（岩土工程专业论文）柱板式锚索挡土墙的试验研究与数值分析.pdf

摘要 本文以邵怀高速公路山区支挡结构为依托，采用现场试验及数值 模拟的方法，对柱板式锚索挡土墙进行了分析研究： ( 1 ) 针对上述支挡结构类型，对现场测试元件的布置和测试方法、 以及有关的室内试验，进行较为详细的设计和介绍，可为类似工程的 室内及现场试验提供有益参考。 ( 2 ) 通过在柱板式锚索挡土墙埋设土压力盒获得墙背土压力实测 值；在钢绞线锚索上粘贴应变片取得了预应力锚固段锚索的轴力分 布；通过在锚头端部安装测力计对锚索的预应力变化进行了长期跟踪 观测；通过在锚杆内焊接钢筋计，获得了锚杆的轴力分布规律。 ( 3 ) 建立了柱板式锚索挡土墙f l a c 二维模型，根据地质勘察报 告和相关试验资料，对柱板式锚索挡土墙的位移、土压力、锚固段锚 索轴力以及立柱的弯矩进行了计算分析。 ( 4 ) 将f l a c 计算结果( 柱板式锚索挡土墙土压力、锚固段锚索 轴力及立柱的水平位移) 与现场实测结果进行对比研究，结果表明： f l a g 模拟结果与实测值吻合较好。 ( 5 ) 对柱板式锚索挡土墙的适用性进行了分析，并对设计方法提 出建议。 关键词柱板式锚索挡土墙，现场试验，f l a c ，数值模拟 a b s t r a c t i nt h e s i s ，t h ec o l u m n s l a ba n c h o r e dr e t a i n i n gw a l la l o n gs h a o h u a i h i g h w a yi sa n a l y z e db yu s i n gt h em e t h o do ff i e l dt e s ta n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o n ： 1 i na l l u s i o nt or e t a i n i n gs t r u c t u r em e n t i o n e da b o v e t h ep o s i t i o no f t h ef i e l dt e s te q u i p m e n t sa n dt e s t i n gm e t h o da sw e l la ss o m er e l e v a n t l a b o r a t o r ye x p e r i m e n t sa r ed e s i g n e da n di n t r o d u c e di nd e t a i l ，w h i c hc o u l d b eag o o dr e f e r e n c ef o rs u c hl a b o r a t o r ye x p e r i m e n ta n df i e l dt e s to f s i m i l a rp r o j e c t 2 i no r d e rt oo b t a i nt h ee a r t hp r e s s u r eb e h i n dt h ew a l l ，e a r t hp r e s s u r e c e l l sa r ei n s t a l l e db e h i n dt h er e t a i n i n gs t r u c t u r e ，a n da l s ot h es t r a i ng a u g e s a r ei n s t a l l e da l o n gt h ec a b l et oo b t a i nt h et h ea x i a ll o a dd i s t r i b u t i o no f t h e c a b l e t h ea n c h o r a g er o p ed y n a m o m e t e ra r ei n s t a l l e da tt h eh e a da n c h o rt o o b t a i nt h ec h a n g eo fp r e s t r e s s i n gi nl o n gt e r m ，a n da l s ot h es t e e l s t r i n g t r a n s d u c e ra r ei n s t a l l e di nt h ea n c h o r dt oo b t a i na x i a ll o a dd i s t r i b u t i o no f t h ea n c h o r 3 at w o d i m e n s i o n a ln u m e r i c a lm o d e lo ff i n i t ed i f f e r e n c ef o r c o l u m n - s l a b r e t a i n i n g w a l lw a s e s t a b l i s h e d ，t h e e a r t h p r e s s u r e ， d i s p l a c e m e n to ft h ec o l u m n s l a br e t a i n i n gw a l l ，t h eb a n d i n gm o m e n to f c o l u m na n dt h ea x i a l1 0 a da tt h ea n c h o r i n gs e c t i o no fc a b l e sw e r e c a c u l a t e d 4 c o m p a r i n gt h er e s u l to ff m i t ed i f f e r e n c et ot h e f i e l dt e s t ，i ti s i n d i c a t e dt h a tg o o da g r e e m e n ti sf o u n db e t w e e nt h er e s u l to fc a l c u l a t i o n a n d t h e f i e l d t e s t 5 t h ea p p l i c a b i l i t yo fc o l u m nr e t a i n i n gw a l lw a sa n a l y z e da n da l s o i t st a b l eap r o p o s a lt ot h ed e s i g na p p r o a c h k e yw o r d sc o l u m n - s l a br e t a i n i n gw a l la n c h o r e dw i t hc a b l e s ，f i e l d t e s t ，f l a c ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 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 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在论文中作了明确的说 明。 作者签名：牲 白期：型丑一年上月卫日 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、缩印或其它手段保存学位论 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： 导师签名魁吼日三月马日 硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 支挡结构是岩土工程中的一个重要的组成部分，随着我国国民经济水平的提 高与基本建设的不断发展，以及支挡结构技术水平的提高和减少环境破坏、节约 用地观念的加强等，支挡结构在岩土工程中的使用越来越广泛，所占的比重也越 来越大。长期以来重力式挡土墙在支挡工程一直占有主导地位，然而，由于其截 面大、圬工数量多、施工进度缓慢，在地形困难、石料缺乏地区应用不便，其使 用上的缺点也是明显的。 因此，研究引进和推广新型、轻型支挡结构，一直是岩土工程技术人员在工 程实践中的一个重要内容。2 0 世纪五六十年代，水利、铁道、公路、建筑等部 门就开始引进推广锚杆挡土墙、桩基挡土墙等钢筋混凝士挡土结构，取得一定的 进展。成昆铁路修建时，在支挡工程方面，成昆铁线大力推广了锚杆挡土墙、桩 基挡土墙、托盘式路基墙、挖孔抗滑桩等，为支挡工程的新型化跨出了一大步。 近2 0 年来，随着我国机械、材料工业水平及岩土加固技术水平的不断提高，我 国岩土工程中支挡技术水平也获得了迅速发展，支挡结构形式也从过去单纯靠重 力维持平衡的挡士墙，发展为采用支撑、土筋复合结构以及锚固技术等多种新型、 轻型新技术的支挡结构。例如：悬臂式、扶臂式、锚杆式、加筋土式、锚定板式、 等新类型的挡土墙以及抗滑桩、桩板式墙、土钉墙、锚索桩等新型的支挡结构迅 速得到推广运用。这些新型支挡结构具有结构轻、施工快捷、便于预制和机械化 施工、节省材料和劳力、造价低等优点。 我国是一个多山国家，是世界上地质灾害多发国家之一。近年来，为带动经 济的全面发展，山区高速公路的建设项目、山区道路的拓宽工程与日俱增，支挡 结构被广泛的应用于稳定路堤、路堑、隧道洞口以及桥梁两端的路基边坡等，主 要用于承受土体侧向土压力。在这一过程中若仍然采用传统的重力式挡土墙，就 会面临很多问题，例如： ( 1 ) 重力式挡土墙截面积大，而山区高速公路护坡一般存在坡度陡，坡角 小，等特点，无法安置相对庞大的重力式挡土墙。 ( 2 ) 由于山区高速公路护坡存在的既有特点，若加宽路基采用重力式挡土 墙，则由于重力式挡土墙体积的庞大，可能引起原有地基的失稳。 ( 3 从经济及施工角度考虑，重力式挡土墙圬工数量多、施工进度缓慢， 因而在山区以及地形困难地区，其应用都存在很多不便。 硕士学位论文 第一章绪论 经过长期的工程实践研究，轻型支挡结构在山区高速公路及山区道路工程中 得到了广泛的推广。其中，柱板式挡土墙、锚杆挡土墙等几种形式的轻型支挡结 构在山区地形的工程实践中得到大量应用。然而，虽然柱板式挡土墙等轻型支挡 结构已在工程中大量应用，但其理论研究远远滞后于工程应用。 1 2 几种形式的支挡结构的研究进展 1 2 1 锚杆支护的研究及应用现状 1 2 1 1 锚杆支护机理的研究现状 从2o 世纪4 0 年代开始对锚杆的支护作用机理进行研究以来，锚杆支护机 理研究随锚杆支护实践在不断发展。研究表明：锚杆支护机理是一个复杂的问题， 可以从许多方面进行研究。从锚杆本身受力方向及与岩体非连续结构面关系的不 同，锚杆支护主要有轴向作用和横向作用。对锚杆的轴向作用而言，就是锚杆以轴 向拉力来维护土木工程稳定的作用，在锚杆设计中，轴向作用是最受重视的。而在 滑坡、路基、深基坑等应用中，一般认为锚杆还有横向作用，即指围岩发生压剪破 坏，破坏了的岩体沿最不利的破裂面滑动，穿过破裂面的锚杆起到抗剪防滑作用。 实际上，锚杆在大多数情况下是两种作用综合起作用。锚杆对围岩作用的机理， 已经有许多观点，下面分别对锚杆的作用机理的研究现状加以综述： ( 1 ) 悬吊理论：l o u i sa p a n e k 于1 9 5 2 1 9 6 2 年间提出，锚杆的作用是将直 接顶板悬吊到上部坚硬岩层上，在软弱围岩中，锚杆的作用是将直接顶板的破碎 岩石悬吊在其上部的自然平衡拱上，拱高可采用普氏的压力拱理论估算。悬吊理 论能较好地解释锚固顶板范围内有坚硬岩层时的锚杆支护。但跨度较大的软岩巷 道中，普氏拱高往往超过锚杆长度，悬吊作用难以解释锚杆支护获得成功的原因。 ( 2 ) 组合梁理论：德国j a n c o b i o 等于1 9 5 2 年提出组合梁作用理论，其实质是 通过锚杆的径向力作用将叠合梁的岩层挤紧，增大层间的摩擦力，同时锚杆的抗 剪能力也阻止层间滑动，从而将叠合梁转化为组合梁。组合梁理论能较好地解释 层状岩体锚杆的支护作用，但难以用于锚杆支护设计。在组合梁的设计中难以准 确反映软弱围岩的情况，将锚固力等同于框式支架的径向支护力是不确切的。 ( 3 ) 拱形压缩带理论：t l v r a b c e w i c z 于1 9 5 5 年提出安装锚杆后使巷道围 岩中形成连续的压缩带，锚杆的作用是使围岩中产生一定厚度的压缩带承受围岩 压力的观点。美国t a l a n g 和p e n d e r 于1 9 7 0 年代提出锚杆的拱形压缩带作用 原理，t a l a n g 通过二次元光弹性试验证实了拱形压缩带的存在。与拱形压缩 带理论相似的还有组合拱理论。拱形压缩带理论揭示了软弱围岩中锚杆的作用， 它与组合梁理论类似，拱形压缩带的承载能力难以确定，且很难和锚杆锚固强度 联系起来。 2 硕士学位论文第一章绪论 ( 4 ) 最大水平应力理论：该理论由澳大利亚学者盖尔提出，该理论认为：矿井 岩层的水平应力通常大于垂直应力，水平应力具有明显的方向性，最大水平应力 一般是最小水平应力的1 5 2 5 倍。在最大水平应力作用下，顶底板岩层易于发 生剪切破坏，出现锚动与松动而膨胀造成围岩变形，锚杆的作用即是约束其沿轴 向岩层膨胀和垂直于轴向的岩层剪切锚动。 ( 5 ) 锚杆抗剪作用理论“”：加设锚杆后，节理面的抗剪强度提高，该理论认为， 加锚节理面抗剪强度主要有以下3 方面的作用：第一。当锚固件有预应力存在时， 预应力在结构面法线方向的分量，通过增加结构面正压力，来提高结构面摩擦阻 力，预应力在结构面的切向分量，将直接提供一个抗剪力。第二，结构面有滑移时， 会产生法向扩容现象，结构面的滑动和扩容共同增加锚固件的轴向拉力。轴向拉 力在结构面的法向和切向分量，将分别以摩擦效应和直接转化为抗剪力的形式增 加结构面的抗剪强度。第三，锚固件本身以“销钉”作用，提供结构面一部分抗剪 强度。这在采用全长粘结式锚杆加固中，其加强作用不可忽视，对于端部锚固的预 应力或非预应力锚索，这部分作用不很大，可以忽略。 锚杆抗剪作用理论是根据锚杆抵抗剪切滑移破坏提出的，适用于滑坡、路基、 深基坑等工程中，但围岩破坏形式是复杂多样的，尤其是当剪切滑移破坏受到锚 杆抑制时，围岩破坏可转变到其他形式，按照剪切滑移破坏设计的锚杆支护难以 适应实际围岩变形破坏的变化。 1 2 1 2 锚杆支护的发展及应用现状 在各种建筑工程中使用锚杆支护技术距今己有9 0 多年的历史。据记载，美国 予1 9 1 2 年首先在a b e r s c h l e s i n 和f r i e d e n s 煤矿使用锚杆支护采场和巷道顶板。建 于1 8 8 0 年的阿尔及利亚切尔伐斯坝例，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 。 1 9 5 5 年印度的坦 沙坝【5 7 】，1 9 5 6 年南非的斯登布拉斯坝也同样采用预应力锚杆进行加固。1 9 5 7 年法 国b a u e r 公司1 4 首先使用土层锚杆。 6 0 年代，随着锚杆支护技术在法国、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洲各国。1 9 6 1 年英国亚格尔坝和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i ”。原 捷克斯洛伐克的l i p n o 电站厂房( 宽度为3 0 m ) ，西德的w a l d e c k 地下电站主厂房( 宽 度3 3 4 m ) 等大型地下崛室采用高预应力长锚杆和低预应力短锚杆( 张拉锚杆) 相 互结合的支护形式1 6 】【7 1 。7 0 年代，锚杆支护技术广泛应用于边坡加固工程中【8 j o 如委内瑞拉的卡拉卡斯峡谷，在峡谷i 临近的边坡上采用了预应力锚杆对不稳定的 的边坡进行了加固处理，从而使人们可以安全的在上面构筑房屋【9 l 。 硕士学位论文第一章绪论 与此同时，高速公路的出现为锚杆支护技术的进一步推广应用起到了重要的 推动作用【l ，位于英国的波特罗山坡隧道在其上部的高速公路边坡中采用了预应 力锚定板加固方式，锚杆的长度从9 m - 1 4 m 不等，取得了良好的支护效果，确保了 隧道的稳定性i l 。1 9 7 4 年，纽约世界贸易中心深开挖工程采用锚杆支护技术加固 长9 5 0 m 、厚0 9 m 的地下连续墙，取得了良好的加固效果【”l 。在瑞士、法国、意大 利、澳大利亚、英国、巴西、日本、美国等国家，岩土锚杆支护技术己广泛应用 于维护挡土墙和边坡的稳定【1 3 】。 进入8 0 年后，英国、日本和美国等国家开发了一种新型锚杆支护技术一单孔 复合锚固【l ”，改善了锚杆的传力机制，大大提高了锚杆的承载能力和耐久性。如 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1 5 2 m m 的钢绞线组 成的预应力锚杆，其最大承载能力达到1 6 5 0 0 k n | 1 5 】。在此期间，奥地利、英国、 美国、日本和中国相继制定了地层锚杆的技术规范【l6 】。 9 0 年代，锚杆的理论研究、技术创新和工程应用得到进一步的发展【1 7 1 。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的展开等。英国、澳大利噩、 加拿大等国的学者和工程师们提出了“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f 1 8 】，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。在技术创新和技术应用方 面，从1 9 9 3 年到1 9 9 9 年，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 k m 【l ，澳大利亚对n e p e a n 重力坝和b u r r i n j u c k 重力坝相继采用了 高承载力( 1 6 5 0 0 k n 和1 6 2 5 0 k n ) 的预应力锚杆加固1 2 0 i 。在此期间日本和瑞典开发的 带端头膨胀体的土层锚杆也得到了实际应用。这种锚杆的膨胀体直径可以达到 o 8 m ，它改变了摩擦作用的传力机制，从而大大缩短了固定段的长度，具有多方 面的优点。在沙性土的抗浮工程中，应用了底端扩成圆锥体的锚杆，它借助于旋 转叶片，底端可以形成直径为0 6 m 的锥体，当固定段长度为6 - 1 2 m 时，锚杆的极 限承载力可以达到9 6 0 1 4 0 0 k n ，可比直径为1 2 c m 的圆柱型固定段的锚杆承载力提 高2 3 倍【2 “。在香港机场的建设中，采用了单孔复合锚固技术，创造了单根土层 锚杆承载力的新记录。位于砂和完全风化崩解的花岗岩层中的单孔复合型锚固预 应力锚杆，有7 个单元杆组成，单元锚杆的固定长度达3 0 m ，在3 0 0 0 k n 的载荷下未 见异常变化口2 1 。 我国的岩土锚杆支护工程起源于地下工程。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 4 顾士学位论文 第一章绪论 喷射混凝土支护得到广泛应用。在6 0 7 0 年代，普通砂浆锚杆与喷射混凝土支护 开始在矿山巷道、铁路隧道和边坡整治等工程中大量应用【2 3 】。而进入8 0 年代， 我国岩土锚固的应用进入了旺盛时期，锚杆支护技术广泛应用于矿山坑道、人工 边坡、坝基加固、滑坡与危岩整治、基坑开挖支挡、结构抗倾与抗浮、桥梁建筑 等领域，标志着我国岩土锚杆支护设计、材料、施工水平进入了一个新阶段。 1 2 2 预应力锚索的发展及应用现状 1 2 2 1 预应力锚索的发展历史 岩土工程预应力锚索发展的历史，大致经过以下几个过程。 ( 1 ) 第一代有黏结无保护预应力锚索：这一类型锚索体系由内锚固段、自 由段和外锚固段组成，至今仍在中国绝大多数交通、水利水电等工程中应用。自 由段的钢绞线用油脂保护，由于其防锈可靠性较差，几乎所有的工程最后都通过 灌浆将自由段封死，因而此类锚索最终变为有黏结无保护型。这类锚索体系存在 着以下缺陷：1 ) 由于锚索和内锚固段全部在裸露状态下被回填砂浆充填包裹，一 旦回填砂浆体开裂，则在水的浸蚀下锚索极易锈蚀。2 ) 由于自由段用砂浆灌满。 锚索无法随岩体变形，失去了自由调整的能力，降低了对边坡加固的效果。3 ) 此类 锚索因需要形成1 个预张拉的内锚头，故难以在向上打的钻孔中布置内锚头。同 时，由于内锚头是在无压状态下形成的，故难以保证其注浆的密实性。根据调查， 约有1 0 的锚索内锚头存在或多或少的注浆不密实的质量问题。 ( 2 ) 第二代无黏结双层保护锚索：第二代锚索采用充防锈油脂的聚氯乙稀 套管保护钢绞线，内锚固段和自由段一次灌浆；同时内锚固段还用波纹套管保护， 以达到全程防水效果。中国在小浪底水电工程第一次大量使用这种形式的锚索。 此类锚索弥补了第一代锚索的缺点：1 ) 钢绞线在套管内可自由移动，使整个锚索 体系随着岩体变形，达到内力调整的目的；2 ) 打上仰孔和保证注浆密实的问题也 相应获得解决。近年来，中国水利水电系统逐渐使用了经保护的钢绞线( 如小湾、 紫坪铺等工程) ，但是由于中国尚无内锚固段波纹套管的技术标准和经技术论证 的生产厂家，所以绝大多数的自由锚只能任内锚头裸露、直接与砂浆接触，而真正 按国际标准生产的无黏结双层保护锚索大概仅在小浪底工程中应用过。 ( 3 ) 压缩型、分散型无黏结新型锚索：研究表明，锚索的内锚头在受拉时将 在某一段内产生应力集中，同时内锚头在拔出时产生的剪胀会导致内锚索砂浆固 结段开裂。若采用压缩型、分散型的内锚头，则可以改善内锚头的应力状态、提 高内锚头的可靠性，从而为减少内锚头的长度创造条件。 1 2 2 2 预应力锚索的应用现状【s 9 j 预应力锚索技术用于岩土工程在国外已有很长的历史， 9 3 3 年阿尔及利亚 硕士学位论文第一章绪论 首次将锚索用于水电工程的坝体加固。2 0 世纪4 0 年代至7 0 年代，锚索技术得 表1 一l 国内采用顸应力锚索的工程应用实例 序号工程名称 加固对象 支护部位吨位( 吨孔) l 梅山水库基岩右岸坝基2 4 0 或3 2 4 2 麻石大坝绿石白云母石英岩坝基 2 2 0 3 镜泊湖3 1 0 工程闪长岩岩塞上部岩体边坡 9 5 4 丰满电厂2 5 0 工程变质砾岩集渣坑边墙 5 0 5 碧口电站绢云母石英千拨岩泄洪隧道3 0 或2 2 0 6碧口电站 左岸进水口边坡 3 0 或2 2 0 7 双牌溢流坝工程砂岩与板岩互层坝基 1 5 0 或g o 8 自山电站尾水管混合岩1 - 2 号、2 - 3 号岩墙 6 0 9 吉林市人防8 0 1i 程花岗岩岩柱6 0 1 0 白山电站大坝混凝土1 5 号坝段 3 0 或6 0 l l 自山电站地下厂房混合岩下游高边墙 6 0 1 2 自山电站大坝混凝土 1 7 号、1 9 号段 3 0 或6 0 1 3 丰满电站混凝土墙与基岩西导流壁 4 0 - 6 0 1 4 丰满电站混凝土与基岩坝基 2 0 0 1 53 3 0 工程混凝土 大型弧门支敦 3 4 5 1 6 南河水电站混凝土闸墩 6 0 1 7 黄河小浪底泥质钙质粉砂岩坝基断层3 0 或6 0 1 8洪门水库 混凝士与细砂岩溢流堰体 2 4 4 1 9 三峡水利枢纽岩石边坡 3 0 0 2 0 李家峡水电站岩石边坡 3 0 0 2 l李家峡水电站 混凝土与基岩重力坝 l o o o 2 2 二滩水电站岩石地下j 一房 1 7 5 2 3石泉水电站混凝土与基岩重力坝6 0 0 一8 0 0 到迅速推广，加固理论和设计方法逐步完善。我国从2 0 世纪6 0 年代开始引进这 项技术，2 0 世纪7 0 年代开始，该项技术在我国的国防、水电、矿山、铁路等领 域逐步推广。2 0 世纪8 0 年代以来预应力锚索更是广泛应用于岩土工程中。进入 2 0 世纪9 0 年代后，一方面因为预应力锚索理论研究的不断深入，另一方面国内 预应力锚索所需的高强度低松弛钢绞线材料及施工机械的发展及价格的降低，大 大促进了预应力锚索技术的运用。1 9 9 2 年福建梅剑铁路采用1 3 7 根预应力锚索 加固处于临界平衡状态的开裂边坡，1 9 9 3 年外福线绿水车站西溪右岸采用预应 6 硕j ：学位论文 第一章绪论 力锚索整治滑坡，均取得了成功。近l o 年来，由于预应力锚索具有施工机动灵 活、消耗材料少、施工快、造价低等特点，锚索加固技术得到较大发展，并迅速 在全国山区铁路、公路路基支挡工程中推广应用。表l - i 为国内采用预应力锚索 工程的应用实例【2 5 】。 1 2 2 3 锚索预应力变化规律的研究现状 预应力锚索加固围岩技术，关键在于其预应力的大小及损失程度，只有保持 足够的恒久预应力，才能有最佳的锚固效果。然而，锚索锁定时会产生锁定损失， 锚索锁定后由于岩体的蠕变、钢材的松弛、温度及地下水的变化等因素的影响， 锚索的预应力也会发生变化。因此，锚索预应力的变化一直是岩土工程届关注的 焦点犯6 1 。 由于锚索预应力变化规律研究需要监测时间长、费用高，国内外的监测资料 有限。b r a h i m b e n m o k r a n e 等【27 】通过对9 束岩体中的预应力锚索5 年的监测，根 据监测结果提出锚索预应力损失分为两个阶段。高大水、曾勇【2 0 l 对三峡永久船闸 高边坡的1 0 3 束锚索进行了长达3 年的监测，总结了预应力损失一般在3 一1 5 ， 提出预应力损失分为急剧损失期、一般损失期和缓慢损失期等三个阶段。张保军 【2 8 】等人对隔河岩电站边坡同时采用预应力锚索测力计及深部位移监测仪器对边 坡加固及整治效果进行动态监控，并对预应力损失的影响因素进行了分析。时南 翔【2 9 】在贵阳一毕节公路k 1 5 4 + 2 8 旷- 5 7 0 滑坡治理工程中，对1 1 孔锚索的预应力 损失进行了2 0 - 1 0 0 天的监测，结果表明，约有9 0 达到设计张拉值的要求。黄 福德【3 0 】在李家峡水电站层状岩体坝肩及坝下两岸高边坡加固治理工程中对锚 索的预应力损失进行了监测，通过比较，发现采用单向加密加载法与两次循环加 载法，锁定损失可降至9 1 ，比常规加载平均损失率1 3 5 一1 7 5 可减少4 4 ( 1 0 0 0 k n 锚索) 和3 3 ( 3 0 0 0 k n 锚索) 。杨体中、田应富【3 l l 对洪家渡水电站左坝 肩边坡锚索预应力监测，总结了预应力损失值为4 4 一1 1 。陈安敏等【3 2 】通过模 型试验，讨论了软岩加固中锚索张拉吨位随时间的变化特征。文献【3 ”5 l 研究了岩 体边坡开挖爆破对预应力锚索锚固性能影响。文献【3 7 】分析了锚索预应力损失 的影响因素，提出了锚索预应力的补偿措施。 锚索预应力损失方面的理论研究也较少，丁多文等【3 s 】采用广义开尔文体，对 单根锚索在预应力的作用下产生的蠕变进行了分析，分别推导了自由段和锚固段 着重研究岩体随时间的变形产生的预应力损失。张发明等【3 9 l 未考虑锚索与围岩的 耦合作用，分别单独考虑钢绞线松弛、岩体蠕变及温度变化引起的预应力变化， 提出锚索预应力的预测模型。陈安敏等【6 l 】根据模型试验研究结果，k - h 串联粘弹 性模型来描述其蠕变性质，给出了模拟软岩材料的蠕变方程，探讨了锚索张拉吨 位随时间的变化特征，分析了张拉吨位损失后的稳定值与初始张力之间的关系。 7 硕 学位论文第一章绪论 在此基础上，提出了锚索预应力随时间损失的计算公式。 然而，柱板式锚索挡土墙这种轻型支挡结构的预应力损失研究很少，特别是 这种结构在层状软岩地层中的预应力变化规律更是未见报道。 1 2 3 柱板式锚索挡土墙的研究现状 柱板式挡墙一般由立柱、挡板、立柱支座、锚索( 锚杆) 等部件构成( 如图 卜1 所示) 。这种构件具有结构轻便，构件可以事先预制( 也可以就地灌注) ，工 地拼装施工速度快等优点。与l 型及扶臂式等承重结构及普通圬工挡土墙相比， 图1 1 柱板式锚索挡土墙示意图 可以减少大量基础开挖工程，可节省建筑材料，降低工程造价，保证施工安全。 针对实际情况柱板式挡墙可用锚杆或锚索对其进行加固，国内的文献中对锚 杆加固的情况所作研究较多，而对锚索加固的情况研究却比较少，如应志民m l 对 锚杆挡土墙力学作用的机理做了研究，赵蕴琳等【4 1 1 对锚杆挡土墙的设计方案进 行了探讨，孙斌等【4 2 1 对既有线锚杆挡土墙的施工技术做了介绍。但锚杆以及锚 索在运用中加固的机理却有所不同，其主要区别如下： ( 1 ) 锚杆是一种硬性支护方式，锚索则是一种柔性支护方式。锚索允许被 加固体有较大的变形和位移，而锚杆则通常在被加固体发生较大变形和位移的情 况下发生破坏。 ( 2 ) 锚杆的加固深度一般在数米到十余米，而锚索的加固深度一般在数十 米至百余米。 ( 3 ) 锚杆所能提供的加固力较小，通常为数十吨，而锚索则能提供数百吨 的加固力。 以上区别决定了柱板式挡墙在采用锚杆或锚索两种形式对其进行加固的情 况下，所产生的变形以及墙体上土压力的分布规律会有所不同。随着山区高速公 路、山区道路建设项弱的增多，柱板式锚索挡土墙这一形式的支挡结构将得到较 8 硕士学位论文 第一章绪论 为广泛的应用。因而，对其进行研究则是非常有必要的。 1 3 支挡结构土压力的研究进展 在对支挡结构进行计算时，首先要确定作用在支挡结构上的荷载，一般说来， 这些荷载是通过土体以及土压力的形式作用在支挡结构上的，所以确定支挡结构 上的土压力是结构设计的一项重要内容和前提条件。由于支挡结构型式的多样性 以及支挡结构与土体的相互作用都会导致土压力分布的差别，所以很难用一个统 一的计算模型对各种支挡结构进行安全可靠的设计。以下是各国学者对土压力研 究的进展状况。 1 3 1 国外土压力研究现状 支挡结构土压力理论的研究是一个古典的课题，首先是库仑于1 7 7 6 提出的 经典土压力理论。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。与库仑土压力不同，朗肯土压力是从研究弹 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求得士体压力。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，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；库仑土压力只适应于砂性土。因此，国内外众多学者曾先后 对此问题进行了大量的研究，对土压力理论作出了合理的修正或提出新的概念和 新的计算理论。如1 8 7 1 年c u l m a n n 的图解法；1 9 2 7 年f e l l e n i u s 提出的条分法， 后经m o r g e n s t e m 和p r i c e 等许多学者进行了一系列改进； 1 9 3 5 年，o h d e 提出 了对数螺旋线组合面法。上述理论都是将挡土墙作为一个平面问题来研究。 5 0 年代，开始了挡土墙空间问题的研究。1 9 5 2 年，波布里可夫首次提出了 墙面绝对光滑的有限长度挡土墙上无粘性土的土压力计算。1 9 5 5 年，b i s h o p 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 0 年，k a r a h 根据t e n a g h i 发现的土压力非线性的 性质并提出了水平层分析法。1 9 6 5 年，由n e w m a r k 提出了著名的块体滑移理论 ( s l i 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。k o s e k i ，l e s h c h i n s k y 和l i n g 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。但迄今为止，朗肯或库仑土压力理论因计算简单和设计偏 于保守仍被岩土工程界广泛采用。 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。1 9 9 4 年，s s u b h a s hb a b u 等人1 4 3 1 利用有限元对承受外部载荷下挡土墙与土体的相互 9 硕士学位论文第一章绪论 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 】根据l a d e 1 ) u n d a n 破裂准则币4 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方法。 1 9 9 7 年，d a n u t al e s n i e w s k a l l 4 5 】等人利用塑性硬化模型采用离心加速的方法 对加筋土挡土墙的承载能力进行了等比试验和数值模拟，结果表明两者在挡土墙 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 4 6 l 等人，分别 采用离散元和有限元法对挡土墙墙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 4 7 】 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 gs u n 和x i h o n gz h a o 以及k w a n gw e i 提出了等效应力( e q u i v a l e n ts t r e s s ) 概念【4 8 】( 与传统的有效应力 不i 可) 。 1 3 2 我国土压力研究现状 我国许多学者在这方面也做了大量的工作。沈珠江【4 9 】、卢肇钧【5 0 1 、蒋药秋、 顾慰慈巧1 l 等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。其中沈珠江教授在6 0 年代提出的散体极限平衡理论、蒋纯秋教授提出的挡 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，为我国在这一领域的研究应用提供了理论基础。 进入9 0 年代，于顺得、谢能刚”l 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【5 3 】等人利用计算机模拟技 术对加筋土挡土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性校核。鲍鹏、赵军【5 4 l 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。 综上所述，在支挡结构的设计计算中确定土压力的大小及分布是一项必不可 少的工作，也是一个全球性的岩土工程难题。由于影响土压力大小发布的因素很 多，因此无法期望对所有地区、各种挡土结构采用同一种计算方法，而应该针对 不同的支护形式，结合本地区的工程实践和实测分析，在理论研究的基础上运用 适当的土压力计算方法。 1 0 硕士学位论文 第一章绪论 1 4 本文的研究方法和内容 1 4 1 本文研究方法 ( 1 )现场试验研究 本文以邵怀高速公路山区支挡结构为依托，研究了柱板式锚索挡土墙墙背土 压力的分布规律、锚索的预应力损失规律及锚固段锚索轴力分布特征，研究了柱 板式锚索挡土墙锚杆的轴力分布规律。现场试验通过在柱板式锚索挡土墙埋设土 压力盒获得墙背土压力实测值，通过在钢绞线锚索上粘贴应变片取得了预应力锚 固段锚索的轴力分布，通过在锚头端部安装测力计对锚索的预应力变化进行了长 期跟踪观测，通过在锚杆内焊接钢筋计，获得了锚杆的轴力分布规律。为理论研 究和数值分析提供大量可靠的实测数据。 ( 2 )数值分析 以大型计算机软件f l a c 为平台，根据地质勘察报告和相关试验资料，建立 了平面模型，对支挡结构( 柱板式锚索挡土墙) 的位移、土压力分布、锚固段锚 索轴力以及立柱的弯矩进行计算分析。 1 4 2 本文研究内容 山区轻型支挡结构形式多样，变化丰富，本文难以全部涉及。拟在分析、介 绍目前支挡结构的基础上，结合本人所参与的项目，对柱板式锚索挡土墙作较深 入的探讨，其主要内容和工作如下： ( 1 ) 针对柱板式锚索挡土墙这一支挡结构类型，对现场测试元件的布置和 测试方法、以及有关的室内试验，进行较为详细的设计和介绍。 ( 2 ) 根据现场测试结果研究了柱板式锚索挡土墙墙背土压力的分布规律、 锚索的预应力变化规律及锚固段锚索轴力分布特征，研究了柱板式锚杆挡土墙锚 杆的轴力分布规律。 ( 3 ) 以大型计算机软件f l a c 为平台，根据地质勘察报告和相关试验资料， 建立平面模型，分析了柱板式锚索挡土墙墙背土压力分布规律，立柱弯矩的变化 规律，墙背锚索的轴力分布特征，柱板式锚索挡土墙墙体、填土的水平及竖向位 移的变化规律。 ( 4 ) 对实测结果以及f l a c 计算结果进行对比，并对差异进行分析研究。 ( 5 ) 对柱板式锚索挡土墙的适用性进行了分析，并对设计方法提出建议。 硕 j 学位论文第二章室内及现场试验 第二章室内及现场试验 2 1 概述 近年来，随着我国经济建设的飞速发展，山区高速公路的建设项目、山区 道路的拓宽工程与日俱增，在这一过程中柱板式锚索挡土墙、柱板式锚杆挡土墙 等新型、轻型支挡结构得到大量应用。然而，由于柱、挡土板、锚索、锚杆等组 合而成的轻型支挡结构相互作用的机理相当复杂，使得其理论研究远远滞后于工 程实践。因而，为了明确支挡结构墙背土压力的大小和分布以及锚杆、锚索的受 力状况等，对其进行室内试验和现场测试则是非常有必要的。 本章根据山区轻型支挡结构( 柱板式锚索挡土墙) 的特点，系统的介绍了 其室内试验的过程、现场测试元件的埋设、测试的方法以及测试过程中应该注意 的问题。 2 2 室内试验 表2 - 1 为本次室内试验所用的仪器及设备。 表2 - 1 试验仪器、设备列表 编号名称数量编号名称数量 l 钻石机 1 台7焊枪2 把 2 锯石机1 台 8 万用表1 台 3 磨石机 l 台9兆欧表1 台 4 压力试验机 1 台1 0 千分表8 只 5 测量平台1 台 1 1 镊子2 把 6 电阻应变仪 1 台1 2铁碗2 只 2 2 1 单轴压缩变形试验 为了获得岩石的单轴抗压强度、各级应力、弹性模量、泊松比以及割线弹性 模量及相应的泊松比，采用千分表法对其进行了单轴压缩变形试验。试验按照工 程岩体试验方法标准 5 5 1 ( g b t5 0 2 6 6 9 9 ) 及岩土工程试验监测手册酬执 行。 2 2 1 1 实验过程及步骤 ( 1 ) 实验过程 岩石单轴压缩变形试验，是测定试件在单轴条件下的纵向和横向应变值，据 此计算岩石弹性模量和泊松比。 试件形态和含水状态，与抗压强度试件相同。变形量测，本试验采用千分表 1 2 硕士学位论文 第二章室内及现场试验 法，同一状态下每组试件数量不应少于3 个。 加载方法采用逐级多次循环法加载，每次循环退载至0 2 0 5 k n 的接触荷 载：最大循环荷载为极限预估荷载的4 0 ，宜等分5 级施加，至最大循环荷载； 加载采用时间控制，施加一级荷载后立即读数，即可施加下一级荷载。 ( 2 ) 实验步骤 将试样及千分表安装测量仪支架上( 如图2 - 1 ) 。 试验时将试件及支架( 包括上下垫块) 置于压力试验机上对准中心( 如图 2 2 ) 。 对试件施加少量荷载，不断调整承压板位置，使之均匀受载。 试验以每秒0 5 1 - o m p a 的加载速度对试件施加荷载直至破坏，测值不宜 少于l o 组。 图2 - 1 将试样及千分表安装于测量仪支架上 图2 2 将试件及支架置于压力试验机上 图2 - 3 将试件置于压力试验机承压板中m 图2 - 4对试件进行加载 2 2 1 2 试验成果整理 硕士学位论文 第二章室内及现场试验 ( 1 )各级应力 p a 盯各级应力( m p a ) ； p 一与所测各组应变值相应的荷载( n ) ； 试件截面积( r a m 2 ) ： ( 2 )弹性模量、泊松比以及割线弹性模量及相应的泊松比 e 。：! 垒 一气 以= 盟 一气 e = o r f o 气 = 鱼 氏 ( 2 2 ) ( 2 _ 一3 ) ( 州) 注：e 。、从弹性模量、泊松比； e 。、，割线弹性模量及相应的泊松比； 吒应力与纵向应变关系曲线上直线段开始点的应力值( m p a ) ； 吒应力与纵向应变关系曲线直线终点的应力值( m p a ) ； 气应力与吒时的纵向应变值； 应力与c r b 时的纵向应变值； 气应力与吒时的横向应变值； 应力与c r b 时的横向应交值； d k 抗压强度5 0 时的应力值( m p a ) ； 占。应力与时的纵向应变值； 应力与。时的横向应变值； 2 2 2 土压力盒的选型与标定 2 2 2 1本研究中所用土压力盒的选择 土压力盒的选择，主要是指土压力盒传感器型式和量程的选择。根据工程 经验，量测静态土压力时，般多用钢弦式土压力盒。由于本工点需对墙背土 压力作一长期的监测，故采用长沙市金码公司生产的g y h 一2 型钢弦式土压力盒， 并配用本厂生产的配套频率测定仪对墙背土压力进行定期测试。 4 硕士学位论文 第二章室内及现场试验 钢弦式土压力盒的工作原理是土压力作用于压力盒感应膜，膜片变形使弹 性