（岩土工程专业论文）多节点加载预应力锚索格构梁模型试验研究.pdf

多节点加载预应力锚索格构梁模型试验研究 作者简介：刘晶晶，女，1 9 8 1 年1 1 月生，2 0 0 3 年从师于赵其华教授，于2 0 0 6 年6 月毕业于成都理工大学岩土工程专业。 摘要 预应力锚索格构梁复合结构是一种主动防护体系，能够充分挖掘岩土体的自身潜 力，产生强大的支护作用，且结构简单，自重较轻，节省材料，因而近年来被广泛应 用于边坡支挡和滑坡治理等方面。但目前对此类结构的理论研究远远落后于工程应 用，特别是格构梁的设计计算理论研究相对缺乏，因此对格梁的设计计算进行研究具 有重要的现实意义。 基于上述原因，本论文在预应力锚索格构梁复合结构单节点加载模型试验的基础 上，结合其分析结果进行了进一步的试验研究，即模拟实际工程中格梁的多节点受力 状态，进行多节点加载模型试验研究，并对格梁的应变、位移及土中应力值进行了测 试。通过对比不同加载方式下格梁应变、位移及土中应力测试结果以及单节点加载和 多节点加载试验测试结果对格梁的变形受力响应模式以及土中应力变化规律进行了 分析，认为a 、在多节点加载条件下，从加载节点向跨中延伸1 7 0 m r a 范围内，格梁 变形为下凹，在跨中2 6 0 m m 范围内格梁变形为上凸；b 、由于纵梁顺坡向放置，在坡 角以及锚索倾角的影响下，使得梁底部受到较大摩擦力的影响，而横梁横向放置于斜 坡上，基本不受摩擦力影响，因此纵梁与横梁变形不同，且纵梁对坡角、锚索倾角、 扭矩以及边晃效应影响的敏感性大于横梁；c 、纵梁上、下两部分变形不同，该差异 同荷载作用位置无关，边节点处上梁受边界效应影响幅度大于下梁；d 、土中应力变 化不呈直线或线性分布，而是加载节点处较大，跨中处较小：e 、外荷载沿格梁传播 距离为2 3 个跨距，在格梁底面向下l o e m 范围沿地基水平向传播距离为1 2 个跨距， 且格梁在多节点加载条件下受力状态要好于单节点，变形较为均匀，扭矩影响较小。 此外，通过对纵梁的变形受力状态的分析，应用考虑摩擦的w i n k l e r 弹性地基梁法， 并对格梁在多节点加载条件下的最大挠度、最大弯距等进行了计算，将计算结果同实 测结果进行对比分析可以看出，两者的差值不大，说明考虑摩擦的w i n k l e r 弹性地基 梁法较为适合基底处存在摩擦的格构梁内力计算。尤其是锚索倾角较大，且地基比较 坚硬、地基与梁接触较为粗糙时，采用此方法将更为贴近实际工程。但考虑到采用该 计算模型计算所得的最大内力要比实测值略大，因此在采用此方法进行实际配筋计算 时，则偏于保守。 结合上述研究，本文就实际工程对预应力锚索格构梁的设计计算给出几点建议， 并希望能够在今后的研究当中，分析得出一套较为全面的，更为贴近格梁实际受力情 况的理论计算方法，并能够在工程中得到广泛应用。 关键词：格构梁多节点模型试验摩擦力w i n l d e r 弹性地基梁 s t u d yo hm u l t i n o d a ll o a dc o m p l e xs t r u c t u r em o d e le x p e r i m e n to f p r e s t r e s s e d i n t r o d u c t i o n o ft h ea u t h o r ：l i uj i n g j i n g , w a sb o r no nn o v 2 0 ，1 9 8 1 u n d e rt h e g u i d a n c eo fp r o f z h a oq i h u a ，s h ew a sg r a d u a t e df r o mc o l l e g eo fe n v i r o n m e n ta n dc i v i l e n g i n e e r i n ga tc h e n g d uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y a b s t r a c r t h ec o m p l e xs t r u c t u r eo fp r e s t r e s s e da n c h o r - r o p ea n dl a t t i c eb e a mi sak i n do fa c t i v e p r o t e c t i o ns y s t e m ，w h i c hc a ne x c a v a t et h es e l f - p o t e n t i a lo fr o c k s o i lb o d ys u f f i c i e n t l ya n d b r i n gs t r o n gs u p p o r te f f e c t i th a ss i m p l es t r u c t u r e ，l i g h tw e i g h ta sw e l la sl e s sm a t e r i a l u s i n g ，w h i c hm a k et h es t r u c t u r eb e i n gu s e dw i d e l yo ns l o p es u p p o r ta n dl a n d s l i d et r e a t m e n t b u ta tp r e s e n tt h et h e o r e t i cs t u d yo nt h i ss t r u c t u r ed r o pf a rb e h i n dt h ee n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n s e s p e c i a l l yt h ed e s i g nc a l c u l a t i o nt l l e o r e t i cs t u d yi ss h o r tr e l a t i v e l y s ot h e r e w o u l db ei m p o r t a n tr e a l i s t i cm e a n i n gi fs t u d yo nd e s i g nc a l c u l a t i n go fl a t t i c eb e a m b e c a u s eo ft h o s er e a s o n sb r i n ga b o v e ，t h i sa r t i c l eb a s e so ns i n g l en o d el o a dm o d e l e x p e r i m e n to fc o m p l e xs t r u c t u r eo fp r e s t r e s s e da n c h o r - r o p ea n dl a t t i c * b e a ma n dp r o c e s s e s f a r t h e rm u l t i n o d a ll o a dm o d e le x p e r i m e n ta n a l y s i sc o m b i n ei t sa n a l y t i cr e s u l t ，w h i c h s i m u l a t e sl a t t i c eb e a ms t r e s si na c t u a l p r o j e c t e x p e r i m e n tm e a s u r e s t h es t r a i n ， d i s p l a c e m e n ta sw e l la ss o i ls t r e s so ft h el a t t i c eb e a m b vc o m p a r i n gt h o s cm e a s u r ed a t ai n d i f f e r e n tm u l t i n o d a ll o a dm o d ea sw e l la sd i f f e r e n ts i n g i e & m l l l t i n o d a ll o a dm o d e a n a l y s i sd i s t o r t i o na n ds t r e s sr e s p o n s ep a t t e r no ft h el a t t i c b e a ma sw e l la ss o i ls t r e s s v a r i e t yp a t t e r n ，w h i c hc o n s i d e r s ：a o nc o n d i t i o no fm u l t i - n o d a ll o a d ，f r o m1 0 a dn o d e e x t e n d 幻t h em i d d l eo fs p a nw h i c hi sa b o u t1 7 0 r a ml o n gt h ed i s t o r t i o no fl a t t i c eb e a mi s n o t c h i n g ，w h i l ea t t h em i d d l eo fs p a na b o u t2 6 0 m mr a n g et h ed i s t o r t i o ni s u p p e r p r o t r u d i n g ；b f o rt h el o n g i t u d i n a lb e a m sl a ya l o n gt h es l o p e ，t h eb o t t o mo ft h eb e a ms u b j e c t t og r e a tf r i c t i o na f f e c tb ys l o p ea n g l ea n da n c h o ra n g i e ，w h e nt h ec r o s sb e a m sl a ya l o n gt h e c r o s sd i r e c t i o n ，w h i c hm a k e si to u to fi n f l u e n c eo f 衔c t i o n s ot h ed i s p l a c e m e n to ft w oo f t h e mi sd i f f e r e n t ，a n dt h es e n s i t i v i t yo fi o n g i m d i n a lb e a m so ns l o p ea n g l e ，a n c h o ra l l 【醴ea s w e l la sb o r d e re 赶b c ti sg r e a t e rt h a nc r o s sb e a m s ；c t h ed i s t o r t i o no fu p p e ra n dl o w e rp a r t s o fi o n t u d i n a lb e a mi sd i f f e r e n t ，a n dt h ed i f i e r e n c ei sr e l a t e dt ot h ep o s i t i o no fl o a d ，t h e i n f e c t i o nr a n g eo fu p p e rp a r t sa f f e c tb yb o r d e re f f e c ti sb i g g e rt h a nl o w e rp a r t sa tt h eb o r d e r n o d e ；d t h ev a r i e t yo fs o i ls t r e s sd o e sn o tp r e s e l i ts t r a i 曲t - l i n eo rl i n e a rd i s t r i b n t i o n 0 n r e v e r s et h ev a l u eo nl o a dn o d ei sb i g g e rt h a nt h em i d d i eo fs d a n ；e t h ed i s t a n c ew h i c hl o a d s p r e a da l o n gt h eb e a mi s2 3b e a ms p a n a n da l o n gt h es o i li s1 1 2b e a ms p a n 1 1 1 es t r e s so f l a t t i c b e a mi nc o n d i t i o no fm u l t i - n o d a ll o a di sb e t t e rt h a ns i n g l el o a d f o rt h ed i s t o r t i o ni s m o r eu n i f o r m i t ya n dl e s sa f f e c tb yt w i s tm o m e n t b e s i d e s ，a c c o r d i n gt oa n a l y s i so n d i s t o r t i o na n ds t r e s sr e s i x ) r i s ep a t t e r no fl o n g i t u d i n a lb e a mb r i n gf o r w a r dw i n k l e re l a s t i c f o u n d a t i o nb e a mm e t h o dw h i c hc o n s i d e rf r i c t i o n ，a n dc a l c u l a t et h em a x i m u md e f i e c t i n na s w e l la st w i s tm o m e n ti nc o n d i t i o no fm u l t i n o d a ll o a d c o m p a r i n gc a l c u l a t e dr e s u l t sw i t h m e a s u r e dr e s u l t s i tc a nb es e et h a tt h ed - v a l u eo ft h e mi sd o s et oz e r o ，w h i c hi l l u s t r a t e 也a tt h em e t h o dc o n s i d e r sf r i c t i o n sf i tl a t t i c eb e a me n d o g e nf o r o ec a l c u l a t i o nw h e n f r i c t i o ne x i s t s ，e s p e c i a l l yt h ea n c h o ra n 出ei sb i g ，g r o u n di ss t i f f , a n dt h ec o n t a c tb e t w e e n g r o u n da n db e a mi sr o u g h b u tc o n s i d e r i n gt h em a x i m u me n d o g e nf o r c ec a l c u l a t eb yt h i s m e t h o di sal i t t l eb i g g e rt h a na c t u a lm e a s u r e dv a l u et h ec a l c u l a t er e s u l t si sl e a nt o c o n s e r v a t i s mw h e np r o c e s sa c t u a lr e i n f o r c i n gb a r s i na l l u s i o nt oc o n c l u s i o nb r i n ga b o v e ，t h i sa r t i c l eb r i n g ss e v e r a ls u g g e s t i o n so nd e s i g n c a l c u l a t i o no fp r e s t r e s s e da n c h o r - r o p ea n dl a t t i c eb e a mi na c t u a lp r o j e c t a n de x p e c t sa s e r i e so fr o u n d e dt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o d sw h i c ha r em o r ed o s et oa c t u a ls t r e s s c o n d i t i o no fl a t t i c eb e a m ，a n da p p l yw i d e l yi no r o i e c t k e y w o r d ：l a t t i c eb e a m m u l t i n o d a l m o d e le x p e r i m e n tf r i c t i o n w i n k l e re l a s t i cf o u n d a t i o nb e a m m 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 边坡是自然或人工形成的斜坡，是人类丁程活动中晟基本的地质环境之一，也是工程建设中 最常见的工程形式。作为全球性三大地质灾害( 地震、洪水、崩塌滑坡泥石流) 之一的边坡失稳 塌滑严重危及到国家财产和人们的生命安全。 边坡地质灾害中最常见的是滑坡，由于其产生的条件、作用因素、运动机理的多样性、多变 性和复杂性，致使预测困难，治理费用也较昂贵，且一真是世界各国研究的重要地质工程问题之 一。统计资料表明，我国有新老滑坡约3 0 万处。其中灾害性的约1 5 万处，每年自然滑坡体积达 数百万甚至上亿立方米，损失高达1 0 0 亿元以上【1 】。六十年代以来，世界范围内大型滑坡灾害现 象相继发生：1 9 5 9 年法国马尔帕塞滑坡、1 9 6 3 年意大利瓦依昂滑坡、1 9 8 0 年湖北宜昌盐池河崩滑、 1 9 8 2 年长江鸡扒子滑坡、1 9 8 3 年甘肃洒勒山滑坡( 碎屑流) 、1 9 8 4 年长江新滩滑坡、1 9 8 5 年云南 怒江滑坡及重庆巫溪滑坡、1 9 8 7 年白沙滑坡、1 9 8 8 年四川巫溪西宁滑坡( 碎屑流) 、1 9 8 9 四川华 蓥山溪口滑坡( 碎屑流) 、1 9 9 2 年昭通滑坡、1 9 9 4 年乌江鸡冠岭滑坡、1 9 9 6 年贵州岩口滑坡、1 9 9 7 年贵州盘县纸厂村滑坡，2 0 0 0 年菲律宾马尼拉市郊奎松滑坡( 大型垃圾堆塌方) ，2 0 0 1 年辽宁本 溪下马塘滑坡及重庆武隆滑坡，2 0 0 3 年贵州三穗县特大桥滑坡及三峡库区沙镇溪千将坪滑坡 2 卜i s ! ，2 0 0 4 年重庆市万州区、云阳县、开县，四川省达州市滑坡 6 1 ，2 0 0 5 年四川省丹巴县建设街 后山滑坡川，仅这些滑坡灾害中，造成人类生命损失最大者可达3 0 0 0 人，导致直接经济损失最大 者近亿元，诸如阻断交通、拦截河流、摧毁建筑等所产生的间接经济损失更是无法估量，因此引 起各国工程技术和科研人员的极大关注。 边坡治理是一项技术复杂、施工困难的灾害防治工程。近年来，国内高速公路建设事业的迅 速发展，大型重点工程项目的日益增多，边坡治理总是越来越突出。2 0 世纪5 0 年代，我国治理 边坡主要采用地表排水、清方减载、填土反压、抗滑挡墙及浆砌片( 块) 石防护处治等措施。但 工程实践经验证明，采用地表排水、清方减载、填土反压仅能使边坡暂时处于稳定状态，如果外 界条件发生改变，边坡仍然可能失稳p 】。2 0 世纪6 0 年代末期，我国曾成功地应用支撑盲沟) 1 4 , 抗滑挡土墙取得疏水和支挡滑坡的双重效果。但深盲沟施工开挖相当困难，因为在地下水发育的 情况下，施工开挖极易坍塌，为了克服抗滑桩挡土墙开挖基础的困难，曾在贵昆线二梯岩滑坡治 理中设计采用沉井式抗滑挡土墙，但施工也不容易。加世纪8 0 年代末期，人们开始重视支挡的 作用，强调支挡为主的概念。又因为抗滑桩具有布置灵活、施工简单、对滑坡扰动小等优点，受 到工程设计和施工的广泛应用，逐步形成以抗滑支挡为主，结合清方减载、地表排水的滑坡综合 治理技术。9 0 年代，滑坡整治中贯彻一次根治、不留后患的原则，并充分认识到滑坡的形成是多 因素综台作用的结果，因此应采用综合治理的工程措施。大量采用抗滑桩、结合地面排水的滑坡 整体治理措施，效果显著。随着高强钢材和钢丝的出现以及钻孔灌浆技术的发展，预应力锚索加 固技术越来越多的应用于各种边坡支护和滑坡整治工程设计中，尤其是近年来预应力锚索与其他 抗滑结构的联合应用，如预应力锚索格构梁、预应力锚索抗滑桩、预应力锚索抗滑挡墙等，更使 成都理工大学硕士学位论文 得预应力锚索的锚周技术得到了飞速的发展和广泛的应用，与此相适应，关于预应力锚索的设计 计算理论和方法、施工技术等方面的研究工作得到了许多相关领域内的研究者和现场工作者的重 视，在此方面做了大量的研究工作【9 】，得出了不少有价值的成果和结论。 1 2 预应力锚索格构梁的研究概况 预应力锚索与格构梁结合共同作用加固坡体是预应力锚索在实践工程应用中发展起来的一种 新型支挡结构形式，可将其简称为预应力锚索格构梁。这种结构形式主要是利用了预应力锚索抗 滑、格梁作为承力和传力构件的特性，即通过格梁承受巨大的锚索预应力并且将其传递到被锚固 的地层中，从而起到对坡体加固的作用【l q 。目前关_ 预应力锚索的锚闽机理及设计计算研究较多， 而对锚索格梁结构中格梁的设计计算方法研究较少，一般都是先把格梁拆分成单根地梁，然后采 用经验类比法来估算地梁内力，或者沿用建筑地基基础中计算连续基础的刚性粱或连续梁的方法 来计算梁的内力【1 1 】【1 2 1 ，没有较为严格地根据边坡工程中预应力锚索地梁的具体受力特点来设计计 算格梁，其不合理性及弊端是显而易见的。由于格梁在锚索与坡体之间起着连接的作用，格梁的 设计是否合理安全直接关系到预应力锚索格构梁结构对坡体的加固效果，因此对格梁的设计计算 进行研究有重要的现实意义。 1 2 1 适用条件 预应力锚索格梁适用于各种岩体介质，正逐步在粘性土层和无粘性土层中推广使用。考虑到 不同土质材料自身压缩性高低和徐变性能的差异以及锚索材料自身的特性，要使预应力锚索格梁 有足够稳定且持久的锚固力，在工程应用上就不能用于完全松散的地层中f 锚固力低不足以产生足 够的锚固力稳定于被加固层) ，也不能置于徐变明显的土层中( 因地层徐变引起锚固力损失或丧失) ， 也不能置于对钢绞线或高强钢丝有腐蚀性的地层中( 腐蚀使得锚索材料锈损或断裂) 。而格梁由于 尺寸大于锚墩，会对坡面产生一定的箍束作用，从而有效地改善锚索四周浅表土体的应力状态， 防止浅层表面开裂。故预应力锚索与格梁的结合使用能更好地适用于浅层风化严重的岩层和堆积 层厚度人的滑坡体。目前预应力锚索格梁正广泛而有效地应用于高边坡稳定，岸坡抗滑，挡墙和 洞室加固，坝基和坝体稳定加固和抗震等方面，在工程实践中体现出明显的技术经济优越性。 1 2 2 作用机理 在预应力锚索工程中，由于锚索拉力一般集中在外锚头位置，并会在外锚头附近的浅层岩土 形成较大的应力，为了分散其高应力状态，避免浅层局部岩土的压缩变形过大，进而引起预应力 的损失，同时为了调整被压缩土层体的应力状态，使其受力模式更为合理，对外锚头的结构设计 提出了一定的要求。预应力锚墩、预应力锚索格构梁就是在这种要求下发展起来的一种常用于边 坡支挡加固的结构形式，在此类结构中，外部混凝土结构作为锚索与坡体的连接体，除了相当于 锚索外锚头的作用外，在工作过程中，格构梁尤其是框架形格梁能加强各锚索之间的作用联系， 保证锚索在抗滑中的均匀性、连续性以及整体性，达到完全稳固边坡的目的。 预应力锚索格构梁稳定边坡的作用原理主要有两方面：一是预应力锚索将被加固体作为支护 体系中的一个重要组成部分，充分利用和调动岩土体的物理力学特征，通过灌浆技术将预麻力提 供点深置于边坡内部的稳定土体与岩体中，从而为获得足够的、稳定的预应力值提供保证。尤其 是锚索防腐技术、灌浆技术、预应力钢材、钻孔设备与钻孔技术等方面都取得较大进展和突破， 2 第一章绪论 为预应力锚索的广泛运用提供了先决条件，同时岩土体在正向压力作用下，可使浅表层滑移面土 体的摩擦力增大，从而提高滑移面的抗剪强度( 特殊情况可采用灌浆方法提高滑移面的土体强度) ， 增大坡体阻滑力，阻止滑坡体沿既有滑移面继续滑动，使弱面间产生挤压结合，即所谓的“反压” 技术。二是混凝土格梁在预应力锚索的拉力作用下，较大范围的抑制了边坡变形，即通过坡面上 混凝土格梁和预应力锚索的有效连接，形成一个由表及里的加固体系，从而达到防i l 整体边坡失 稳的目的“3 1 。 在对岩体表面防风化和环境美化方面，预应力锚索格构粱也具有其它抗滑工程无法比拟的优 点。首先可在格梁内直接回填种植土也可用土工网和局部喷混，对岩面封闭加强，再辅以耕植土 种植植被，利用植被的根系作用完成表层保护和环境美化。 另一方面，预应力锚索格构梁是一种柔性的支挡加固手段，锚索格梁中的所有力均由锚索来 承担，对锚索的防锈处理至关重要。由于锚索不能承受剪力作用，因此，对于大型边坡灾害防治 工程，经常采用预应力锚索格构粱为辅助手段，多种抗滑工程相结合的治理工程措施，一方面由 锚索施加的预应力将滑动岩体与稳定岩体紧密地连为一体，增加岩体各层面的抗滑力，另一方面 发挥抗滑桩的抗剪作用，“钉”住滑动岩体，这样才能取得较好的抗滑效果。 1 2 3 受力模式分析 预应力锚索格构粱的施工顺序是先按设计坡率开挖坡面，钻预应力锚索孔、清孔、下锚、注 浆。锚索施工完后，现场浇注格梁，然后按设计程序张拉锚索并锁定。在这种情况f 从工程实际 的力学特点来看，预应力锚索格构粱的力学分析应分为两个阶段进行，即：锚索张拉阶段和长期 工作阶段。具体地说，前者是指锚索刚刚张拉完成的阶段，而后者则是指锚索已经张拉完成后相 当一段时间，即预应力锚索格构粱结构进行加固坡体的长期工作的阶段。 ( 1 ) 张拉阶段 预应力锚索格梁的受力状态首先是在锚索张拉阶段，为简化分析，这里所说的张拉阶段是指 张拉刚刚完成的阶段，其受力模型可简化为受多个集中荷载的地基基础梁。此时，作用于格梁上 的外力主要有：锚索张拉力、梁下岩体的反压力、地梁重力、梁底摩擦力。由于后两者相对于前 两者非常小，故这里只考虑作用于格梁上的两个外力：锚索张拉力p 、梁下岩体的反压力q ( x ) 。 其中，岩体反压力是未知待求的，而锚索张拉力是已知的。受力模式如图1 - 1 ( a ) 。 ( 2 ) 工作阶段 当锚索预张拉完成并锚固抑制稳定后，预应力锚索格粱便逐渐地进入工作阶段，此阶段是预 应力锚索格梁结构的主要受力阶段。这时，作用于格梁上的主要外力虽然仍是锚索张拉力和粱下 岩体的反压力，但这时梁下岩体的压力的含义是不同的。在张拉阶段，地基反压力主要是由格粱 压岩体而产生的被动岩体压力。在工作阶段，由于松弛区范围内坡体的滑移变形，若没有锚索存 在，则格梁会随着坡面岩体一起滑动，但若有锚索存在，由于锚索紧拉格梁而抑制格梁滑动，进 而也就抑制坡体滑移，于是便起到加固坡体的作用，所以此时地基反压力则主要是来自格梁下岩 体变形压格梁而形成的主动岩体压力。也就是说，此时锚索拉力未知，而作用于格梁上的坡体压 力是由于坡体中岩土体滑动而被预应力锚索格粱结构抑制所造成的。为便于简化分析，这里假定 坡体滑移方向与坡面外法线方向在水平面上的投影相一致。为了在设计格梁时偏于安全，根据极 限平衡理论，此时作用于格粱上的坡体压力可以近似按主动极限平衡理论计算。坡体压力具体可 3 成都理工大学硕士学位论文 采用滑坡推力计算方法进行计算，而当坡体主要为软质破碎岩石时，根据格梁与坡体的相对位置 关系，可以近似地按库仑主动土压力理论计算。但是，不论哪种岩石边坡，当施工过程中有现场 监测条件时，则应以现场监测资料为主要参考来确定主动岩体压力。在工作阶段，地基压力即主 动岩体压力d “) 则是己知的，而锚索张拉抑制力f 却是未知待求的。工作阶段的地梁可视为倒扣 在坡面上的连续梁，受力模式如图1 - 1 ( b ) 。 l 。l _ l - 厂。_ l _ 阻习孵 f 哥_ ： i y 毗” i ， ( a ) 张拉阶段 ( b ) 工作阶段 图1 - 1 格粱受力模式 从上述分析可知，在张拉阶段预应力锚索的张拉力p 1 、p 2 、p 3 是主动作用于格粱上的力，它 迫使土体变形，使土体产生被动抗力q ( x ) 并作用于格梁上。张拉阶段完成后，锚索张力、土体 抗力保持相对平衡，但在工作阶段土体的变形将破坏这种平衡。例如，坡体发生蠕滑变形时，土 体的抗力q ( x ) ，将转变成主动土压力o ( 碲，锚索张力p l 、p 2 、b 则转变为被动抗力f 。、f 2 、f 3 ， 以抵抗土压力。一般来说，工作阶段的锚索拉力f l 、f 2 、f 3 要大于张拉阶段对应的p l 、p 2 、p 3 。 这两个阶段受力模式不同，在设计预应力锚索格梁时，应分别验算张拉阶段和工作阶段的内力， 以确保格梁的安全使用。 1 2 4 现有计算方法评述 预应力锚索格构粱按格梁结构型式可以分为单片型梁与框架型粱两种。单片格粱是指加同坡 体的各格梁之间没有相互联系，单独作为预应力锚索的承力结构置于坡体上，放置的方向为顺坡 向放置：框架格梁是指加固坡体的各格梁之间相互交叉联系形成一个整体的框架式结构共同作用 其中各格粱按在坡体上的位置可分为纵梁( 或肋柱) 和横梁，纵梁指顺坡向放置的格粱，垂直坡向 放置的是横梁，一般而言，纵、横梁之间呈相互正交的关系。 预应力锚索格梁所取尺寸一般较大，横断面尺寸常根据锚固力大小在0 6 m 1 2 m 间变化，其 长度则随边坡的长度变化而变化。目前的设计是按照建筑地基的设计方法，以锚固力作为集中荷 载作用，按地基反力为直线分布的刚性粱或连续梁方法进行计算。 ( 1 ) 单梁的计算模型 将格梁作为单梁计算时认为格梁绝对刚性，梁 m ，f 地架 黧黧罴黧嚣q 妻譬衄珊霉橱 互作用，则只要求出粱底部的地基反力集度”q 。 u 上u u 上uq 日 即可确定基地反力分布( 图卜2 ) ，从而将其视为一r 1 般受力结构按结构力学的方法进行计算即可确定梁 图卜2 地基反力分布直线假设 任意截面的内力，据此进行格梁的结构设计。 对于q 、幻的确定，是将地基梁视为偏心受压柱，利用偏心受压柱截面上应力分布的求解 4 第一章绪论 公式计算格梁的地基反力，即 q a i b ，；掣 ( 1 _ 1 ) 5 了2 丁 0 1 1 式中p x 最格梁上的总竖向作用力之和，此处为格梁上各锚索预应力之和； o m 格梁上各竖向作用力对格梁长度方向中心点的弯矩之和； f 格梁蚝度。 ( 2 ) 框架格梁计算模型 一般将其拆分为单片格梁( 包括纵梁和横梁) 再根据单片格梁的计算方式进行计算。拆分的 原则是框架节点处的变形协调条件和力的平衡条件，协调变形条件即指节点处两个方向的挠度相 等，力的平衡指框架节点上的力应等于分配于两个方向上梁在此节点处的力之和【1 4 】。在进行荷载 的分配时，假定纵、横梁之间为铰结，故不考虑节点处两个方向梁交叉产生的扭矩影响；同时也 不考虑相邻荷载的影响。根据以上的方法和原则，对节点荷载进行两个方向的分配，计算公式为： 式中p ，i 节点处作用的竖向荷载 p ”p 分别为p i 在i 节点处分配给纵、横梁方向的荷载值 b rb y 分别为纵、横梁的宽度； s 。、s 。分别为纵、横梁的弹性特征长度。 对于已分解的荷载，按静力平衡法和倒梁法计算出纵横梁的内力，由此确定格梁底宽和截面 高度，并进行梁体配筋计算。 以上计算方法较为简单、方便，因此容易被广大工程技术人员接受并采用。但是这些方法只 适用于绝对刚性梁作用于w i n k l e r 弹性地基上这种特殊情况。实际上，当梁的刚度与地基刚度相 对变化时，地基反力一般也随之变化，在格梁的设计计算中应尽量考虑这种变化，以使计算结果 更加接近于真实受力情况。 1 2 5 现有力学模型概述 预应力锚索框架结构虽然已经在工程中大量应用，但其设计计算理论总的来说滞后于t 程应 用。在国家标准或行业标准的相关设计规范，如铁路路基支挡结构设计规范( t b l 0 0 2 5 - 2 0 0 1 ) 、 公路路基设计规范( 聊d 3 0 2 0 0 4 ) 以及建筑地基基础设计规范( g b 5 0 0 7 2 0 0 2 ) 中还没有 对其具体设计计算原则和方法做出相应的说明和规定。因此，目前备边坡设计单位一般按照各自 的计算方法并根据工程经验进行设计，设计计算方法差别较大，治理效果各异。 目前，对地基梁的研究还很不成熟，大多情况下是出于经验设计。郭继武、张述勇、冯小川 等编写的建筑地基基础i ”】，对于基础梁内力的计算采用普通连续粱法和调整倒梁法，计算结 5 童一 成都理工丈学硕士学位论文 果柱轴力与支座反力不等，没有考虑建筑物整体刚度，该方法只适台建筑地基梁的计算。对于预 应力锚索格构梁的计算研究更少，而且基本上都是沿= j 的一般地基梁的算法，反梁法将坡面反力 视为作用在格梁上的均布荷载，把锚索作用点看作支座，将框架作为例置的交叉格体系来进行计 算，认为整个框架为刚性，假定坡面反力呈均匀直线分布，将横梁和纵梁看成相互独立的连续梁。 许英姿、唐辉明等人采用文克尔弹性地基梁法，认为格构梁受锚同力的作_ i = i j 压在坡面上，使坡面 对梁产生反作用力，格构粱可视为作用于w i n k l e r 弹性地基上的梁，粱受到若干锚圃力和基底反 力的作用，并假定纵梁刚度远大于横梁，仅考虑纵梁对荷载的传递作用，且钢筋混凝土梁为弹性 材料，锚索预应力作为集中力作用在格构梁上【1 q 。李德芳根据w i n k l e r 假定，利用理论建立了使 用可靠的锚索地梁的力学模型，并用v i s u a lc + + 编制了相应的计算软件( 1 7 1 。栾茂田提出非连续变 形计算力学模型，运用非连续变形计算模型的弹塑性数值分析方法对弹性地基梁模型进行分析计 算1 1 。郭氏法弹性地基梁结构计算方法，用弹性地基梁法计算底板内力，并基于郭氏查表法，将 有关计算表格输入计算机并进行编程，计算数据准确，速度快，可明显提高t 作效率，值得在工 程计算中推广应用。西南交通大学的吕小平、吴荣燕等提出框架锚索中框架内力计算的差分法。 徐光文，黄恩才的弹性地基梁计算方法与分层总和法的结合研究计算方法。陈天愚、张克绪、单 兴波的弹性地基梁的修, t - 日t l 度矩阵解法。以上这些研究成果还没有得到公认，而且，还没有得到 更多实践检验。很多单位都在做这方面的试验研究，希望改善锚索框架的设计计算方法，达到更 好的锚固效果，获得最好的经济效益。 1 2 6 数值模拟 自6 0 年代以来，有限单元法在工程结构领域得- n t 广泛的应用。其基本思想是将问题的求解 域划分为一系列单元，单元之间仅靠节点来连接。单元内部的待求量可由单元甘点最通过选定的 函数关系求得。由于单元形状简单，便于由平衡关系或能量关系建立节点量之间的方程式，然后 将各个单元方程组“组集”在一起而形成总体代数方程组，计入边界条件后即可对方程组求解。 单元划分越细，计算结果就越精确。 许英姿f l q 运用有限元软件a n s y s 对格构锚固结构与松散土层相互作用进行了三维模拟。通 过模拟分析了坡体内部应力分布情况及梁中应力情况。丁秀美、黄润秋等人采用有限元软件 f l a c ”分析了预应力锚索格构梁作用下坡体中应力的分布情况、影响范围以及预应力作用下坡 体内附加应力情况进行了模拟分析。刘小丽、张占民【”瞎人提出利用杆系有限元，考虑格梁与岩 土体相互作用的方法，基于线弹性w i n l d e r 地基模型对边坡加固中的预应力锚索格梁进行计算。 从上述发展概括中可以了解至在预应力锚索格构梁复合结构的设计计算中地基模型的选取基 本上都是选用文克尔地基模型，将格构梁看作文克尔弹性地基上的梁。但是由于文克尔假设本身 的缺点是没有反映地基变形的连续性。当地基表面在某一点承受压力时，实际上不仅在该点局部 产生沉陷，而且在临近区域产生沉陷。由于没有考虑地基的连续性，故文克尔假设不能全面地反 映地基梁受荷作用的实际情况，特别对于密实厚土层地基和整体岩石地基，将会引起较大的误若 f 2 0 】。 1 2 7 试验研究 上个世纪7 0 年代中后期以来，地质力学模型试验技术被引入我国，并得到了长期的发展和，“ 泛的应用。地质力学模型试验最早出现在上个世纪6 0 年代，是工程地质问题进行缩尺研究的一种 6 第一章绪论 方法，主要用来研究各种建筑物及其地基、高边坡及地下洞室等结构在外荷载作用下的变形形态、 稳定安全度和破坏机理等。地质力学模型试验可定性或定量地反映天然岩体受力特性和与之相关 联的建筑物之间的相互影响，可与数学模型相互验证。尤其重要的是它可以比较全面真实地模拟 复杂的濒构造，发现一些新的力学现象和规律，为建立新的理论和数学模型提供依据。与数值 方法( 如有限元方法) 相比，它们比较直观，可以在一个模型中模拟较多地质构造和较复杂的建 筑物，而避开了数学和力学上的困难，将模型加载到完全破坏。目前，由于数值分析对于计算复 杂的材料、几何和接触非线性问题，边界条件复杂的三维工程地质问题等方面还不成熟，同时计 算结果也要通过试验验证，因此地质力学模型试验的发展和前景还是广阔的【2 ”。 有多所大学曾进行了预应力锚索格构梁的试验研究。西南交通大学的杨明、胡厚田阱】等人在 福建漳龙高速公路和溪段选择试验场地进行现浇钢筋混凝土锚固结构的试验研究，分析了预应力 锚索格构梁与土体相互作用的特点，根据土与结构物相互作用的原理，推导出锚索格构梁内力计 算模式，并应用拉格朗日元法对边坡锚固效应进行了数值模拟：夏雄、周德培【l 等人在京珠高速 公路上选择一个试验工点，进行了岩石边坡上预应力锚索格构梁复合结构的现场试验，提出了格 构梁的内力计算分两阶段进行：张拉阶段和工作阶段，并对该两阶段的受力特点进行了研究：刘 小丽、周德培【1 1 等人结合西部交通建设科技项目川藏公路前龙段滑坡机理与整治技术研究进 行了大型室内地质力学模型试验，根据实测预应力锚索格梁的内力大小、分布及形成，提出了预 应力锚索格梁的有限元力学计算模型，并引入极限状态设计思想；邓宏艳、周德培【”肄人针对万 梁高速公路张家坪滑坡的变形破坏机理进行了地质力学模型试验研究，归纳总结了张家坪滑坡在 不加支挡结构和加支挡结构两种情况下的开挖变形规律，并对支挡结构物的内力测试结果进行了 分析，判断坡体的稳定性和加固效果，然后对张家坪滑坡治理中所采用的预应力锚索桩和预应力 锚索框架地梁的设计计算方法进行了分析评述。最后将支挡结构物的内力理论分析结果与试验结 果比较，用以验证和完善理论分析结果。浙江大学的尚岳全畔1 等人依托金丽高速公路高边坡加固 工程项目通过现场勘测，取得锚索预应力形成和保持过程中索体、锚墩和格粱的变形、应力及边 坡位移数据，为边坡压力分散型锚固技术及边坡稳定性评价提供了科学的基础数据资料，在该工 程中得到了成功的应用，取得了很好的社会效益和直接的经济效益。此外还通过数值模拟方法， 研究了锚索张拉条件下格构梁和边坡接触应力的分布规律，提出了锚索张拉影响半径估算公式和 格构梁梁高设计建议值，对边坡锚固设计具有重要的指导意义和使用价值。深圳高速公路股份有 限公司的林国辉瞄肄人进行了现浇钢筋混凝土格构梁的室内模型试验研究，分析了斜坡坡率、梁 内平行坡面荷载、锚固力等影响因素变化时对格梁受力的影响，为格梁的设计提供了有益的参考。 朱宝龙，杨明【2 6 】等人利用现场试验方法，研究了土质边坡加固中预应力锚索框架的内力分布规律， 得出了同一等级锚固力作用下框架的内力分布规律与不同等级锚固力作用下框架的内力变化特 征，以及锚索力在框架纵横梁之间的分配特点，同时验证了锚索框架内力的w i d e r 弹性地基梁 计算模式。 1 3 存在的问题“副 目前，格构梁的计算方法较多，其中有一部分是沿用建筑地基基础中计算连续基础的刚性梁 或连续梁和一般弹性格粱的方法，但是这类方法的缺点是没有考虑格梁和地基之间的协调变形。 7 成都理工大学硕士学位论文 其中w i n l d e r 弹性地基梁法由于文克尔假设本身的缺点是没有反映地基变形的连续性，故其不能 全面地反映地基梁受荷作用的实际情况，特别对于密实厚土层地基和整体岩石地基，将会引起较 大的误差。而简支梁和连续梁法由于将基底反力看作直线分布，只有当格梁刚度较大或地基刚度 较大时计算结果才比较合理。西南交通大学的夏雄、周德培等人进行了岩石边坡上预应力锚索格 构梁复合结构的现场试验，提出了张拉阶段和工作阶段受力含义不同的观点，按弹性! 卜无限地基 梁理论和连续梁方法，分锚索张拉阶段与工作阶段来计算格梁内力。此种方法具有一定的合理性， 但工作阶段岩十体对于格构梁的抗力目前还没有确切的理论方法来计算。对于格构梁的计算，一 般根据力的平衡和变形协调条件把节点荷载进行分配，将格梁拆分为单片格梁，再根据单片格梁 的计算方法进行计算。但在格梁的计算中，则没有考虑各节点荷载之间的相互影响。由于岩士体 性质较为复杂，格梁在施工完成后的受力状态可能会随着环境的变化而变化，目前的设计计算方 法没有考虑格梁的这种工作特性。 综上所述，可以看出对格梁的设计计算，其不合理性及与真实情况的矛盾也是显然的。首先， 未考虑到格梁与地层的共同作用，造成计算结果与真实值误差较大。其次，未从格梁受力的实际 情况出发，分析在不同阶段其内力的变化情况。最后，还未考虑到锚固力变化和边坡加固对岩土 体抗剪强度指标的影响，从而使得加固工程的稳定性产生变化。 1 4 本文主要研究内容 本论文主要内容分为三个部分：模型试验、理论计算、对比分析。 ( 1 ) 模型试验 通过对模型格梁的截面应变、梁的位移及土中压力值的测试，分析得出格梁的实际变形情况 及土中压力的分布规律。通过变换加载位置来实现对不同加载情况下