（固体力学专业论文）土层锚杆受力机理分析及应用研究.pdf

论文题目：土层锚杆受力机理分析及应用研究 专业：固体力学 硕士生：李锋科( 签名 指导教v s - 郭志勇( 签名 摘要 锚杆支护是岩体结构加固的一种常用方法，广泛应用于隧道支护、路基加固和边坡 稳定等岩土工程中。锚杆支护在地下工程施工中的采用使岩体支护加固的观点发生了根 本性改变，从被动支护发展到主动和共同支护上来。锚杆却能够把被节理裂隙切割的岩 块串在一起，增加了岩体的完整性，这对于提高岩体强度、发挥岩体介质本身的自承能 力起到了事半功倍的效果。经过几十年的发展和经验积累，使锚杆支护成为一种有效的 岩土工程加固手段。本文以陕西省祚水县大西沟矿场的山体边坡支护为背景，对锚杆的 受力机理进行了研究，在地质勘察的基础上，通过计算分析，试验检测以及运用计算软 件f l a c 进行数值模拟，对其中的三种支护形式锚索支护、土钉支护和锚杆支护进行了 分析比较，重点研究锚杆支护在工程中的应用。在支护后对边坡进行了现场检测，发现 没有出现破坏迹象。卸载后，残余变形微小，p s 曲线没有出现拐点。计算成果表明，变 形及抗拔力满足设计要求。同时进行了数值模拟，发现在支护后边坡的位移比支护前变 小，坡体的应力值也增大，支护有效的控制了坡体的变形。各杆件的轴力在支护过程中 变化也趋于合理，与设计计算基本吻合，与现场测试的变形曲线基本一致。说明锚杆在 边坡支护工程中有很广泛的应用前景。 关键词：边坡支护；锚杆；数值模拟；载荷试验 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：a n a l y z eo f t h es t r e s sm e c h a n i s mo fs o i ll a y e rr o c k b o l ta n d r e s e a r c hf o ra p p l i c a t i o n s p e c i a l t y ：s o l i dm e c h a n i c s n a m e ：l i f e n g k e( s i g n a t u r e ) 幺躐丝 i n s t r u c t o r ：g u oz h i y o n g ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t r o c k b o l t 勰ac a 3 m m o nu s e dm e t h o di ns t r e l l g i l l c n i i l gr o c k - s o i li su s e d 晰d e l yi nt u n n e l s u p p o r t , r o a d b e dr e i n f o r c ea n ds l o p es t a b i l i t y t h ep o i mo fv i e wt or o c k b o l th a sc h a n g e d u l t i m a t e l y p a s s i v i t ys u p p o r tt oi n i t i a t i v es u p p o r t r o c k b o l tc a l lm a k et h er o c k sd i v i d e d b yt h ec r a n n yt ob eaw h o l e i td o e sg r e a te f f e c tt oi m p r o v et h eb e a rc a p a c i t yo fr o c k r o c k b o rh a sb e e na ne f f e c t i v ew a yt os t r e n g t hg e o t e c l m i c he n g i n e e r i n gd u r i n gp a s td o z e n so f y e a r s t h i sp a p e rs t u d i e st h em e c h a n i s mo fr o c k b o ro nt h eb a s i so fd ax ig o um i n ei n z h a s h u is h a a n x ip r o v i n c e o nt h eb a s i so fg e o l o g i c a le x p l o r a t i o n , t h r e ek i n d so fs u p p o r t f o r m sh a v eb e e nc o m p a r e dt h r o u g hc a l c u l a t i o na n a l y s i s t h ep ；l p e rs t u d i e st h er o c k b o l tw h i c h u s e dc o m m o n l yi ne n g i n e e r i n g n od e s t r o ye v i d e n c eh a sb e e nf o u n da f t e rt h ei n - s i t ui n s p e c t 1 1 峙s u r v i v a ld e f o r m a t i o ni ss m a l la f t e ru n l o a da n dt h ep sc u r v ed o e sn o ta p p e a ri n f l e x i o n n 圮c a l c u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ed e f o r m a t i o na n dr e s i s tl i f tf o r c es a t i s f yt h ed e s i g n n e e d n u m e r i c a ls i m u l a t i o nh a sb e e nd o n ea n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed i s p l a c e m e n ti s s m a l l e rt h a nt h a to fb e f o r es u p p o r t t h es 吮s si n c r e a s e si nt h es l o p eb o d y t h es u p p o r t c o n t r o l st h es l o p ed e f o r m a t i o ne f f e c t i v e l y t h ea x i sf o r c ei nr o c k b o l ti sr e a s o n a b l ea n dt a l l y w i t hc a l c u l a t i o nd e s i g na n di n - s i t ui n s p e c td e f o r m a t i o nc u r v e i tm e a n st h a tr o c k b o rs u p p o r t h a sw i d e l ya p p l i c a t i o nf o r e g r o u n di ns l o p es u p p o r te n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：s l o p es u p p o r t r o c k b o rn u m e r i c a ls i m u l a t i o n l o a dt e s t t h e s i s：r e s e a r c hf o ra p p l i c a t i o n 要拜技丈孥 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所 傲的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名：奄彰争柳日期：矽刃争三d 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学 保密论文待解密后适用本声明 学位论文作者签名：鸯净种 ：翻蚴 口p 1 年牛月矽日 l 绪论 1 绪论 1 1 引言 我国是世界上自然灾害最为严重的国家之一，而且具有灾害种类多、频率高、强度 大、影响广以及次生灾害多的特点。这些灾害每年都给国家造成巨大的经济损失，同时 也对人民生命财产安全造成了巨大的威胁。其中，全球性三大地质灾害之一的边坡问题 ( 与地震和火山并列) 在我国也极为突出，如我国的西南、西北等多山地区就多次出现滑 坡事故，很多在暴雨作用下形成了泥石流，给当地人民的生活造成了极大的影响。 边坡问题的重要性，很久以前就被人们投入了很大的关注，并进行了许多研究。近 几十年来，锚杆支护技术在边坡问题中被广泛采用，并取得了显著的效果。 1 2 岩体锚杆支护的国内外现状 1 2 1 岩土工程锚杆支护历史 锚杆支护法是1 9 1 0 年美国开始使用的，1 9 4 0 年后半期在煤矿井下支护方面得到了 广泛推广。1 9 5 0 年以后，欧洲各国也广泛地推广使用。日本是1 9 5 0 年引进的，由于地 质条件比较复杂和缺乏这方面的知识及经验而没有推广，最近，由于经济上的考虑，井 下作业人员不足及年龄不断增大，井下作业要求省力等原因，锚杆支护的研究和使用又 引起了重视。 据记刻m 一2 1 ，美国于1 9 1 1 年首先采用岩石锚杆支护矿山巷道，1 9 8 1 年西利西安矿 山开采使用锚索支护，1 9 3 4 年阿尔及利亚的舍尔法坝加高工程使用预应力锚杆，1 9 5 7 年法国b a u e r 公司在深基坑中使用土层锚杆。九十年代初期国外各类岩石锚杆已达6 0 0 余种，每年使用的锚杆量达2 5 亿根。日本士锚的用量比三年前增加了5 倍。德国、奥 地利的地下开挖工程，己把锚杆作为施工中的重要手段，无论硬土层或软土层，几乎没 有不使用锚杆的。我国岩石锚杆起始于5 0 年代后期，当时有京西矿务局安滩煤矿、河 北龙烟铁矿、湖南湘潭锰矿等单位使用楔缝式锚杆支护矿山巷道。6 0 年代，我国开始在 矿山巷道、铁路隧道及边坡整治工程中大量应用普通砂浆锚杆与喷射混凝土支护。1 9 6 4 年，梅山水库的坝基加固采用了预应力锚索。7 0 年代，北京国际信托大厦等基坑工程采 用土层锚杆维护。我国岩土锚固工程的发展尤为迅速，几乎己触及土木建筑领域的各个 角落，如矿山井巷、铁路隧洞和地下洞室支护。岩土边坡加固，坝基稳定，深基坑支挡， 结构抗浮与抗倾，悬索建筑的地下受拉结构等等，无不与锚固技术结下了不解之缘。从 1 9 9 3 年到1 9 9 9 年，据初步统计，我国在深基坑和边坡工程中的预应力锚杆用量，每年 西安科技大学硕士学住论文 约为2 0 0 0 k m - 3 5 0 0 k m 。 1 2 2 支护结构类型 支护结构的作用在于保持洞室断面的使用净空，防止岩质的进一步恶化，承受可能 出现的各种荷载，保证支护的安全。有些支护还要求向围岩提供足够的抗力、维持围岩 的稳定。现代支护一般都具有这一作用。按支护的作用机理，目前采用的支护大致可归 纳为如下三类。 ( 1 ) 刚性支护结构。这类支护结构通常具有足够大的刚性和断面尺寸，一般用来承 受强大的松动地压。这类支护通常采用现浇混凝土，有的采用石砌块或混凝土砌块。从 构造上看，它有贴壁式结构和离壁式结构。贴壁式结构保持围岩和衬砌紧密接触，中间 有回填层，但其防水和防潮的效果较差。离壁式结构围岩没有直接接触的保护和承载结 构，一般容易出现事故。 ( 2 ) 柔性支护结构。柔性支护结构是根据现代支护原理而提出来的，它既能及时地 进行支护，限制围岩过大地变形而出现松动，又能允许围岩出现一定地变形，所以它是 适应现代支护原理的支护型式。锚喷支护是一种主要的柔性支护类型，其他如预制的薄 型混凝土支护，硬塑性材料支护及钢支撑等亦属于柔性支护。 国内广泛应用的锚喷支护类型有如下6 种：锚杆支护；喷射混凝土支护；锚杆喷射 混凝土支护；钢筋网喷射混凝土支护；锚杆钢架喷射混凝土支护；锚杆钢筋网喷射混凝 土支护 ( 3 ) 复合式支护结构。复合式支护结构是柔性支护与刚性支护的组合。通常初期支 护是柔性支护，一般采用锚喷支护，最终是刚性支护，一般采用现浇混凝土支护或高强 钢架。复合式支护是一种新兴的支护结构形式，主要用于软弱地层，尤其适用于塑性流 变地层。近年来，复合式支护结构常用于一些重要工程或者内部装饰工程，以提高支护 结构的安全度或改善其美化程度。 1 2 3 岩体锚杆支护系统研究的发展现状及存在的问题 n ) 岩土工程支护方法。 关于锚喷支护的力学作用，当前流行这两种分析方法：一种是从结构观点出发，如 把喷层与部分围岩组合在一起，视作组合梁或承载拱，或把锚杆看作是固定在围岩中的 悬吊杆等；另一种是从围岩与支护的共同作用观点出发，它不仅是把支护看作是承受来 自围岩的压力并反过来也给围岩以压力，由此改善围岩的受力状态( r p 所谓支承作用) ： 同时施作锚喷支护后，还可提高围岩的强度指标，从而提高围岩的承载能力( 即所谓加 固作用) 。这两种作用都能起到稳定围岩的作用。一般情况下，传统支护没有这两种作 用，只是一种被动地承受松动荷载的支撑结构。传统支护方法和现代支护原理比较如下。 2 1 绪论 传统的支护方法传统的支护结构总是在开挖后先作支撑，使开挖工作面推进到 相当远后，即经过一段相当长的时间后，才能逐步拆除支撑进行衬砌。支撑只能在少数 点上与围岩接触，衬砌与围岩之间如不经过回填灌浆，也不是密接的。实际上这等于允 许围岩有较长时间的松动变形，使松弛带发展得很宽。结果衬砌只能是被动地承受围岩 松动而形成极大围压，所以，其厚度必须足够大，开挖断面也大大超过有效断面，既拖 延工期又增加了工程造价嗍。 现代支护原理开挖断面一经形成，便及时迅速支护，随挖随喷。根据需要在喷 射混凝土的同时，还可配置钢筋网和钢拱架，这样很快就能形成和围岩紧密衔接的连续 支护结构，同时，还能将围岩中的空隙填实，使之同支护结构一起构成支承围岩荷载的 承载结构，“主动”地制止围岩变形的发展，使围岩能自承。 随着岩石力学的发展和锚喷支护的应用，逐渐形成了以岩石力学理论为基础的支护 与围岩共同作用的现代支护原理，应用这一原理就能充分发挥围岩的自承力，从而获得 极大的经济效果。当前国际上广泛流行的新奥地利隧道设计旌工方法，就是基于现代支 护结构原理基础之上的。归纳起来，现代支护结构原理包含的主要内容有以下几方面： 第一：现代支护结构原理是建立在围岩与支护共同作用的基础上，即把围岩与支护 看成由两种材料组成的复合体。按一般结构观点，亦即把围岩通过岩石支承环作用使之 成为结构的一部分。显然，这完全不同于传统支护结构的观点，认为围岩只产生荷载而 不能承载，支护只是被动地承受己知荷载而起不到稳定围岩和改变围岩压力的作用。 第二：充分发挥围岩自承能力是现代支护结构原理的一个基本观点，并由降低围岩 压力以改善支护的受力性能。 发挥围岩的自承能力，一方面不能让围岩进入松动状态，以保持围岩的自承力；另 一方面允许围岩进入一定程度的塑性，以使围岩自承力得以最大限度的发挥。现代支护 结构原理一方面要求采用快速支护，紧跟作业面支护，预先支护等手段限制围岩进入松 动；另一方面却要求采用分次支护、柔性支护、调节仰拱施作时间等手段允许围岩进入 一定程度的塑性，以充分发挥围岩的自承能力。 第三：现代支护结构原理的另一个支护原则是尽量发挥支护材料本身的承载力，采 用柔性薄型支护，分次支护或封闭支护，以及深入到围岩内部的锚杆支护，都具有充分 发挥材料承载力的效用。喷层柔性大且与围岩紧密粘结，因此喷层主要是受压或剪破坏， 它比受挠破坏的传统支护更能发挥混凝土的承载能力。我国铁道科学院铁建所曾进行过 模拟试验，表明双层混凝土支护比单层支护承载能力高，一般能提高2 0 0 一3 0 。所以 分次喷层方法也能起到提高承载力的作用。 第四：根据地下工程的特点和当前技术水平，现代支护原理主张凭借现场监控测试 手段，指导设计和施工，并由此确定最佳的支护结构型式，参数和最佳的施工方法与施 工时机。因此，现场监控量测和监控设计是现代支护原理中的一项重要内容。 西安科技大学硕士学位论文 第五：现代支护原理要求按岩体的不同地质、力学特征，选用不同的支护方式，力 学模型和相应的计算方法以及不同的施工方法。如稳定地层、松散软弱地层、塑性流变 地层、膨胀地层都应当分别采用不同的设计原则和施工方法。而对于作用在支护结构上 的变形地压，松动地压及不稳定块体的荷载等亦都应当采用不同的计算方法。 上述两种观点都能说明锚喷支护的力学作用，但显然后一种观点更能反映支护与围 岩共同作用的机理。锚杆的力学作用效果归纳起来有如下几方面： 加固围岩作用。围岩多数处于受剪破坏状态，由于锚杆的抗剪能力从而提高了围 岩锚固区的c 、q 值，尤其是在节理发育的岩体中，加固作用更明显。 加固不稳定块体。局部锚杆一般是用于加固不稳定块体，如利用锚杆的悬吊作用 阻止拱顶不稳定块体的塌落，利用锚杆的抗剪作用阻止边墙不稳定块体的滑落。显然， 锚杆加固软弱结构面的作用是极为卓越的。 形成沿开挖面的受力环区，将开挖面处的高应力延伸到岩体深处。 改善“岩土一混凝土结构体系”的承重效果，起到锁定岩石共同受力的作用。 限制围岩位移，部分减少开挖过程中引起的松动。 梁作用，在层状岩体中，其作用如叠合梁一样，由于锚杆使层间紧密，使之能传 递剪力而具有组合梁的效果。 9 0 年代，国际上岩土锚固的理论研究、技术创新和工程应用得到进一步发展。理论 研究主要围绕地层锚固的荷载传递机理、不同类型注浆锚杆用于不同地层时杆体与注浆 体，注浆体与地层间粘结应力及其状态展开的。英国、澳大利亚、加拿大等国的学者和 工程师们提出了牲浆锚杆的侧向刚度、注浆体长度及膨胀水泥含量对杆体与注浆体界 面特性的影响”、“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“单孔复合锚固的理论与实践”等理论研究成 果，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重要作用l l l 。 ( 2 ) 存在的问题。自从喷锚支护在地下工程施工采用以来，不仅使岩体支护加固的 观点发生了根本性改变，从被动支护发展到主动和共同支护上来，而且使锚杆支护在岩 土工程中被广泛采用。由于一般岩块自身强度较高，而岩体因被节理裂隙切割导致其强 度大大低于岩块强度，而锚杆能够把岩块串在一起，增加了岩体的完整性，这对于提高 岩体强度、发挥岩体介质本身的承载能力起到了事半功倍的效果。而且，经历了几十年 的发展和经验积累，人们已经模索出了一套比较成熟的施工方法，从而使锚杆支护成为 一种有效的岩土工程加固手段。目前，锚杆支护在以下几个方面取得了一定的进展【l l ，2 1 1 。 锚杆支护的结构和工艺不断革新，从机械式锚杆、点锚式锚杆、粘结式锚杆、预 应力锚杆到开缝式磨擦锚杆、摩擦胀固式锚杆、让压锚杆，提高了锚杆在不同条件下的 适应性。 新型锚固施工机具不断发展，充实了岩土锚固技术，加大了岩土锚固范围。 1 绪论 锚固支护材料如粘结材料、锚杆材料得到了新发展，改善了锚杆的工作性能。 在锚杆支护的力学机理与加固效果研究方面，理论上较多地对单个锚杆在岩体中 的应力变形分布及对附近岩体的影响进行了研究和分析；对支体结构在室内进行的模拟 试验和现场拉拔试验及变形测试等，积累了较丰富的实验资料；在数值模拟中，通常用 秆单元、连续体单元及接触面单元模拟分析锚杆。 虽然如此目前国内外对锚杆支护的理论研究和设计还不够成熟，工程设计主要靠经 验和半经验方法( 如“工程类比法”等) 进行，或依靠现场量测获得的信息，反馈设计，指 导施工。 综上所述，锚杆支护研究尚存在一些不足： 首先，不是把岩体锚杆作为一个支护结构整体进行定量研究； 其次，研究理论远滞后于实际工程应用； 最后，锚杆支护的数值分析方法研究的是锚杆支护系统对岩体边坡或地下工程稳定 性的影响，尚不能对岩体锚杆支护系统的代表单元进行整体强度增强评估。这些问题使 得锚杆支护方法存在一定的盲目性，并在一定程度上阻碍着该支护方法的进一步发展。 1 3 本文的研究方法及所做的主要工作 1 3 1 本文研究的目的，意义 本课题的研究目的是建立岩土一锚杆支护系统这种复合增强材料的宏观性质与其 组合材料性能及细观结构之间的定量关系，从整体上定量评估这种支护复合材料的加固 增强效果；根据不同的工程需要，可以方便地对锚杆材料、砂浆粘结材料进行选择与优 化，使岩土锚杆支护方法做到经济、合理和有效。 本文在研究时将岩土锚杆支护系统看作由三种组分材料组成的增强复合材料，其 中基体为自然形成的岩体材料，砂浆为人工粘结材料，锚杆材料作为人工增强材料。同 时为了研究的方便，将砂浆材料的物理力学性质折合成岩体的力学性质进行研究。这种 复合材料有别于现在的复合材料，并在研究尺度上也与后者有显著区别1 2 2 2 5 1 。将岩土一 锚杆支护系统看作一种等效介质，揭示它在一定工况下的响应规律。这项研究可为加固 后的岩土工程稳定性计算提供方便和有效的计算参数，并为锚杆支护中的新材料的选择 和研制提供科学依据，展示了很好的应用前景。同时随着计算机的应用与推广，数值仿 真模拟从七、八十年代以来就开始广泛应用与各个领域，近年来计算机仿真模拟越来越 广泛的应用于岩土工程各方面的研究，并取得了许多成果。这项研究将具有广阔的应用 前景。 西安科技大学硕士学住论文 1 3 2 本文将采用的研究方法及所做的的主要工作 ( 1 ) 本文采用的研究方法 理论研究方面：利用力学的研究方法和观点，用细观力学等效模型来描述细观结 构与宏观性能之间的关系； 数值分析中方面：采用数值模拟试验的方法，在计算机上完成该支护系统的体积 代表单元的实验工作，得到等效的应力应变关系曲线和等效强度参数；在数值模拟中 对材料性态的模拟和受力特性模拟比较符合实际。 ( 2 ) 本文的研究内容 利用复合材料力学的研究方法和观点，建立岩土锚杆支护系统复合材料的细观 力学等效模型，通过组分材料界面上力平衡、位移连续等假定，在能量等效的基础上确 定支护系统复合材料的宏观性质与组分材料性质之间的定量关系； 应用有限元软件f l a c ，编制虚拟实验的软件系统，模拟实验室加载条件对岩体 锚杆支护系统复合材料单元体在计算机上进行实验，得到岩土锚杆支护系统复合材 料在单轴压缩和三轴压缩时的宏观力学响应规律，即等效的应力应变曲线，同时定量 得到评估该复合材料整体强度增强的指标等效c 、q 值； 对锚杆和土钉及锚索支护三种情况进行了比较研究，选择对锚杆进行计算机仿真 实验，即在不同加载组合下得到岩体锚杆支护系统复合材料的等效应力应变曲线和 整体强度增强的指标一等效c 、q 值，并考虑岩体的非线性性质，充分发挥计算机虚拟 实验的优越性； 通过计算和试验检测的方法对锚杆、土钉和锚索支护进行比较，研究他们对岩体 力学性质的影响。 6 2 边坡常见支护方法简介 2 边坡常见支护方法简介 岩质边坡的支护措施基本是从土质边坡的支护发展而来的，虽然土质边坡和岩质边 坡的力学特性不尽相同，在分析其稳定性的时候所采用的方法也不完全一样，但对两种 边坡加固的本质都是一样的，都是通过改变边坡的力学平衡，即改变边坡体的抗滑力和 下滑力来实现边坡稳定。目前对于块状岩质边坡主要采取的还是锚固技术，其中包括土 钉、锚杆( 索) 、锚索桩、锚索地梁以及喷锚加固。 下面简单介绍几种常见的支护方法。 2 1 工程防护 2 1 1 抹面与捶面 ( 1 ) 适用条件【5 】 对各种易于风化的软岩层( 如泥质砂岩、页岩、千枚岩、泥质板岩等) 边坡，当岩 层风化不甚严重时； 所防护的边坡，本身必须是稳定的，但其坡面形状、陡度及平顺性不受限制； 所防护的边坡，必须是干燥、无地下水的岩质边坡。 ( 2 ) 构造要求 抹面厚度一般为5 7 c m ，捶面厚度为l o 一- l s c m ，一般为等厚截面； 抹面与捶面工程的周边与未防护坡面衔接处，应严格封闭。如在其边坡顶部做截 水沟，沟底与沟边也要做抹面或捶面防护； 大面积抹面或捶面时，每隔5 l o m 应设伸缩缝。 2 1 2 灌浆与勾缝 灌浆适用于石质坚硬、不易风化、岩层内部节理发育，但裂缝宽度较小的岩质路堑 边坡 5 1 。 勾缝适用于石质较坚硬、不易风化、张开节理不甚发育，且节理缝较大较深的岩石 路堑边坡上【5 】。 2 1 3 护面墙 ( 1 ) 适用条件 5 1 多用于易风化的云母岩、绿泥片岩、千枚岩及其它风化严重的软质岩层和较破碎 的岩石地段，以防止继续风化； 7 西安科技大学硕士学位论文 所防护的边坡本身必须是稳固的； 护面墙有实体护面墙、孔窗式护面墙、拱式护面墙和肋式护面墙。实体护面墙适 用于一般土质及碎石边坡；空窗式护面墙用于边坡缓于l ：o 7 5 ，孔窗内可采用捶面( 坡 面干燥时) 或干砌片石；拱式护面墙用于边坡下部岩层较完整，而需要防护上部边坡者 或通过个别软弱地段时，边坡岩层较完整且坡度较陡时采用肋式护面墙。 ( 2 ) 构造要求 实体护面墙：厚度视墙高而定，一般采用o 枷6 m ，底宽一般等于顶宽加 h i o h 2 0 ；单级护墙的高度一般不超过1 5 m ，多级护墙的总高度一般不超过3 0 m ；沿 墙身长度每隔1 0 m 设置一道2 c m 的伸缩缝，缝内用沥青麻筋填塞。在泄水孔后用碎石 和砂做成反滤层，以排除墙后排水；修筑护面墙前，对所有的边坡清除风化层至新鲜岩 层，对风化迅速的岩质( 如云母岩、绿泥片岩等) 边坡，清挖出新鲜岩面后，应立即修筑 护面墙；顶部应用原土夯填，以免水流冲刷； 孔窗式护面墙：孔窗式护面墙的窗孔通常为半圆拱形，高2 5 3 5 m ，宽2 - 3 m ， 半径l 1 5 m 其基础、厚度、伸缩缝等与实体护面墙相同，窗孔内视具体情况，采用干 砌片石、植草或捶面； 拱式护面墙：拱跨较小时( 2 3 m ) ，拱圈可采用1 0 # 水泥砂浆砌片石，拱高视边 坡下面完整岩层高度而定，拱跨较大时，可采用混凝土拱圈。 2 1 4 喷浆或喷射混凝土防护 ( 1 ) 适用条件i s 适用于岩性较差、强度较底、易风化或坚硬岩层风化破碎、节理发育、其表层风 化剥落的岩质边坡； 当岩质边坡因风化剥落和节理切割而导致大面积碎落，以及局部小型坍塌、落石 时，可采用局部加固处理后，进行大面积喷浆( 喷射混凝土) ； 对于上部岩层风化破碎下部岩层坚硬完整的高大路堑边坡； 不能承受山体压力，边坡须是稳定的。 ( 2 ) 构造要求 喷浆厚度不宜小于1 5 2 c m ，喷射混凝土的厚度以3 - 5 c m 为宜； 为防止坡面水的冲刷，沿喷浆( 喷射混凝土) 坡面顶缘外侧设置一条小型截水沟； 浆体两侧凿槽嵌入岩层内。 2 1 5 喷锚防护 ( 1 ) 适用条件 凡易于喷浆( 喷射混凝土) 防护的岩质边坡，当岩层风化破碎严重、节理发育，在破 0 2 边坡常见支护方法简介 碎岩层较厚的情况下，如果继续风化，将导致坠石或小型崩塌，从而影响整个边坡的稳 定性。它具有较高的强度，较好的抗裂性能，能使坡面内一定深度内的破碎岩层得以加 强，并能承受少量的破碎体所产生的侧压力。 ( 2 ) 构造要求 为防止坡面水的冲刷，沿喷浆( 喷射混凝土) 坡面顶缘外侧设置一条小型截水沟； 锚固深度视边坡岩层的破碎程度及破碎层的厚度而定，用1 ：3 的水泥沙浆固结； 喷浆厚度不小于3 c m ，喷射混凝土的厚度不小于5 c m 。沿道路延伸方向每隔 1 0 - 0 1 2 5 m 设置一道2 e r a 的伸缩缝，缝内用沥青麻筋填塞； 锚杆的类型有树脂锚杆、全长砂浆锚杆( 包括灌浆锚杆和自钻式注浆锚杆) 、塑料 锚杆( 包括玻璃钢锚杆和塑料锚杆) 、水泥锚杆和缝管锚杆； 提高锚杆承载力的措施主要有延长锚固段长度、二次压浆、采用端头扩大或多段 扩大头锚杆、重复高压灌浆和改变锚杆传力特征的剪力或压力型锚杆。其中二次压浆和 重复高压灌浆比较实用有效。 2 1 6 土钉墙 、 土钉墙是一种较新式的结构物，它主要由“钉”( a p 锚杆) 、混凝土面板( 挂网喷射混 凝土1 、锚板组成1 6 1 。 ( 1 ) 作用机理通过规则排列的锚杆( “钉”) 、面板、锚板将边坡一定范围内的土 体进行原位加固，形成一种复合结构式的墙一土钉墙，墙后土压力由土钉墙承担。 ( 2 ) 适用条件主要适用于风化破碎较严重的岩石边坡，也可用于粉土、砾石和砂 土边坡。承受土压力一般，其最大优点是从上往下逐层开挖土石方并及时对边坡进行封 闭加固，能有效减少边坡因开挖临空而带来的应力释放，使边坡保持原来的稳定结构， 避免坍塌。 ( 3 ) 构造要求 施工程序为：成孔清孔置筋注浆喷射第一层细石混凝土装挂钢丝网喷射第二 层细石混凝土； 第一层细石混凝土厚7 - 1 0 e m ，第二层细石混凝土厚8 e m 2 1 7 预应力锚索梁 预应力锚索梁是最近几年发展起来的一种新型加固措施。结构分为锚索和锚梁两部 分【6 】。 ( 1 ) 作用机理把破碎松散岩层组合连接成整体，并锚固在地层深部稳固的岩体上， 通过施加预应力，使锚索长度范围内的软弱岩体( 层) 挤压密实，提高岩层层面间的正压 力和摩阻力，阻止开裂松散岩体位移，从而达到加固边坡的目的。这种方法的最大特点 9 西安科技大学硕士学位论文 是：可保持既有坡面状态下深入坡体内部进行大范围加固；预先主动对边坡松散岩层施 加正压力，起到挤密锁固作用：同时，锚索孔高压注浆，浆液充填裂隙和孔隙，又可提 高破碎岩体的强度和整体性；结构简单、工期短、造价低廉。 ( 2 ) 适用条件裂隙和断层发育、防缓边坡工作量巨大的高陡边坡。 ( 3 ) 构造要求 锚梁：锚梁为钢筋混凝土粱，采用c 3 0 混凝土浇注，它不仅为预应力锚索提供反 力装置，而且也对边坡岩土有着框箍和压紧作用； 锚梁的施工顺序为：防线挖槽绑扎钢筋支模浇注混凝土； 锚梁与锚索交叉部位预留塑料套管，便于锚索从中间穿过；在锚头部位预埋承压 钢板，并与锚梁浇注成整体； 预应力锚索旌工程序为：放点钻孔编制钢绞线注浆张拉锁定； 可与喷射混凝土或框格护坡相结合。 2 2 植物防护 2 2 1 种草 边坡稳定、坡面冲刷轻微的路堤或路堑边坡，一般要求边坡坡度不陡于l ：l ，边坡 坡面水径流速度不超过0 6 m s ，长期浸水边坡不适用。根据施工方法不同，有以下几种 方式：种子撒播法方法；喷播法；客土喷播法【6 l ；点穴、挖沟法。 2 2 2 铺草皮 各种土质边坡，特别是坡面冲刷比较严重、边坡较陡( 可达6 吩，径流速度达0 6 m s 时才用这种方法。 2 2 3 植树 各种土质边坡和风化极严重的岩石边坡，边坡坡度不陡于h1 5 ，在路基边坡和漫 水河滩上种植植物，对于加固路基与防护河岸收到良好的效果。可以降低水流速，种在 河滩上可促使泥沙淤积，防止水流直接冲刷路堤。植树最好与植草相结合。高等级公路 边坡上严禁种乔木。 2 3 柔性支护 2 3 1 三维植被网 三维植被网又称防侵蚀网，以热塑树脂为原料【7 】结构分为上下两层，上层为一个 2 边坡常见支护方法简介 经双面拉伸的高模量基础层，强度足以防止植被网的变形，并能有效防止水土流失，下 层是一层弹性的、规则的、凹凸不平的网包组成。 2 3 2 钢绳网主动防护 通过锚杆和支撑绳以固定方式将钢绳网盖在坡面上嘲。 作用机理为通过固定在锚杆或支撑绳上并施以一定预张拉的钢绳网，以及在用作风 化剥落、溜塌或坍落防护中抑制细小颗粒、洒落或土体流失时铺以金属网或土工格栅， 对整个边坡形成连续支撑。其预张拉作业使系统紧贴坡面形成了局部岩坡或土体移动或 发生细小位移后将其裹缚于原位附近的预应力，从而实现其主动防护的功能。 2 3 3 钢绳网被动防护 该方法是一种能拦截和堆存落石的柔性拦石网，由钢绳网、固定系统、减压环和钢 柱四部分组成嘲。 2 4 综合防护 2 4 1 岩质边坡绿化喷播技术 绿化喷播技术嗍，其核心是在岩质坡面营造一个既能让植物生长发育而种植基质又 不被冲刷的多孔稳定结构。它利用特制喷混机械将土壤、肥料、有机质、保水材料、植 物种子、水泥等混合干料加水后喷射到岩面上，由于水泥的粘结作用，上述混合物可在 岩石表面形成一层具有连续空隙的硬化体。一定程度的硬化使种植免遭冲蚀，而空隙内 填有种子、土壤、保水材料等，空隙既是种植基质的填充空问，又是植物根系的生长空 间。 2 4 2 框格护坡 当风化较严重的岩质边坡和坡面稳定的较高土质边坡，通常框格护坡可选用菱形框 格、六边形框格、主从式框格等陋j 0 】： 菱形框格：框格结点处部设锚杆，锚固长度根据岩石边坡情况而定。框格内培粘 土植草皮或喷播植草； 六边形框格：框格情况与锚杆部设情况于菱形框格类似； 主从式框格护坡：主骨架结点和从骨架结点布设眈2 锚杆，框格内培粘土植草皮 或喷播植草。特点：可根据不同快体的变形性质和规模，调整主、次骨架的锚固深度， 分层治理，使主次骨架及坡面绿化层次分明，加固有效，经济美观。 构造要求 西安科技大学硕士学位论文 框格内植草，通常采用借土喷播法或植草皮等方法； 框格形式主要有正方形、菱形、拱形、主肋加斜向横肋或波浪形横肋以及几种几 何图形组合等形式，框格及横肋宽o 4 o 6 m ，主肋宽一般l m 左右，框格间距2 5 3 5 m ； 框格应根据情况设置固定桩或锚固筋固定。 2 5 本章小结 随着我国山区公路和铁路建设的飞速发展，边坡的防护问题越来越重要。以往边坡 的防护方法多种多样，有植草、抹面、喷浆、喷锚、预应力锚索梁、护面墙以及采用混 凝土、砌块、拱形护坡等，近几年，由于环境保护越来越引起业内外人士的高度重视， 发展了三维植被网、钢绳网主动防护、钢绳网被动防护等柔性支护和岩质边坡绿化喷播 技术等综合防护技术，越来越多地在边坡防护中应用。但是，作为减小岩体侧向变形， 增强边坡整体稳定性的土钉、锚杆支护和预应力锚索支护作为最有效的岩质边坡的支护 方式之一，仍广泛地与三维植被网、边坡绿化喷播技术、框格护坡等形式结合在一起进 行边坡防护，取到了良好的支护效果。 3 岩土工程数值分析方法 3 岩土工程数值分析方法 3 1 概述 对于岩土工程问题来说【4 5 】，岩体性态复杂且受多种地质因素的影响，用解析方法求 解岩石力学问题会遇到很大的困难。岩体材料的复杂性 4 7 1 表现在岩体的非均质、各向异 性、本构关系的非线性、时间相关性等和岩体构造的复杂性，岩体构造的复杂性主要是 岩体的节理、裂隙、断层切割等，这样就使得在很多岩土工程应力应变分析中，难以 用解析方法。即使采用也必须进行大量的简化，而得出的结果更难以满足工程需要。对 于像岩土工程问题这样材料性质和边界条件都较复杂的问题，工程师可以靠数值方法给 出近似的、较令人满意的答案。目前在岩土工程技术领域内常用的数值模拟方法有 p 硼：有限单元法、边界元法、离散单元法、块体理论、反演分析和有限差分法等。本 章将简介其中的一些方法和依赖这些方法开发的大型计算程序。 3 2 解决岩土工程问题常用的数值方法 3 2 1 有限单元法 有限单元法可用于处理很多复杂的岩土力学和工程问题。例如岩土介质和混凝土材 料的非线性问题，岩体中节理、裂隙等不连续面对分析计算的影响，土体的固结和次固 结。地层和地下结构的相互作用，洞室位移和应力随时间增长变化的粘结特征，分步开 挖旅工作业对围岩稳定性的影响，渗流场与初始地应力和开挖应力的耦合效应，以及地 下结构的抗爆和抗震动力计算等等。 有限单元法的主要优点在于以下几个方面：1 可以分析形状十分复杂的、非均质的 各种实际的工程结构；2 可以在计算中模拟各种复杂的材料本构关系、荷载和条件，例 如可以模拟岩体种的渗流和初始地应力场、混凝土的不均匀温度场等，这些因素在物理 模型中往往是难以模拟的；3 可以进行结构的动力分析；4 由于前处理和后处理技术的 发展，可以进行大量方案的比较分析，并迅速用图形表示计算结果，从而有利于对工程 方案进行优化。由于具有上述优点，有限单元法在岩土工程设计和研究中得到广泛的应 用。 3 2 2 边界元法 边界元法( b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ，一般缩写为b e m ) 是解决岩土工程问题常用的 一种方法，边界元法是应用格林( o r e e n ) 定理等，通过基本解将支配物理现象的域内微分 西安科技大学硕士学位论文 方程变换成边界上的积分方程，然后在边界上离散化数值求解，其特点是主要涉及解域 边界上的信息，并由此而得名。边界元的离散化边界元法有直接法和间接法两种直接法 是根据把体积分变换成边界上面积分的g r e e n 公式，采用物理意义明确的变量，然后进 行公式推导间接法是利用位势理论中经常采用的单位层位势和双层位势来推导公式，是 用不甚明确的变量。以应力分析为例，在间接法中，边界一般被加上按一定规律分布的 虚拟力或虚拟位移，作为基本未知数，建立离散化方程，待求出这些量后再计算边界及 域内位移和应力。在直接法中，解题的基本未知数是全部未知的边界位移和应力，可直 接求取边界参数。边界元法特别适宜于大区域、无限域和断裂、藕合问题。 边界元法是与有限元类似的一种数值分析方法，不同点是它把积分方程作为建立公 式的基础。 3 2 3 离散单元法 离散单元法( d i s c o n t i n o u se l e m e n tm e t h o d , 一般缩写为d e m ) 主要是为含有地质不 连续面的岩体工程的数值分析而发展的。它也像有限元那样，将区域划分成单元，单元 因受节理等不连续面的控制，在以后的运动中，单元结点可以分离，即一个单元与其邻 近单元可以接触，也可以分开。单元之间相互作用的力可以根据力和位移的关系求出， 而个别单元的运动则完全根据该单元所受的不平衡和不平衡力矩的大小按牛顿运动定 律确定。 3 2 4 块体理论 块体理论( b l o c k t h e o r y ) r h g o o d m a n 和s h i ( 1 9 8 5 ) 1 4 3 1 提出，所以也叫g o o d m a n 和s h i 块体理论。该理论实质上是一种几何学的方法，其理论基础是认为岩体中最重要的块体， 即关键块体对岩体的破坏起控制作用。该理论是一种通过判别和描述洞室围岩最危险岩 石块体运动来确定岩体稳定性的分析方法。具体分析过程是先根据岩体中实际存在的节 理倾角及方位，利用块体之间的相互作用条件找出具有移动可能的块体及其位置，所谓 关键块体就是指岩体中有限的、可移动的且为潜在不稳定的块体。然后分析其稳定性， 若关键块是稳定的，则整个岩体也是稳定的。块体理论属于静态分析的方法。仅考虑在 恒定荷载作用下系统的平衡及失稳条件。对这种理论的一个新发展是边一边接触块体理 论，它除了与关键块体理论相同的假定之外还假定块体之间接触可以沿节理全长或部分 长度分布。 3 2 5 有限差分法 有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ，一般缩写为f d s o m - 4 4 j 是在j g 散元基础上发 展起来的一种数值分析方法，它介于有限元和离散元法之间，求解过程采用快速拉格朗 1 4 3 岩土工程数值分析方法 日算法。该方法主要解决岩土工程中的二维、三维的弹塑性问题的，能模拟岩土工程的 大变形过程、锚杆加固结构与围岩的相互作用，因此广泛应用于岩土加固与稳定分析中。 对于上述数值方法而言，其中有限元法和边界元法是建立在连续介质力学基础上， 适合于小变形分析，是发展得比较早比较成熟的方法，尤以有限元法应用更为广泛。而 边界元法由于它仅对于计算域边界进行剖分( d i s c m i z a t i o n ) 而具有独特的优越性。同时 由于各种边界积分法都要用到迭代原理，因此只适用于完全线性或增量( 近乎) 线性的系 统。而对于诸如壳体、高度地各向异性体、某些非线性问题以及对流问题等，有限元法 则比边界元法更具优越性。离散元法和块体理论( 离散元法也属于块体理论范畴1 则是把 岩体抽象成为被节理裂隙切割成分离的块体体系，再进行力学分析，适于大变形问题， 虽然发展较晚，有些不够成熟，但发展相当迅速，对分析裂隙岩体不失为一种强有力的 工具。反演分析是逆向思维方法在数值分析中的体现。它不仅是单纯利用现场量测信息 为数值分析提供实用的计算参数，而且作为工程预测分析的一种工具，为岩土工程信息 设计和专家系统的形成提供了可能性，从而有着良好的应用前景陋调。 3 3 a n s y s 简介 目前国际上大型的有限元分析程序主要有a n s y s 。n a s t r a n , a s k a , a d i n a , s a p , a b a q u s 等p m 8 1 。以a n s y s 代表的有限元分析软件具有以下优点：减少设计成本；缩 短设计和分析的循环周期；增加产品和工程的可靠性；采用优化设计，降低材料的消耗 和成本；在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题；可以进行模拟实验分析；进行 机械事故分析，查找事故原因。 a n s y s 软件【l 6 】是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限 元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国a n s y s 开发，它能与多 数c a d 软件接口，实现数据的共享和交换，如p r o e n $ i n e e r , n a s t r a n ，a l o g o r , i - d e a s ， a u t o c a d 等，是现代产品设计中的高级c a d 工具之一。a n s y s 有限元软件包是一个 多用途的有限