是否破坏，由此可得到剪切破坏区( 塑性区) 范围【7 j 。 这种方法不仅可从宏观上了解整个滑体是否下滑，得出其稳定性系数及安全系数，而 且微观上可以根据各单元的最大、最小应力及剪应力的值分别作出等应力线图，图上 就可以得出应力集中系数，从而可以保证在加固方案中对应力集中区及塑性区进行重 点支护，可以用较经济的手段达到较好的效果。 有限元方法具有很多优点，其中主要的优点有： ( 1 ) 概念浅显，容易掌握，可以在不同的水平上建立起对该法的理解。我们既 可以通过非线性直观的物理途径来学习和应用这一万法。也可以为该方法建立起严格 的数学解释； ( 2 ) 该法有很强的实用性，应用范围极为广泛。它不仅能成功地处理如应力分 析中的非均质材料，各向异性材料，非线性应力一应变关系以及复杂边界条件等难题； 而且随着其理论基础和方法的逐步改进和完善它几乎适用于求解所有的连续介质和 场问题： ( 3 ) 该法采用矩阵形式的表达，便于编制计算机程序，可以充分利用高速电子 计算机所提供的方便。因而，有限单元法被公认为是应力分析中的一种有效工具而得 西南交通大学研究生学位论文 第4 页 到了普遍的重视。 3 概率分析法 近二十来，概率法逐渐被用于边坡的稳定性分析，该法是将边坡稳定性问题视 为随机过程，把影响边坡工程稳定性的各种因素( 如岩石构造、抗剪强度及边坡 尺寸、地下水位等) 均视为随机变量，通过调查、试验及分析求得各变量的函数分布， 并确定边坡稳定状态的概率值。 下面以蒙特卡洛( m o n t e - - c a r l o ) 法为例分析如何应用概率法确定边坡破坏概率。 ( 1 ) 蒙特卡洛法的原理该法亦称随机模拟法。其原理是首先建立一个概率模 型，使它在统计意义上与要解决的问题相似，然后通过对概率模型进行抽样求出统计 参数( 均值、标准差等) ，最后得出求解问题的近似值。 设要求随机变量t 的分布，有： 7 u l ，如“) 式而也，为具有特定分布的随机变量，7 1 ( 而，x 2 ”) 是一个特定函数。随机 抽取一组样本硝，奶l ，可确定 ，重复这样的n 次，从而建立f 的分布函数及与 ，有关的统计参数。 应用于l 边坡稳定分析，t 相当于边坡的稳定系数，7 1 相当于计算边坡稳定的方 程式，而，x 2 ，“是稳定计算中所输入的变量。 ( 2 ) 参数模拟蒙特卡洛法利用模拟方法随机地取得任意分布的样本。对于【0 ，l 】 区间的均匀分布，利用同余法产生随机变量。 对于正态分布，应用中心极限定理抽取随机变量。分析几个独立的、同分布的 随机变量z i ，x 2 ，”，具有均值和方差d2 。定义为和( 硝+ 站卜x 。) 的& 有均值n 芦和 方差n o 2 0 根据中心极限定理，当n m 时，品的分布逼近正态分布，其均值 ，方 差为月0 2 。等价地为： 西南交通大学研究生学位论文 第5 页 ：s 下- n a 盯、胛 当n m 时，其接近于单位正态。由于在n = 1 2 时己达到良好收敛，因此认为此 值是n 的最便利的渐进线。当n = 1 2 时， e = s 旷6 = _ 一6 因为对于变量x ( 【。，l 】区间的随机变量) ，2 j 1 ，口2 了西1 。显然，在均值两 侧各6 倍标准差出截断抽样，然后以下式求得均值、方差为d ：的正态分布变量v v = s s 2 + m 根据【0 ，l 】区间均匀分布随机变量x ，可求得hb 】区间的均匀分布随机变量、负 指数分布的髓机变量v ，其公式分别为： v = a + 佑一a ) x v = 一i n ( 1 一x ) a 式中 为衰减常数。 对正态分布随机变量v 可通过下式变换 v = i n v ( 1 2 ) ( 1 3 ) 肌= l n ( m l s ) 2 + 1 2 ( 1 4 ) s ，：l n v 一一1 _ ，1 2 2 将以m 、s 为参数的对数正态的随机变量变换为m 、s 为参数的正态分布随机变 量矿，仡山式( i 一2 ) 求解。 上述各种分布的蒙特卡洛参数模拟皆己编有电子计算机程序。 由于概率分析法需要大量的试验数据，包括岩土强度数据来确定变量的分布 并常需要借助于计算机进行分析，而这些数据的采集往往比较困难，因而此法在使用 上受到一定条件的限制。 西南交通大学研究生学位论文第6 页 13 模糊测度法及其在边坡稳定性分析中的应用 l3l 模糊数学的发展及应用 1 9 6 5 年，美国加利福尼亚大学laz a d e h 发表了著名的论文“模糊集合”，第 一次引人注目地提出了模糊性问题，给出了模糊概念的定量表示法，模糊数学从此诞 生了。此后模糊理论发展非常迅速。1 9 7 8 年，由北荷兰社创办了国际模糊集合 与系统杂志，1 9 7 9 年水本雅晴( 日) 在数理科学( 5 月号) 上发表的综述性论文： 模糊理论的世界动态，对1 9 6 5 年至1 9 7 9 年的十四年间世界各国研究模糊理论的 概貌作了系统的介绍】。 模糊数学这一新的数学分支的诞生使许多学者预测今后的数学将分成三大类： 经典数学、统计学、模糊数学。模糊数学虽然是研究和描述模糊性现象的一种工具， 但它本身是精确的，是用精确的数学方法去描述和研究模糊性现象的，所以它是精确 数学的延伸和发展，它把数学的研究和应用领域，从漪晰现象扩大到模糊现象，使数 学的发展又上升到一个新的阶段。 我国从1 9 7 6 年出现第一篇介绍模糊集合论的文章，此后举办过不少有关这方面 的讲座和学术讨论会，我国学者在模糊拓朴方面的研究工作在国际上处领先地位，在 气象预报、中医诊断、农业规划、环境检测等方面，模糊学理论的应用取得了较好的 成果【“。 l32 f u z z y 事件及f u z z y 测度 在对实际岩土工程问题进行分析时，传统岩土体边坡稳定分析中的安全系数法 中的参数，、c 、矿以及计算模式均难以精确地观测或确定，也就是具有一定的“模 糊性”，因而岩土体稳定性在客观上属于具有“模糊性”的一类非确定性问题。其中， 边坡从稳定到不稳定这二者之间有中间过渡阶段，而传统方法难以很好地描述这类具 有“模糊性”过程，而利用f u z z y 理论则可较好地解决这一问题。 在岩土工程界中存在大量的模糊的非确定性事件。例如：“地下工程开挖后，对 西南交通大学研究生学位论文 第7 页 地表产生的影响可能达到某种程度”；又如：某一即将开工建设的高层建筑物，设计 完成后而在建造之前，设计人员可以根据某些数据预测“该建筑物可以抗7 级地震”， 但该建筑物建成后，到底是否能够抵抗7 级地震，仍然是一种预测，这主要是由于各 种计算方法、设计参数的选定都存在一定的工程误差，因而不可能做到百分之百的精 确，加之建筑材料的不均匀性，客观上必然存在一定的误差( 尽管这种误差是满足工 程精度要求的) ，这也就决定了在客观上存在着模糊不确定性。 上述这些事件，在客观上都存在着强烈的模糊性，因而，此类事件都属于“f u z z y 事件”。 对于普通确定性事件而言，某一对象是否属于这一事件，可以用普调集合f 是， 否) 来加以描述，在数学上可以用这样一个集合来表示： 0 ，l ，0 表示这一对象不属 于该事件，而1 则表示这一对象完全属于该事件。在这里引入特征函数a ( u ) 来描述 某一对象是否属于该事件，即当a ( u ) 罩0 时表示对象不属于该事件，当a ( u ) = l 时 表示对象完全属于该事件。但是对于“f u z z y 事件”而言，一个对象是否属于它，不 能象普通确定性事件那样，简单地用“是”或“否”来回答，因为通常一个对象既 不完全属于某一“f u z z y 事件”，又不完全属于它，而是在某种程度上属于。在这里 属于与不属于没有一个明确的分界线，不具有非此即彼性，所以通常无法用普通集合 来描述“f u z z y 事件”，而只能用“模糊集合”来加以描述。我们将普通集合特征函 数a ( u ) 的取值范围从 0 ，1 ) 扩充到在区间【o ，l l 上连续取值，那么某一对象属于某一 事件的程度就可能用区l 目t i o ，l l 内的数来表示了，对象所对应的数愈靠近1 ，表示对象 属于该事件的程度愈大，反之愈小，这样普通集合就扩充为一个带有不明边界的模糊 集台，从而模糊事件也就可以用模糊集合来加以描述。 下面给出模糊集合隶属函数和隶属度的定义：设在域u 上给定了映射：u - - 0 ，1 1 x 卜。( x ) ，则确定了u 上的一个模糊子集，记为a ( 在a 下加“一”以区别于普通 集合a ) 。称为模糊子集一的隶属函数，即以强调是月的隶属函数，p 。在x u 点 西南交通大学研究生学位论文 第8 页 处的值。( x ) 称为r 对爿的隶属度，它表示x 属于一程度。为方便起见，把一与 一 一。( z ) 均记为。( x ) 。至此我们可以用模糊隶属度来表示某一对象属于某一模糊事件 的程度，( x ) 愈靠近l ，表明其属于程度愈大，反之愈小。 在“f u z z y 事件”的基础上，我们给出模糊测度的定义：假定n 为一空间，而( n ， d ，m ) 为一概率空间( 非f u z z y 空间) ，其中d 是集合。中的b o r e l 集合的。域，而 m 是n 上的点( 或样本) 是由x 所定义的。从而，可将x 视为客观问题中的样本、变 量或参变量。设a 是一个由某些样本所构成的集合( f u z z y 子集合) ，集合a 就称为 f u z z y 事件( 模糊事件) ，且爿d ，则f u z z y 集合a 即“模糊事件”的概率测度简称 “f u z z y 测度”并可以采用以下公式表示： m ( 一) ；l 卢。( d 咖 ) n 咖( x ) ；1 0 ( 1 - - 5 ) 此处，。( x ) ：n 一【0 ，l 】为“隶属函数”，( x ) 为b o r e l 可测的；咖表示分 布密度函数。 1 33f u z z y 测度法在边坡稳定性分析中的应用 根据模糊测度理论，在实际边坡稳定性计算中，只需确定出勿的表达式，使 得它们在实际工程问题中具有一定的物理意义，通过求得影响边坡稳定的某一因素的 模糊隶属函数心( x ) 以及分布密度函数咖则即可计算该系统的f u z z y 测度值。 公式( 4 - - 1 7 ) 为l e b e s g u e - s t i e l t j e s 积分。 在一维情形下，若x ( 一，+ 。) ，则有： m ( a l ；x ) 2 p ( 4 ；x ) 5 m x l k x 】2 j d l 一( x ) 咖( x ) ( 1 6 ) 其中x _ l 是f u z z y 随机变量，积分区域d l q 。 在高维情形下对于x ( 一o o ，+ o o ) 和n 中所有的 ，下面的恒等式成立： m 【( x m _ ) n n ( x 天然饱水( ) c ( m p a )士( 。)c ( k p a )( 。) 微风化白云岩2 692 7 605 405 4 ) 82 9 3 26 0 , - , 9 02 6 2 803 1 0 ，3 8 风化白云岩2 6 62 7 40 6 40 0 9 4 ) 1 62 7 0 02 0 4 02 5 2 802 5 o3 0 碎石土2 652 73l2 000 0 8 - 4 ) 0 1 32 6 2 84 92 3 2 60 2 2 02 6 2 12 = 程地质情况评价 该路堑边坡地质构造简单，无大的断层通过，边坡在较小的角度下可以保持稳 定状态。但该边坡中发育的裂隙以及覆岩下的碎石土层将对边坡的稳定性产生重大影 响，在设计坡度下将不能长期保持稳定，极有可能产生滑坡，应采用锚杆进行加固处 理。同时基岩坡面上应喷浆，减缓其风化速度。 22 岩体工程分类及本工程岩体评价 由于组成岩体的岩石性质不同以及岩体中弱面发育情况的差异，致使岩体的力 学性质比较复杂。为了便于研究岩体和应用于工程实际，必须将工程范围内的岩体进 行分类，其目的在于对岩体稳定性进行统一评价时，提供一种客观的比较手段和衡量 标准，以便根据岩体的质量( 软、硬、好、坏) 情况，为工程设计提供可靠的计算参 数和实用指标，为工程施工选择合理的施工方法提供可靠的依据。近二十年来，由于 各种岩体工程的大量修建和工程地质力学理论的发展，工程岩体分类的研究已成为岩 石力学和工程地质界普遍重视的重大课题。目前主要有以下几种分类法 4 3 一、按岩石强度分类 这种分类方法又称普氏分类法，它仪以岩石试件的单向抗压强度作为分类的标 准根据岩石试件单向抗压s c 的百分之一( 即普氏坚固系数f = s d l o o ) 将岩石分为l o 级1 5 种，这种分类法认为f 值越大，岩体越稳定，按照普氏分类法，最坚硬的岩石f 值可达2 0 ，最软的土壤f 值只有0 3 。 西南交通大学研究生学位论文 第2 0 页 二、按岩石( 芯) 质量指标分类 这种分类是根据钻探时的岩芯完好程度来判断岩体的质量，对岩体进行分类。 即将钻探时获得的大于或等于1 0 c m 的岩芯长度之和与钻孔总长度的百分比作为岩体 质量指标，并以rqd 表示： 咖= 坚号罴笋m 。 根据岩芯质量指标值的大小将岩体分为五类。 三、按岩体完整性系数分类 岩体的完整性是相对于岩体的破裂程度而言的，它是岩体中结构面组数、密度、 结构体大小等的集中及反映。而岩体完整程度一般是以岩体中弹性纵波的传播速度 啪组成该岩体的岩石中弹性纵波的传播速度仙值的平方，眦= ( 2 来表 示，称k 为岩体完整性系数( 又称龟裂系数) 。实测表明，k 值越大，岩体的完整性 越好。 凹、拨岩体结构类型分类 这种分类法由中科院地质研究所提出，其基本出发点认为，岩体与一般连续介 质的区别主要在于它是被各种各样的结构面切割而成的裂隙体，其结构面的分布，组 合关系及其性质在很大程度上控制着工程岩体的稳定性。同时认为岩体被各种不同 的结构面切割而成为不同类型的力学介质，在分析其稳定性时，应采取不同的计算方 法。这种分类方法抓住了问题的主要方面，因而普遍受到重视，但需进一步解决定量 方面的评价使之更趋完善。 五、按岩体质量系数分类( 复合指数分类法) 这种分类法认为，岩体质量是多种因素的函数。具体方法是选取其中几个起支 配作用的指标作为它的参数，并列出函数关系式，通过函数关系式，通过数学运算， 求得岩体质量系数值，依据质量系数值的大小，即可定量地评价岩体质量。 西南交通大学研究生学位论文 第2 1 页 根据所求的岩体质量系数数学表达式的不同，可分为乘积法和差法两种。所谓 乘积法是指岩体质量系数是各系数的连乘。所谓和差法是根据岩体质量系数中各参数 分级评分值的代数和对岩体进行分类的。 c s l r ( 南非科学工业研究会) 的岩体工程分类，这一分类属于和差法，是由z j b i e n i a w s k i 提出的。 岩体分类法是根据岩体中五个实测参数和结构面的空间方位与开挖方向之间的 相对关系所得评分值的代数和作为划分岩体等级的依据，其数学表达式为： c s i r = a + b + c + d 十e + f 式中：a 完整岩石单向抗压强度的分级评分值 b 岩石质量指标的分级评分值 c 结构面间距的分级评分值 口结构面状态，包括结构面的粗糙度、宽度、开口度、充填物、连 续性及结构面两壁岩石条件等的评分值 e - _ j 也下水条件的分级评分值 f 结构面走向和倾角对开挖影响程度的评分值 以上：前五个因素评分值的大小是由b i e n i a w s i 经多年实践经验规定的，其各有关 因素的评分值见表2 2 ： 聪 一 一 垛 专 柱烈 鏊删 艮 兄 圈 匣 窖 * j 亘 加 旺婷 * 出 v 蛙匠 蕞 抛：卧 p 倒匠 鼎层 单辑 叼 韶层 苓 警 趟咏恻 l n 幽 宁 芒 n 咖 。 口 倒h 1 舅 哥 高 。、 誉 i 量 了 n g 叼 苫 葛 挺 忙嗵三 f h 蜊 昌 摹 目 蒸 口 彳耋主 善 1 。忙 划 g 寸 no 粑韫忙 ： 翻h 旧 囔 器 、。 誉 卑 誊毫兽萋 * 刊 耋童穹 一 铲挺皇湘 撇 妊 罟 口、 长 。 薹目 剿 蜒 悱 a 割副躺倒 剞 卜 。、 犯梧刚 p 雕 状 景 驱 釜 靶 址j 四 罐 是 喜 蛩 趔 龋 趔址j 粤 塑 雒 碟求 厘 臻 霾 求求求 喜 瑚生 刚酬 异 嚣 蚓 滟 妊拉生 扭 生 咂 求 妊 重 抵 v 糕 簧生 嵋 采 抛 锚 根 捌卜* 仪继迥朴州积奄卦k暇燃怔陋 西南交通大学研究生学位论文第2 3 页 2 3 治理方案的选取及设计 根据实际工程地质情况以及岩体的稳定特性，结合现场实际情况即必须对表 层自云岩和覆岩以下的碎石土层同时加固，经严格的分析、论证和比较，在实际工程 中选定了以下加固方案：在应用预应力锚杆锚固的同时，采用特殊的施工工艺对覆岩 下碎石土进行高压注浆。这样，一来可以增加预应力锚杆的锚固力，二来可以增加碎 石土的凝聚力c 和内摩擦角( p ，三来还消除了溶洞可能造成的工程隐患。 2 33 方案要点 1 所有锚杆均采用预应力锚杆，锚固深度最长延深至3 4 m ，锚杆安装采用“岩 土层高压注浆预应力锚固技术”。“岩土层高压注浆预应力锚固技术”通过在锚杆安 装过程中，在锚杆深部的锚固段施行高压注浆，对深部土体进行再加固，同时充塞了 土中溶洞( 图2 一1 ) ，更为重要的是增加浆体和杆体间的握裹力以及孔壁与浆体间的 摩擦力，预应力易于施加且能长久保持。 2 坡面布置钢筋混凝土框架，框架节点用预应力锚杆锁定，中间采用片石护面 墙护土，从而使整个坡面维护层经预应力锚杆连接，从平面到立体完全成为个整体。 田2 一岩土屡高压注浆浆液扩做、充填溶漏示意田 西南交通大学研究生学位论文第2 4 页 2 32 细部设计( 详见图2 2 ，图2 3 ) 7 5 号蕞粥j ：石 圈2 2 边坡支护横断面示意图 ? l b 粤毫 q q * i r * ； | ，l 堕竖 i 嘴f 女* 、瑚 确刊 图2 3 锚杆护坡正规田 西南交通大学研究生学位论文 第2 5 页 第三章注浆及锚固机理分析 3 1注浆加固机理分析及参数选择 3ll 注浆加固基本原理 注浆加固是指在压力作用下使浆液充填岩体和土的裂隙，排挤出孔隙中存在的 自由水和气体。从而在基本上不改变原状岩土的结构和体积情况下，达到( 1 ) 改良 岩石和土的现有性质；( 2 ) 根本改变岩土的物理化学性质，从而在被灌注范围内产生 一种新的介质的目的。 注浆加固之所以能达到上述目的，主要是依靠下述三种作用吲： 1 化学胶结作用：不管是水泥浆或化学浆，都具有能产生胶结力的化学反应， 把岩石或土连结在一起，从而使岩土的整体结构得到加强； 2 惰性充填作用：填充在岩石裂隙及土裂隙中的浆液凝固后，因具有不同程度 的刚性而能改变岩层及土体对外力的抵抗能力，使岩土的变形受到约束； 3 离子交换作用：浆液在化学反应过程中，某些化学剂能与岩土中的元素进行 离子变换，从而形成具有更加理想物质的新材料。 本工程采用“岩土层高压注浆预应力锚圃技术”，该技术实际上是通过采用特殊 的工艺，在第一次整孔注浆浆液初凝的瞬间实施二次高压注浆，是浆液在锚杆锚固段 的特定位置( 按要求设定) 定点扩散，从而使浆液凝固体在岩土体中形成梳状，类似 f 树根桩( 见图3 一1 ) ，浆体与岩土体的接触面积增加8 0 以上。 在本工程中运用该技术的主要优点： 1 在有限的锚固深度内施加较高的锚固预应力 据现场测试：由原来仅靠孔壁与浆体间的摩擦力承担的预应力变为其与岩土体 的抗剪力共同承担。 圈扣l 土晨裔压鞋簟曩直力杆毫 西南交通大学研究生学位论文 第2 6 页 2 预应力可长久保持 常规预应力锚杆在岩土体中应用时，随时间的推移孔壁岩土体与浆体间会逐 渐发生位移，预应力逐渐丧失为零，锚杆最终整体失效。现场测试表明，岩土体中安 装的常规预应力锚杆，其预应力一般最多只能保持一年而采用“岩土层高压预应 力锚固技术”锁定以后，预应力在逐渐降低8 1 0 以后趋于稳定，可以长期保持。 这一特性恰恰是作为必须永久加固的高速公路边坡所要求的。 3 高压注浆可改善土体特性 由于锚杆安装过程中采用了特殊的工艺，第二次注浆时可施加高压力( 最高可 达6 m p a ) ，土体在高压下，被挤实、劈裂，孔周围的岩土层被逐渐固结和强化。经 实际测算一般岩土体在注浆压力达到6 m p a 时，含水率可降低1 5 ，孔隙率降低2 0 ，而凝聚力提高2 0 , - - 3 0 ，内摩擦角提高5 1 0 ，其物理力学特性会得到根本改 善。 4 对于本工程路堑边坡而言，第二次高压注浆以后，浆液在向周围挤密、溶透 扩敝的同时会不断地充填孔壁周围的天然溶洞，消除了由于溶洞存在可能引起的天 然隐患，可谓一举两得。 由于高压注浆加固岩土层的作用还要受到诸如浆液与岩土层界面的结合形式、 浆液饱和度以及浆液凝固时间等因素的约束，所以在具体施工过程，我们采取了如注 浆前清洗孔壁、注浆管插入孔底注浆、保证浆液浓度、保证注浆量等相应措施来确保 注浆后岩土体的强度达到设计值。 3l2 高压劈裂注浆力学机理分析 就单个注浆孔而言，高压劈裂注浆的力学机理实际就是一个圆孔扩张问题如 图3 - - 1 所示，随着圆孔的扩张，孔壁周围形成一个塑性区，再往外仍为弹性区。为 了便于分析可作如下基本假设： 孔壁周边材料为均质各项同性的理想弹塑体，服从t r c s c a 或m o i l r c o u l o m b 西南交通大学研究生学位论文 第2 7 页 屈服准则： 1 圆孔扩张前材料具有均匀的初始应力场： 2 材料的体重不计。 选取坐标系，平衡方程、几何方程分别为： 一d o - r 4 - ! ! 二生：o 咖 ， 咖。 6 r i ( 3 1 ) ( 3 2 ) 岛= 一r ( 3 3 ) r 对于图3 1 所示的圆孔扩张问题，在r b 的弹性区内，根据不同模量弹性理论 其本构方程为( 规定压应力为“+ ”，拉应力为“一” 1v 一 占，2 万盯r f 盯 1v 一 ， 2 f 仃。一可仃 式中：e 、e + 材料的抗拉、抗压模量 v 。、v + 材料的抗拉、抗压泊松比 ( 3 4 ) 经过推导，可求得弹性区内的应力及位移为： 仃，：只( 鱼) 一 r 酽吲争c ( 3 - - 5 ) 铲一去a 夸。铲一方以芦 式中 口= 圭临可可而一( 肛叫一) 】 。 肛吉告如。( 3 - - 6 ) 西南交通大学 肪= 等e 研究生学位论文第2 8 页 o 由式( 3 5 ) 口j 知，在r = b 处，材科阴_ 匝力相位移分别为： 盯，= 只 旷一只( 3 - 7 ) 驴驴一鲁a 由于r = b 处为弹塑性状态的界面，p c 即为临界扩张压力。 根据以上分析可以看出，高压劈裂注浆主薯是靠孔驻沣入压力的有皴倍涕才能 达到加固和浆液有效扩散的目的。高压下，可使软弱夹层和碎石土层挤密、压实。从 理论上说，压力越大，挤密效果越好。 通过对圆孔扩张问题的研究，可知只有加大注浆压力p ，使其达到p 。时，才能 形成塑性区。随着注浆压力的不断增大，当p p 。以后，塑性区内的岩土层被挤实， 开始沿注浆孔轴向发生劈裂，形成软弱夹层以及碎石土层与注浆体的互层( 见图3 2 ) ，彻底改变了孔壁周围软弱夹层以及碎石土层的物理力学性质，从而达到劈裂加固 软弱夹层及破碎带的目的。 3 1 3 注浆参数设计 通常所说的注浆参数主要包括：注浆压力、注浆时间、浆液有效扩散半径、浆 液流量、浆液注入量、浆液浓度和浆液凝胶时间等。注浆参数的选择是注浆设计的主 要组成部分，其合理与否，直接关系到注浆效果和造价。下面是本工程二次高压注浆 的参数设计计算与选取。 一、注浆压力 本工程采用劈裂注浆压力可按照有效应力的库仑一摩尔破坏准则进行计算，在 假设为各向同性的地层中，材料的应力状态与式( 3 8 ) 相一致时，即将发生破坏。 西南交通大学研究生学位论文第2 9 页 旦学s i n ( p = 学c c 啷 ( 3 _ 8 ) 式中：a 。有效大主应力 0 3 有效小主应力 ( p 有效内摩擦角 c 有效凝聚力 由于注浆应力的作用，将使碎石土和软弱夹层的有效应力减小，当注浆压力p 。 达到下式的标准时，就会导致岩土体的劈裂。 只：虹五攀一尘 7 w h 。) ( 1 一足) 2 s i n ( d 式中：心水的容重 。地下水位高度 k 省效主应力之比，旦l 盯3 q 有效大主压应力，近似等于缸 h 注浆段深度 + c c o s ( p ( 3 - - 9 ) 卜岩土体容重 由3 2 奠体，曩产生示意哥 图3 3 为上述公式所代表的机理，从图中可见，随着注浆压力的增大以及孔隙 水压力的增大，有效应力就逐渐减小而至与破坏包络线相切，此时表明岩土体己经开 始劈裂。 本工程劈裂压力计算如下：( 参数取自勘察资料( 平均值) ) 西南交通大学研究生学位论文第3 0 页 y = 2 73 k n m 3 ，c = 01 2 m p a ，y = i o k n m 3 ，( p = 2 4 。，h = 1 7 m ，h 。= 0 ，k = 3 尸 ：堕! ：! ! ：! ! ! 二! ：! ：! ! ：! ! 趔1 2 。 2 ( 2 7 3 。1 。0 4 x 1 7 - 1 0 x 1 0 4 ) ( 1 。+ 3 ) 2 s i n2 4 0 + o 6 5 1 0 6c o s 2 4 。 2 6 6 m p n 故理论上得出注浆压力不得低于3 m p a ，在实际工程中二次高压注浆的压力在 4 6 m p a 。 3 - 3 注浆破坏机理圈 二、浆液有效扩散半径 在注浆压力作用下，浆液在岩层裂隙或砂层孔隙间扩散，浆液流动扩散的范围 称为扩| 敦半径，而浆液充填胶结后起堵水加固作用的有效范围称为有效扩散半径。在 裂隙岩层或其它不均匀岩层中，扩散半径和有效扩散半径差别很大，一般根据经验选 取，本工程选取扩散半径为ln l 。 三、每个钻孔注浆量 每个钻孔注浆量与注浆质量和扩散半径密切相关，但是由于地质情况复杂，很 西南交通大学研究生学位论文 第3 1 页 难精确计算，只能估算。 单孔注浆量 q v = 旯，吠2 r l y h d f l m ( m 3 ) ( 3 一l o ) 式中：q 。每个钻孔注浆量，m 3 l 浆液损失系数x = 12 15 取x = l 3 r 浆液扩散半径，m ，此处r = 1m h r 一注浆段高，n l ，根掘工程实际取平均值h a = 2 0 m ”。岩层裂隙率，根据取芯或经验定一般取为05 3 ，本工程取4 b _ 一浆液在裂隙内的有效充填系数，一般为0 8 09 ，取0 9 m 浆液的结石率，水泥浆见表3 1 ，其它浆液取m = l 表3 1水泥浆结石率与水灰比的关系 水灰比2 ：l l _ 5 ：ll ：l0 7 5 ：l051 【。值05 60 6 708 509 709 9 本工程为水泥浆，水灰比为o5 ：1 ，所以n l 值取为o 9 9 。 q 产l3 n x 1 2 x 4 2 0 0 9 0 9 9 = 29 7 ( m 3 ) 根据单孔注浆量可以求得总注浆量q ： q ：却，q ，( m 3 ) 式中：q 厂总注浆量，m 3 n 注浆孔数，个 3 2 锚杆加固围岩机理 一般认为，锚杆加固有三种作用：悬吊作用，组合粱作用，组合拱作用。而岩 土工程实际表明，岩土体结构不同，锚杆的作用也有所差异。因此从岩土体结构上认 识锚杆的加固作用对于我们正确地使用锚杆，最大限度地发挥锚杆加固围岩的作用将 具有十分重要的作用。 西南交通大学研究生学位论文 第3 2 页 32l锚杆在不同岩体加固中的加固作用i 蚓 1 块状结构 具有这种结构的岩体主要是构造变动中等以下的厚层或中厚层沉积岩，一般岩 性单一，但也有可能含有泥灰岩，泥质砂岩等泥质岩类的夹层。主要结构面的组数为