（岩土工程专业论文）山区高速公路轻型支挡结构的力学机理与应用研究.pdf

摘要 山区高速公路建设中，对于半挖半填及陡坡路堤处挡土结构物的选择目前一 般倾向于摈弃传统的重力式挡土墙，而采用既经济又有更强适应性的轻型支挡结 构。但山区地质地形复杂多变，相应而采用的轻型支挡也灵活多样，在这种复杂 的边界条件下，支挡结构的受力机理更加复杂，其设计参数的确定也更为困难。 目前，该类山区轻型支挡结构的理论研究已远落后于工程实践。因此，对高速公 路轻型支挡结构的力学机理进行研究具有重要的理论意义和工程应用价值。本论 文以国家重点工程邵怀( 山区) 高速公路和湖南省交通建设重点试验室开放基金 项目为依托，作了以下几个方面的研究工作： 1 ) 、对邵怀( 山区) 高速公路中有代表性的四种轻型支挡结构( 预应力锚索 桩板墙、悬臂式桩板墙、锚杆式柱板墙和预应力锚索柱板墙) ，在现场埋设各种 测试元件，进行比较系统的现场测试( 包括行车动力试验) 。 2 ) 、基于双剪统一强度理论和极限平衡原理，推导出一个能够考虑锚索破 裂面形状、锚索的倾角、岩土体强度等因素的预应力锚索极限抗拔承载力计算公 式。 3 ) 、以损伤理论的基本原理及其相应的损伤演化方程为基础，根据锚索荷 载传递机理力学方程，推导出考虑岩土体损伤特性的锚索轴力和侧摩阻力沿着锚 索长度分布的解析解；基于上述解析解、m i n d l i n 解和b o u s s i n e s q 解，得出锚索 影响范围内土体中任一点的正应力、剪应力以及相应的位移和锚固体与墙面的位 移；以上述理论结果为基础提出了锚索合理间距优化设计方法；采用实际工程对 上述理论成果进行验证分析。 4 ) 、选取应用最为广泛的预应力锚索桩板式挡土墙为分析对象，以f l a c 3 d 为研究工具进行二次开发建立桩、土、锚索、及其界面的耦合分析数值模型，对 影响挡墙受力变形的主要参数进行数值仿真分析，提出设计时要考虑的控制因素 及可供设计参考的数据资料。 5 ) 、根据现场的土压力测试数据、锚杆锚索锚固段与自由段的内力数据、 桩的变形数据等对现场的四种挡墙的工作状况进行分析；同时，将每种挡墙的实 测数据与其数值计算数据进行了对比分析，归纳出四种轻型支挡结构的受力、变 形特征，并提出了静荷载作用下轻型挡土墙的修正设计方法。 6 ) 、在行车动力分析方面，基于a n s y s 通用有限元程序，针对预应力锚 索桩板墙建立了有限元模型，考虑车速、载重、路面不平整度、行车车道等因素， 对交通荷载下的轻型挡墙的墙背动态土压力、墙背动态变形、路面动态压应力及 路面动态位移等进行计算分析，探讨交通荷载作用下轻型支挡结构的作用机理。 7 ) 、选取预应力锚索桩板墙与锚杆柱板墙为分析对象，对这两种挡墙所在 位置的路基与墙背处布置的应变式压力盒进行动力测试分析，并将实测数据与数 值计算数据进行对比分析，评估了交通荷载对轻型支挡结构的作用与影响，并提 出了考虑交通荷载作用时该类挡墙的修正设计计算方法。 关键词：山区高速公路，轻型支挡结构，现场实验，数值计算，力学机理， 设计方法 a b a s t r a c t i nm o u n t a i n o u sa r e a , w h e nc o n s t r u c t i n ge x p r e s s w a y , i ti si n c l i n e dt o a d o p tl i g h tr e t a i n i n gs y s t e mw h i c hi se c o n o m i c a la n da d a p t a b i l i t yr a t h e r t h a nt r a d i t i o n a lg r a v i t yr e t a i n i n gw a l l b u tt h eg e o l o g ya n dt o p o g r a p h yo f m o u n t a i n o u sa r e ai sm o r ec o m p l e x ，a n dt h es t y l e so ft h el i g h tr e t a i n i n g s y s t e ma r em o r ec h a n g e a b l ea c c o r d i n g l yu n d e rt h i sc o m p l e xb o u n d a r y c o n d i t i o n ，t h em e c h a n i c a lb e h a v i o u ro ft h el i g h tr e t a i n i n gs y s t e mi sv e r y c o m p l e x ，a n di t i sv e r yd i f f i c u l tt od e c i d et h ed e s i g np a r a m e t e r st o o n o w a d a y s ，t h es t u d yo nt h e o r yo f t h el i g h tr e t a i n i n gs y s t e mi sf a rb e l o w e r t ot h a to ft h ep r a c t i c e t h e r e f o r e ，t h ev a l u eo ft h et h e o r ya n de n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o ni sg r e a tt os t u d yt h em e c h a n i s mo ft h el i g h tr e t a i n i n gs y s t e m b a s e do ns h u o - h u ie x p r e s s 、v a ) 1 i 】em a j o rp r o j e c to ft h es t a t ea n dt h e o p e n i n gf u n dp r o j e c to ft h eh u n a nc o m m u n i c a t i o nc o n s t r u c t i o nc o n t r o l l a b o r a t o r y , s o m er e s e a r c h e sh a db e e ns t u d i e da sf o l l o w s ： 1 ) b u r ys e v e r a lk i n d so ft e s t i n gc e l l sc a r e f u l l yi nf o u rk i n d sl i g h t r e t a i n i n gs y s t e m s ( p r e - s t r e s s e dc a b l es h e e t - p i l e ，c a n t i l e v e rs h e e t - p i l e ， a n c h o rp o s t - p a n e lr e t a i n i n gw a l l ，p r e s t r e s s e dc a b l ep o s t - p a n e lr e t a i n i n g w a l l ) o fs h u o - h u ie x p r e s s w a ya n dc a r r yo u to ns i t et e s t i n gs y s t e m a t i c a l l y ( i n c l u d i n gd y n a m i ct e s t i n g ) 2 、b a s e do nt h eu n i f i e ds t r e n g t ht h e o r y , t h eu l t i m a t ee q u i l i b r i u m p r i n c i p l ea n d t h es h a p eo f r a p t u r eo fs u r f a c e ，af o r m u l a ，w h i c ht a k e si n t o a c c o u n tt h es h a p eo f r a p t u r es u r f a c e ，d i pa n g l eo f c a b l e ，s t r e n g t ho f r o c k s ， h a sb e e nd e d u c e d 3 1b a s e d0 1 1t h ef u n d a m e n t a l p r i n c i p l e o fd e f e c t t h e o r y , c o r r e s p o n d i n gd a m a g ee v o l u t i o ne q u a t i o na n dl o a dt r a n s f e rm e c h a n i s m m e c h a n i c se q u a t i o n ，a na n a l y t i cs o l u t i o no fa n c h o rc a b l ea x i a ls t r e s sa n d l a t e r a lf r i c t i o ns t r e s sh a sb e e nd e d u c e d ；w i t ht h i s a n a l y t i cs o l u t i o n ， m m d l i ns o l u t i o na n db o u s s i n e s qs o l u t i o n t h en o r m a ls t r e s s ，s h e a rs t r e s s a n dt h ec o r r e s p o n d i n gd i s p l a c e m e n tw h i c ht h ec a b l em a ya f f e c th a sb e e n g a i n e d ；a n ds od ot h ed i s p l a c e m e n to fg r o u t i n ga n dw a l l ；u s i n gt h ea b o v e t h e o r ya c h i e v e m e n t ，t h er e a s o n a b l es p a c i n go p t i m i z a t i o nm e t h o do fc a b l e h a sb e e ng a i n e d a tl a s t , t h er e a l i t yp r o j e c t i o nw a su s e dt oc h e c kt h e a b o v et h e o r ya c h i e v e m e n t s ，w h i c hs h o wg o o d a g r e e m e n t 4 ) c h o o s ep r e - s t r e s s e dc a b l es h e e t p i l ea sa ne x a m p l e ，u s ef l a c 3 d m p r o g r a mt ob u i l dt h ec o u p l i n gn u m e r i c a lm o d e lo fp i l e ，s o i l ，c a b l e ，a n d i n t e r f a c e st oc a l c u l a t ea n da n a l y z et h es t r e s sa n dt h es t r a i no fr e t a i n i n g w a l li nd i f f e r e n ti n f l u e n c i n gp a r a m e t e r , a n do f f e rt h em a i nc a l c u l a t i n g p a r a m e t e r sw h i c hs h o u l db et a k e ni n t oa c c o u n ti nd e s i g n 5 ) a c c o r d i n gt ot h et e s t i n gd a t ao fe a r t hp r e s s u r e ，a x i a lf o r c e so f c a b l e ，d e f o r m a t i o no fp i l e ，t h ew o r k i n gs i t u a t i o no ft h ef o u rk i n d so f r e t a i n i n gw a l l sh a sb e e na n a l y z e d ；c o m p a r i n gt h em e a s u r e dd a t aw i t h n u m e r i c a lc o m p u t a t i o nd a t ao fe a c hw a l l ，i n d u c i n gt h ef e a t u r e so fs t r e s s a n ds t r a i no fe a c hw a l l ，a n do f f e rt h ed e s i g nm e t h o d so f e a c hw a l lu n d e r s t a t i c1 0 a d 6 ) b a s e d0 1 1a n a s y sp r o g r a m ，c h o o s ep r e - s t r e s s e dc a b l es h e e t - p i l e a sa ne x a m p l et ob u i l df e mm o d e l ，t a k ev e l o c i t y , l o a d , u n e v e n n e s s ， d r i v i n gl a n ei n t oa c c o u n t ，t h ed y n a m i cd e f o r m a t i o na n dd y n a m i ce a r t h p r e s s u r eo fw a l l ，a n dt h ed y n a m i cp r e s s u r ea n dd y n a m i cd e f o r m a t i o no f r o a dh a v eb e e nc a l c u l a t e da n da n a l y z e d ，a n dt h em e c h a n i s mo fl i g h t r e t a i n i n gs y s t e mh a s b e e nd i s c u s s e du n d e rt r a f f i cl o a d 7 、t a k ep r e - s t r e s s e dc a b l es h e e t - p i l ea n da n c h o rp o s t - p a n e lw a l la s a l la n a l y s i so b j e c t ，c a r r yo u tt h ed y n a m i cm e a s u r eo fs t r a i np r e s s u r ec e l l o fw a l la n dr o a d b e d ，a n dc o m p a r i n gt h em e a s u r ed a t aw i t hc a l c u l a t i o n d a t a a p p r a i s et h ee f f e c to f t r a f f i cl o a do nr e t a i n i n gs y s t e m , a n do f f e rt h e d y n a m i ce a r t hp r e s s u r ec a l c u l a t i o nm e t h o du n d e rt r a f f i cl o a d k e yw o r d s ：m o u n t a i n o u sa r e ae x p r e s s w a y , l i g h tr e t a i n i n gw a l l ， i n - s i t ut e s t ，n u m e r i c a lc o m p u t a t i o n , m e c h a n i c sm e c h a n i s m ，m e t h o do f d e s i g n i v 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。 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。 日期：型月二日 博士学位论文第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 随着我国西部大开发的开展，越来越多的高速公路开始向西部延伸。西部地 区大部分为典型的山地地形，在这种地方修建高速公路，不可避免地会遇到大量 的半挖半填及陡坡路堤，必须采用支挡结构来保证路堤的稳定，以确保公路运输 的安全。由于山区公路中大部分半填半挖地带地形狭窄，地基承载力低，基础不 易施工。在这种地方如继续采用传统的重力式挡土墙等重型支挡结构来保持路堤 的稳定性，则会遇到许多难以解决的问题。首先，山区沟谷地区，地势陡峻，如 为修建重力式挡墙而继续开挖边坡，则会使路堤在施工期间的稳定性无法保证， 无形中会增加施工费用，加大施工难度；其次，山区挡墙一般都较高且沟谷地带 的地基承载力较差，如在这种地区修建重力式挡土墙则会加大地基的负担，使整 个边坡的安全系数降低。基于以上情况，为保证路基的稳定性，在该种地区必须 采用新的轻型支挡结构。根据调查，目前的轻型支挡结构，如桩板墙、柱板墙、 锚定板挡墙等，大部分用于铁路工程的上边坡支护，而下边坡支护则用得很少。 在高速公路工程建设方面，轻型支挡结构的应用则刚刚起步。至于其设计理论则 为重力式挡墙、抗滑桩、锚杆与锚索等支挡结构理论的组合。这种组合式的理论 虽然能在一定程度上解决许多工程问题，但在许多方面是不经济的，甚至是不安 全的。首先，在土压力理论的应用方面，目前一般仍为经典的库仑理论与朗肯理 论，这两种理论用于重力式挡墙的设计是成功的，但轻型支挡结构为柔性挡土墙， 其土压力的分布形态随结构的变位而发生变化，在锚杆与锚索的作用下，土压力 的大小及分布也会发生很大的改变，有试验研究表吲2 吣3 1 ，在这种情况下的土压 力的总体大小接近静止土压力，如边坡本身不稳定，则计算的土压力还要与滑坡 压力的大小进行比较，选两者中较大者为作用在支挡结构的土压力。因此，以往 的设计对土压力的考虑过于简单，且偏小，不利于结构的稳定。其次，其设计计 算的重要参数之一的锚索与锚杆极限承载力的确定，一般都根据现有的同类规范 进行计算。但按规范进行计算时既没有考虑破裂面形状的改变，也没有考虑地应 力与灌浆压力的综合影响，因此计算方法过于简单。而且在计算时为了保证安全 可靠，经常随意加大安全系数，造成了许多不必要的浪费。第三，目前轻型支挡 结构中立柱( 桩) 间距的确定一般是根据抗滑桩的绕流阻力确定的，因立柱( 桩) 之间挡土板的存在而承担了一部分阻力，因此这种计算方法得出的桩间距偏小， 事实上，因柱( 桩) 与锚索及锚杆相连，柱( 桩) 之间的间距应该为相邻锚索锚 杆之间相互作用最小的距离，如果设计中按绕流阻力的大小来确定柱( 桩) 之间 的间距，不但不经济，而且不安全。最后，交通荷载对支挡结构的影响也不能忽 博士学位论文第一章绪论 视，高速公路车流量大，且超载超限现象严重，在循环交通荷载的影响下必然会 影响支挡结构的使用寿命，在以往的设计中常常将交通荷载简化为静荷载来计 算，而交通荷载为冲击荷载，当动载频率达到一定值时，其作用力峰值远远大于 简化的静荷载。如一味按静荷载来简化交通荷载也会为轻型支挡结构的安全带来 隐患，如建成于9 0 年代的2 0 5 国道高峪铺公铁立交桥的重力式挡土墙的失稳就 是由动荷载作用而破坏的典型例子。基于以上考虑，本论文以即将完工的湖南省 邵阳至怀化的高速公路轻型挡土墙悬臂式桩板墙、预应力锚索桩板墙、锚杆 柱板墙和预应力锚索柱板墙等四种挡墙为例子( 见图卜1 ) ，研究在静动力荷载作 用下轻型挡土墙的作用机理及设计理论，为以后西部类似高速公路的建设提供一 定技术基础。 图1 - 1 邵怀山r z 高速公路支挡结构典型布王 1 2 国内外研究现状及文献综述 1 2 1 柔性挡土墙土压力研究现状 本文所研究的桩板墙、柱板墙等轻型支挡结构按类型都归属于柔性挡土墙， 与刚性挡土墙不同的是，该类型的挡土墙一般是通过桩( 柱) 与板的组合来承担 土体的压力，其下端采取嵌固的形式与地基接触，其上端则采用锚杆、锚索来提 供额外的支撑力。由于下端及其他支撑的约束作用，在土压力的作用下，整个墙 体会发生一定的挠曲，从而引起土压力的重新分布，因此，其土压力的分布与刚 性挡墙土压力分布有着一定的区别。长期以来，许多学者专家在认识到这种差别 的基础上对柔性挡土墙的土压力进行了坚持不懈的研究，取得了一些富有意义的 成果。 1 2 1 1 国外研究状况 1 9 3 7 年，s p i l k e r ，1 9 4 1 年，k l e n n e r ，在对基坑工程的围护桩进行观测时表明， 多支撑支护结构墙后土压力的大小与r a n k i n e 土压力值较为接近，但土压力分布 2 博士学位论文第一章绪论 为非线性分布。 p e c k ( 1 9 4 2 ) 1 1 建议采用梯形的土压力包络图来近似简化墙后土压力。w h i t e r ， p e c k ，1 9 6 9 3 等通过现场观测数据所证实p e c k ( 1 9 4 2 ) 的结论。 t s c h e b o t a d o ( 1 9 4 8 ) 4 1 在p r i n c e t o n 大学通过对锚桩墙的大型模型试验，发现墙 后土压力为三角形分布，与经典土压力理论一致，并因此得出结论：锚固点与开 挖面之间的挠曲并没有引起土压力的减小。 r o w e ( 1 9 5 2 ) 1 5 】在锚杆有足够的弹性变形条件下进行排桩模型试验，发现土压 力分布为三角形分布，并且最大弯矩随排桩柔性的增加而减小。而在开挖面以下， 由于变形受到限制，土压力分布形式与经典土压力分布有着明显的不同，在i 临近 开挖面区域，被动区土压力大于经典土压力值，在排桩墙趾，由于位移小，主动 土压力大于经典土压力值。 r o w e ( 1 9 5 5 1 9 5 7 ) i 删经过一系列的模型试验，发现当锚杆变形受限时，在锚 杆附近主动土压力值将增大，在开挖面以下主动土压力值亦将增大，被动区上部 土压力增大，而下部土压力明显小于经典土压力值。出现土压力的重分布现象。 r o w e 把此归结为三个因素：开挖面以下的弯曲；锚杆点以上的弯曲；锚杆点和 开挖面之间排桩柔度的减小。并用土拱效应来解释土压力重分布现象。 2 三元l d p ；口；e ( 卸。与卢相比为一i t j 、值- 曲常量) 图1 - 2 土拱效应原理 = 由于目标向着体的大位移 和偏离土体的小位穆而形成 的高土压力区 ：由于目标偏离土体而形成 的蚯土压力区 图i - 3 锚固桩土拱效应 t e r z a g h i t lo 】对土拱效应的定义是：“当支撑土体的一部分屈服时，屈服土体 将从原有位置移出，屈服土体和邻近静止土体的相对移动将受到两部分土体间剪 应力的阻碍作用，由于剪应力阻力有使屈服土体保留在原有位置的趋势，从而使 屈服区域土压力减小而邻近静止土体土压力增大，这种土压力从屈服区域转移到 邻近静止区域的现象通常称为土拱效应。有时，当屈服土体比邻近土体移动量更 大时。也将发生土拱效应。”由此定义可知，土拱效应包含两部分内容：结构屈服 部位土压力的降低和临近位置土压力的增加( 如图卜2 ) 。 r o w e ( 1 9 5 7 ) 9 1 用土拱效应来解释锚桩墙土压力的重分布现象，如图1 - 3 所示， 由于挡墙的挠曲，墙前墙后的土压力分布不同于经典的土压力分布，在墙后，由 于墙体向外挠曲，堵顶和墙底的土压力均有所增加，而在锚杆和开挖面之间，由 于墙体的挠度较大，土压力明显降低。 b j e r r u m 和d u n c a n ( 1 9 7 2 ) 1 1 1 把有限单元法用于排桩墙，对不同排桩刚度和锚 博士学位论文第一章绪论 杆轴向变形条件下土压力进行分析，分析结果与r o w e 模型试验结论一致，进一步 证实了土拱效应。 t e r z a g h i 和p e c k ( 1 9 6 7 ) 1 4 1 通过对基坑工程中影响土压力分布的众多因素的总 结指出，基坑中墙后土压力的分布与古典土压力理论有一定的偏差，建议这种结 构的土压力采用如图i - 4 所示的经验计算图式，p e c k ( 1 9 6 9 ) 【1 5 】在第七届国际土力 学会议中作过如下说明。这种图式不代表土压力的精确分布规律，而是从六十年 代以前若干实测数据中总结得到的最大土压力的包线。 图1 - 4 土压力包络图 基坑围护结构在开挖过程中将产生挠曲变形，墙前墙后土体随着墙体挠曲变 形产生水平位移，进而引发墙后土体产生土拱效应。 b j c r r u m ( 1 9 7 2 ) 儿1 把支撑围护结构的挠曲变形归纳为三种型式( 如图1 5 ) ，根据 土拱效应建立土压力计算式，计算结果证实了土拱效应。 b 心 l i 囤l 一5 围护结构典型挠曲形式 v a z i r i ( 1 9 9 6 ) 1 2 , 1 3 1 通过数值分析手段对影响柔性挡土墙反应的参数进行了敏 感性分析，文中指出，把影响土拱效应的因素归结为三个方面：( 1 ) 土拱效应引 起的土压力变化随着土体刚度的增大而增长，则密实砂中增长幅度比松砂和粘土 中大；( 2 ) 土拱效应随着支护结构的挠度增大而增大；( 3 ) 土拱效应随着锚固的屈 服而减小。 p i e t e ra v e r m e e r ，a n k a a ap l _ l i l l o r , n i e or u s e ，e t a l ( 2 0 0 1 ) 1 1 6 1 通过对桩板墙进 4 博士学位论文第一章绪论 行二维与三维有限元模拟指出，在桩与桩之间存在一个非常明显的水平土拱，土 压力或多或少地由支护桩承受，对作用在挡土板上的土压力即使按下图( 1 - 6 b ) 所示的三角形荷载进行分布计算其内力都会被认为是相当保守的计算方法。 4 皿卫皿4 幽 【a )b ) 图i - 6 两种挡土板设计计算荷载 1 2 1 2 国内研究状况 对土压力的研究，我国许多学者在这方面也做了大量的工作。沈珠江、卢肇 钧、蒋纯秋、顾慰慈等著名科学家都对挡土堵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。 谭跃虎，钱七虎( 1 9 9 7 ) 【l 。7 】对南京国贸大厦基坑支护桩作了较全面的测试工 作，测试结果表明：实测的主动土压力小于朗肯理论值，随深度呈“r ”形分布， 当变形小于5 1 - 1 时，被动土压力仍能得到充分发挥，与传统的土压力理论相矛盾。 何颐华等( 1 9 9 7 ) 【l 町通过模型试验和实际工程测试，发现粘性土上护坡桩水平 位移与土体变形不协调，桩土之间产生从地面向下延伸的裂缝，桩上部土压力小 于主动土压力，从而使土压力作用点下移，作用点下移会使桩的内力减小。 刘晓立等( 1 9 9 9 ) u g l 通过一个大型室内模型试验，探讨悬臂板桩和单锚板桩两 种工况在砂性填土中随不同的挖土深度，土压力的强度和分布规律，试验结果表 明：对于悬臂式模型板桩，在主动侧，上部土压力随着被动侧挖砂深度的增加逐 渐趋近朗肯主动土压力，但挖砂深度达到一定深度( 9 0 c m ) 后，挖砂面以下主动侧 土压力减至小于朗肯主动土压力而接近一个常量：在被动侧，其上部土压力接近 朗肯土压力，而下部则远小于朗肯被动土压力。对于单锚式模型板桩，板后主动 侧土压力随开挖面深度增加，最终会出现上部区域( 拉锚附近) 土压力值大于朗肯 主动土压力值，下部区域土压力值小于朗肯主动土压力值；板前被动区的土压力 亦不同于朗肯被动土压力，其分布形态仍为上大下小，与悬臂板实测情况相同， 被动区土体仅是一部分达到被动状态。 张续萱，魏殿兴( 1 9 9 4 ) 【2 0 j 通过对几座锚定板挡土墙测试数据的总结认为：锚 定板挡土墙的土压力实测值大于库仑主动土压力，增大幅值为1 1 0 1 3 7 ：实测 土压力沿墙高的分布接近抛物线形，而不是通常所说的三角形；在不考虑列车荷 载的情况下，将恒载所产生的水平土压力按图1 - 7 进行计算。其中， 博士学位论文第一章绪论 唧= 气笋- ，e 为库仑土压力系数，为墙高，为增大系数。 围1 7 锚定板挡墙土压力包络图 叶晓明( 1 9 9 9 ) 2 1 j 根据卸荷拱理论推导了柱板墙挡土板上的土压力计算公式， 计算结果表明：作用在挡土板上的土压力并不随埋深线性增长。周世良，陆春华 ( 2 0 0 4 ) 田j 采用三维有限元的方法对柱板墙后挡土板上的土压力进行分析表明，1 ) 有限元计算表明，柱板式挡土墙面板后土压力分布受立柱的影响较大。土压力沿 墙高分布与经典土压力理论得出的分布规律有较大差别，而接近一抛物线。土压 力在约1 2 墙高以上随覆土深度增加较快，数值略大于库仑公式计算值；1 2 墙高 以下随覆土深度增加越来越不明显，数值也较规范公式计算值小得多，在挡墙底 部土压力反而有所减小。距墙顶不同高度处，沿水平方向，跨中土压力最大，往 两侧逐渐减小。土压力最大值约为按库仑公式得到的最大值的6 0 9 6 。 张金民，曾进群( 2 0 0 2 ) 2 3 】采用室内模型试验的方法定性地分析了挡板上土 压力分布规律，并将其与经典土压力理论计算结果作对比，分析结果表明：沿高 度方向，最大土压力出现于距填土表面1 3 高度处，由此往下土压力值几乎不再 增大，沿水平方向，跨中土压力最大，往两边依次减小，在靠近支座处受土拱拱 脚影响有所增大，而非均匀分布；从土压力数值大小来看，挡板跨中最大土压力 仅有按经典土压力理论计算值的1 2 - 1 3 ，这主要是由于土拱的作用，把大多数 土压力传到锚桩上，挡板只承受卸荷拱内土体的侧向土压力。 何昌荣，陈群，富海鹰，等( 2 0 0 0 ) i n ，垌，富海鹰，何昌荣( 2 0 0 5 ) 5 5 】通 过对现场的锚索桩板墙进行实测、二维与三维有限元分析指出：受上下排锚索张 拉、原地面摩阻力约束及排桩板限位作用的影响，实测的土压力值介于朗肯主动 土压力和j a k y 静止土压力之间，而且接近地面段土压力迅速减小。经综合分析， 提出锚拉式桩板墙土压力的改进计算公式，即桩上部为一三角形，下部为一倒梯 形，用公式表述如下： i ，唬，( 乞= 1 3 一1 4 乞) ，o 吃)，。 i ，玩( o 2 2 + 0 2 0 x ) ，o 吃) 式中艺为改进的土压力系数；：为研究点以上填土厚度( 单位：) ；屯为朗肯主动 6 博士学位论文第一章绪论 土压力系数；x 为研究点距地面的高度( 单位：) 。 从以上国内外有关柔性挡土墙的土压力分析中可以看出，目前对柔性挡土墙 的土压力的研究远没有刚性挡土墙系统，还有许多亟待解决的问题。现有的柔性 挡土墙的土压力研究成果大部分是基于基坑工程而得到的，在山区公路中修建柔 性挡土墙，虽然其作用形式与基坑工程有许多相似之处，但由于受边坡压力及交 通荷载的影响其作用形式更加复杂，需要更加系统地进行研究。 1 2 2 极限抗拔力国内外研究现状 常用的锚杆、锚索结构，是通过在稳定岩土层内钻孔后用水泥浆或水泥砂浆 将钢筋或钢绞线等形成的杆体与岩土层粘结一起而形成的拉结结构。用该方法加 固边坡或回填区，不仅能提供足够的抗滑力，且能提高潜在滑移面上的抗剪强度， 有效地阻止坡体滑移，远优于被动型支挡结构。但如何确定抗拉结构的抗拔承载 力仍是一难题，目前多依赖经验公式及相应参数进行估算，导致所设计的锚杆挡 墙结构或保守或偏于不安全。 目前对极限抗拔力研究计算的重点主要有两个方面：第一个是如何合理确定 破裂面的形状，另一个就是如何选用合理的强度准则。 在确定破裂面形状方面，国内外许多学者专家通过室内实验得出了许多丰有 意义的成果。最早的是m a j e r ( 1 9 5 5 ) 的圆柱形破裂面假设，接着m o r s ( 1 9 5 9 ) 提出 了众所周知的圆锥形破裂面假设。然而人们通过实验发现，这两种破裂面都得不 到合理的结果，t u m e r ( 1 9 6 2 ) 后来指出，m o r s 的圆锥形破裂面在浅埋锚固体中得 出的结果较为保守，而在深埋锚定板中则会得出完全相反的结论。后来又有学者 把破裂面假定为一圆弧面，但随后m a c d o n a l d ( 1 9 6 3 ) 通过实验指出，锚固体浅层 部分的破裂面不是一圆弧，而是一类似对数螺线的曲面，在锚固体的深层部分， 其破裂面则与锚固体的直径基本相等。m a r i u p o l s k i i ( 1 9 6 5 ) 也通过实验得出相同 的结论。k h a d i l k a re t a l ( 1 9 7 1 ) 通过实验指出，其实对数螺线曲面几乎可以近似 为一个圆锥曲面，这样就可以将计算简化。 i ci l a m p a r u t h i ，k m u t h u k r i s h n a i a h ( 1 9 9 9 ) 2 6 1 在密砂中分浅埋与深埋锚固体 进行室内模型试验，指出：破裂面的形状随锚固体埋置的深浅而有所不同。当 锚固体埋深小于某一临界深度时，为浅埋锚固体，其破裂面形状为一近似平面的 圆弧面：破裂面与锚索轴线的夹角与岩土体的密度、锚固体形状无关，大小为 妒2 土2 。：当锚固体埋深大于某一临界深度时，为深埋锚固体，在临界深度以 上的破裂面形状与浅埋锚固体基本相同，破裂面与锚索轴线的夹角为0 8 伊，与岩 土体的密度也无关；而在临界深度以下则存在“隧道效应”，即锚固体沿锚孔滑 移，其破裂面形状与锚孔形状一致。 在强度准则的应用方面，摩尔库仑强度准则由于其简单方便而在岩土工程中 得到了最广泛应用。近年来，非线性强度准则由于能够考虑应力与应变之间的非 7 博士学位论文第一章绪论 线性关系，更加接近于材料的自然破坏属性而得到广泛应用。其中，在岩土工程 中，h o c k - b r o w n 准则能够较全面地考虑岩体类型，风化程度以及与岩石质量评 价指标如r m r 、g s i 等存在关联，因而在岩土工程界得到广泛应用。以上两种 强度准则都只能考虑岩土体的二维受力状态，因此，其应用受到一定的限制。我 国学者俞茂宏教授提出的统一强度准则田】贝q 可以针对各种材料的不同特点用一 个统一的强度准则加以概括，并且考虑了材料的三向受力状态，因而在岩土工程 界己逐渐引起了人们的重视。 2 0 0 0 年，a s e r r a n o 。c o l a l l a l 2 9 】分浅埋与深埋两种情况，根据岩石的质量 指标确定破裂面形状，然后利用h o c k - b r o w n 准则对岩石锚杆的极限抗拔力进行了 计算。 何思明等人( 2 0 0 3 ) 2 9 1 也运用该准则，并假定锚索达到极限承载力能力时的破 坏面方程，运用极值原理提出了锚索的极限抗拔力理论计算方法。 邹金锋等( 2 0 0 6 ) 【3 0 采用非线性的摩尔库仑准则，根据假定的破裂面方程，采 用非线性规划的方法对锚索的极限抗拔力进行了计算，得出了较为合理的结果。 以上等人的计算方法对破裂面的形状考虑得过于复杂，且计算参数的选取也 比较困难，加上求解过程较烦，甚至出现无解的状况，因此在实践过程中应用价 值不大。 另外，还有许多学者以实测数据为基础，对锚杆锚索的极限承载力进行推测 计算。如： 张天翔( 2 0 0 3 ) 】对锚杆挡土墙中锚杆的抗拔承载力实测抗拔力曲线进行了 分析，提出用调整双曲线模型对锚杆的极限承载力进行趋势预测。 赵明华，张天翔，邹新军( 2 0 0 3 ) 3 2 1 根据现场的拉拔试验得出的q - s 曲线预测 支挡结构中的锚杆的极限抗拔力，具有很强的实用价值。 许明【3 ”( 2 0 0 2 、2 0 0 3 ) 等提出了基于岩石声波测试的神经网络预测及灰色系 统对极限抗菌素拔力进行预测。 张洁( 2 0 0 5 ) 3 5 1 假设锚杆破坏时的弹塑性阶段，提出了锚杆荷载传递的双折线 模型，然后以实测资料为基础，对曲线进行拟合，推导出了锚杆极限承载力的理 论计算公式。 以上方法必须取得该地类似工程锚杆锚索实测资料的基础上才能进行计算， 在实测资料缺乏的地区，其使用也受到一定的限制。 1 2 3 支挡结构中锚杆、锚索布置间距研究状况 支挡结构中锚杆、锚索布置间距是一个非常重要的参数。在加固设计中如果 布置间距过大，有可能超出锚杆、锚索的承载能力与承载区间，从而使加固结构 的整体承载性能降低，而如果锚杆与锚索的布置间距过小，不但直接造成经济浪 8 博士学位论文第一章绪论 费，而且在对锚杆与锚索施加预应力以及其自承载的过程中，杆体之间可能相互 影响引起局部松动，由此也可能导致结构承载性能的降低。所以，合理的布置间 距是预应力锚杆、锚索得以充分发挥其承载性能的前提。但是，对于预应力锚杆、 锚索布置间距的研究方面的相关资料相当少，现将现有的一些研究成果陈述如 下： 张友葩( 2 0 0 3 ) 1 3 6 利用改进的神经网络和现场的试验数据对预应力锚杆的布 置间距进行了研究，得出了1 8 0 k n 拉拔载荷下，预应力锚杆的应力传递区间。 娄国充【y 7 】等利用数值模拟的方法进行了研究，认为：( 1 ) 锚固体的轴力、剪 应力、位移分布不均匀，都有集中的现象，且沿轴向衰减很快，主要集中在锚固 外端；横向主要集中在锚索和灌浆体中，并在周围岩体内迅速衰减。因此，注浆 体的强度对锚索的锚固效果起关键作用。( 2 ) 锚固体的破坏锥受剪应力控制，锚 索间距的布置原则应以考虑剪应力为主。 唐树名p 8 】等采用室内模型试验对群锚效应及锚索的间距进行了研究，得出了 以下的一些有益结论：( 1 ) 群锚的间距越小，则均质岩体在相应荷载下的位移值 越大，均质岩体中的裂纹开展区域范围有所增大，破坏时表现出较明显的征兆及 相对不太明显的脆性。( 2 ) 预应力锚索群锚对边坡均质岩体强度的贡献以及对变 形的约束并不等于所有单锚作用的简单相加，而与锚的布置间距是相关的，即群 锚效应是存在于边坡均质岩体中的。 。 黄福德1 3 9 通过现场试验、室内试验和数值计算的综合研究，发现了群锚增稳 的机理依据，增效效应加锚法，提出了广义预锚参数选择的系统论新方法，定义 了表层岩体新增围压下形成的不连续不均匀分布的“岩壳效应”压应力场的机理 标准。群锚加固岩体的效应反映了岩体与锚索体联合工作的新的混合材料特性， 通过岩体产生的压密，应依据不同的破坏机制，制定相应的加锚标准，以保证对 损伤岩体的补强，使预应力转化为表层岩体的压应力储备，达到新的动态平衡。 戴运祥等【帅l 以m i n d l i n 解为基础，通过对软土层中斜锚索群锚的线弹性分析， 研究了锚索长度、间距、变形模量以及入土深度等因素对群锚效应的影响，得出 了如下结论：( 1 ) 群锚的线性分析在荷载不大时，基本上能较为准确地描述土锚的 工作特性；( 2 ) 锚索的长度、间距、变形模量、入土深度、数量以及所受荷载大 小等都是影响群锚效应的因素；( 3 ) 增加锚索长度、孔径、入土深度能减少锚索 的变位。 何思明】将预应力锚索体系分解成两个子系统分别加以研究：其一是下伏稳 定岩体，其二是各预应力锚索锚固段，将各子系统离散化并假设各微段上作用有 均匀分布的侧阻力荷载；然后对各子系统分别进行分析。其中锚定岩体部分根据 m i n d l i n 应力解【4 2 】，计算各微段在均匀分布侧阻力荷载作用下任意点处的应力分 9 博士学位论文第一章绪论 布，采用应力叠加原理来考虑各部分岩体侧阻力荷载的相互影响，并根据修正分 层总和法计算任意点处的变形量；而锚索各锚固段在侧阻力及外加预应力荷载作 用下的变形量则根据锚索荷载传递特性按常规杆系结构计算。最后由预应力群锚 中各锚索锚固段与相邻岩体之间荷载变位协调关系至立联立方程组，并采用迭代 法求解，建立相应的迭代格式，从而能最终获得问题的解答。 以上学者关于锚杆、锚索布置间距的研究涉及到了数值计算、现场实验、模 型试验和理论推导等方法，为锚索的间距布置研究提供了一些思路。但山区公路 的锚杆与锚索存在自身的一些特点，如吨位较小、填料处可压缩性较大，因此， 不但要考虑锚固段的相互影响，而且要考虑自由段拉力对表层岩土体的综合影 响。同时，由于锚索较短，锚固的岩层较软，锚固力也相对较小，因此必须合理 考虑摩阻力对计算结果综合影响。此外，轻型支挡结构中锚索锚杆间距的布置与 桩和立柱的布置息息相关。因此，其结构中锚杆锚索间距的布置更值得进一步深 化研究。 1 2 4 动荷载对轻型挡墙影响研究现状 1 2 4 1 国外研究状况 关于挡土墙动载下失稳的研究起源于地震土压力的计算，前苏联的罗米谢教 授 4 3 】于1 9 3 1