（岩土工程专业论文）锚杆加固机理研究及其在边坡工程中的应用.pdf

论文题目：锚杆加固机理研究及其在边坡m 程中的应用 专业：岩土工程 硕士生：徐学文 ( 签名) 幺氢塑。 指导老师：谷拴成 ( 签名专馘 摘要 本文在查阅大量文献资料的基础上，通过理论分析、实验室试验和数值模拟计算等 手段对锚杆的加固机理及其应用进行了初步的研究，主要取得了以下一些成果： ( 1 1 从研究岩土锚杆的工作特性入手，根据锚杆的受力特征，求出了拉力集中型、拉 力分散型、压力集中型和压力分散型等各类型预应力锚索锚固段应力分布的理论解，并 对它们的分布特征进行了对比分析。 ( 2 1 系统地分析了影响锚杆加固效果的各种因素，给出了锚固长度的理论计算公式， 对全长锚固和端部锚固两种主要锚固方式的加固效果做了理论分析并进行比较。 f 3 ) 综合边坡的地质特征和破坏特征对边坡进行了分类，针对不同类型的边坡，提出 了不同的加固方法。针对陕西省延安市王良寺经济适用窑小区大型滑坡治理工程的具体 实例，考虑到边坡类型、经济情况和施工方便等因素，本文提出主要用预应力锚索加固 该边坡的方案。文中首先运用极限平衡法计算得出了设计边坡的最危险滑移面，然后给 出预应力锚索加固边坡的整体设计方案，最后运用有限元强度折减法对边坡稳定性进行 分析，分析结果显示，随着土体抗剪强度值的降低，边坡的塑性区从坡底沿着滑动面不 断地向坡顶延伸，边坡最危险滑移面和先前由极限平衡法计算得到的滑移面相似。经过 对土体强度参数多次折减的计算，确定设计边坡的安全系数为1 3 5 ，符合规范的要求， 说明设计方案是合理的。 关键词：锚杆加固机理边坡工程稳定性分析有限元法 研究类型：应用研究 s u b j e e t ：s t u d yo nm e c h a n i s mo f b o l tr e i n f o r c e m e n ta n di t s a p p l i c a t i o nt os l o p ep r o j e c t s p e c i a l t y ：g e o t e c h n i q u e n a m e：x u x u e w e n ( s i g n a t u 阳) 整出么 i n s t r u c t o r ：g us h u a n c h e n g ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t b a s e do nai o to f d o c u m e n t s ，t h et h e s i sa c q u i r e ss o m ea c h i e v e m e n t sb yt h ew a yo f t h e o r y a n a l y s i s 1 a b o r a t o r yt e s ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o na sf o l l o w s ： ( 1 ) b e g i n n i n gw i t ht h ea n a l y s i so fb o l tw o r k i n ga n dm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c ，t h i st h e s i s o b t a i n st h et h e o r e t i c a ls t r e s s d i s t r i b u t i o ns o l u t i o no fp u l l i n gf o r c ei n t e n s i v ea n dd i s p e r s i v e s t y l ep r e s t r e s s e d - a n c h o r , p r e s s u r ef o r c ei n t e n s i v ea n dd i s p e r s i v es t y l ep r e s t r e s s e d a n c h o r , t h e n t h ec o m p a r i s o na n a l y s i so f d i f f e r e n td i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i ci sd o n e ( 2 ) t h ei n f l u e n c ef a c t o ro fb o l tr e i n f o r c e m e n t a le 仃e c ti ss y s t e m a t i c a l l yr e s e a r c h e d a n da t h e o r e t i c a lf o r m u l ao fc a l c u l a t i n gt h eb o l t c o n s o l i d a t i o nl e n g t hi sp r e s e n t e di nt h i st h e s i s f o r c e dm e c h a n i s mo fb o l ti nt h ed i f f e r e n tw o r k i n gc i r c u m s t a n c e i nt e r m so fp o i n t a n c h o r a g e a n df u l l y - a n c h o r a g e ，t h ec o n s o l i d a t i o ne f f e c ti sc o m p a r e da n da n a l y z e d ( 3 ) a b o n tt h ew a n g l i a n g s h ie c o n o m i c a lk i l na r e o l al a n d s l i d ep r o j e c t ，c o n s i d e r a t i o no ft h e s l o p et y p ea n dc o n s t r u c t i o nc o n v e n i e n c e ，t h i st h e s i sp r e s e n t st h ec o n s o l i d a t i o ns c h e m eo f u s i n gp r e s t r e s s e d - a n c h o r t h em o s td a n g e r o u ss l i p p i n gf a c ei sc a l c u l a t e db yt h el i m i tb a l a n c e m e t h o d ，a n dt h ed e s i g ns c h e m eo fp r e s t r e s s e d a n c h o rr e i n f o r c e m e n ti sp r e s e n t e d n l es t a b i l i t y f a c t o ro fc o n s o l i d a t e ds l o p ei sc a l c u l a t e db yt h ef e ms t r e n g t hr e d u c t i o nm e t h o d t h e 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 es l o p ep l a s t i ca r e aa l o n gt h es l i p p i n gf a c eu n i n t e r r u p t e d e x p a n d i n gt ot o po fs l o p eb yt h er e d u c t i o no fs o i ls t r e n g t hp a r a m e t e r s ，a n dt h em o s td a n g e r o u s s l i p p i n gf a c ec a l c u l a t e db ys t r e n g t hr e d u c t i o nm e t h o di ss i m i l a rt ot h er e s u l tc a l c u l a t e db yl i m i t b a l a n c em e t h o d t h es l o p es t a b i l i t yf a c t o ri sd e f i n e da s1 3 5a f t e rm a n yt i m e sc a l c u l a t i o n a c c o r d i n gt ot h es p e c i f i c a t i o no fn a t i o n a ls t a n d a r d ，t h er e s u l to fc a l e u l a t i o ns h o w st h a tt h e d e s i g ns c h e m ei ss c i e n t i f i ca n dr e a s o n a b l e k e yw o r d s ：b o l t c o n s o l i d a t i o nm e c h a n i s m s l o p ep r o j e c ta n a l y s i so fs t a b i l i t y f i i l i t ee l e m e n tm e t h o d t h e s i st y p e ：a p p l i c a t i o ns t u d y 西要料技大攀 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 做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：乏盏锨日期：跏砷，6 、6 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：乏每教 指导教师签名：、穆杉j j f 指导教师签名：膨才z 喇 z ，“年月日 1 1 概述 1 绪论 岩土工程中的锚固技术是应用锚杆或锚索对岩土体进行加固，可充分地发挥岩土 体自身稳定能力，是一种对原岩扰动小、施土速度快、安全可靠以及经济有效的加固手 段，在水利水电、铁路交通、城市建设、地下土程、国防建设和采矿工程等行业中得到 了广泛的应用，并获得巨大的成功，取得了良好的经济和社会效益。锚固技术的发展和 应用是现代岩土土程的一个重要标志，目前锚固技术的发展正处于方兴末艾的时期，锚 固理论的深入探讨和研究，对推动岩土工程领域的发展有着极其重要的意义【”。 岩土工程中所使用的锚杆是一种安设在岩土层中深部的受力杆件，它的一端与工程 建筑物相连，另一端锚固在岩土层中，必要时对其施加预应力，以承受土压力、水压力 或风载荷所产生的拉力，用以有效地承受结构载荷，防止结构变形，从而维护结构建筑 物的稳定 2 1 。 工程上所使用的锚杆，通常是对受拉杆件所处的锚固系统的总称，它包含锚杆、锚 管、锚索。锚杆一般由锚头( 或称外锚头) 、拉杆及锚固体( 或称内锚头) 三个基本部 分组成，如图1 1 所示。 幽1 1 锚杆结构不意图 ( 1 ) 锚头锚头是构筑物与拉杆的连接部分。它的功能是将来自构筑物的力有效地 传给拉杆。通常拉杆是沿水平线向下倾斜方向设置，因此与作用在构筑物上的侧向土压 力不在同一方向上，为能牢固地将来自结构物的力传给拉杆，一方面必须保证构件本身 的材料有足够的强度，相互的构件能紧密固定，另一方面又必须将集中力分散开。锚头 一般由台座、承压板和紧固器等部件组成。 ( 2 ) 拉杆锚杆中的拉杆要求位于锚杆装置中的中心线上，其作用是将来自锚头的位 西安科技大学硕士学位论文 力传递给锚固体。由于拉杆通常要承受一定的荷载，所以它一般采用抗拉强度较高的钢 材制成。 ( 3 ) 锚固体锚固体在锚杆的尾部，与岩体紧密相连。它的作用是将来自拉杆的力通 过摩阻力( 或支撑抵抗力) 传递给稳固的地层。 1 2 锚杆加固机理研究的发展及其理论观点 随着锚杆支护技术的广泛运用以及岩土的复杂性、应力环境的多变性，广大学者和 工程师们开始了对锚杆支护理论进行了不断的研究，对锚杆的作用机理进行了深入广泛 的分析，提出了许多锚杆支护设计方法。 1 2 1 地下工程中的锚杆支护 ( 1 ) 地下工程锚杆支护的研究历史与现状 自1 9 1 2 年德国谢列兹矿最先采用锚杆支护井下巷道以来，锚杆支护已经成为地下工 程常用的一种新型支护技术。早在2 0 世纪5 0 年代，l o u i sp a n e k 、j a c o b i o 、 t lv r a b c e w i c z 和t a l a n g 等人相继提出了悬吊、组合梁和组合拱理论，极大的促进 了锚杆支护技术在地下工程中的推广应用【3 j 【4 j 。 在锚杆作用机制的研究中，许多学者利用各种力学理论进行了分析。在推导过程中， g u n n a rw i g k ( s w e d e n ，1 9 7 8 年) 应用弹性理论中的m i n d l i n 解分析了预应力锚杆的加固机 理；a p s s e l v a d u r a i ( c a n e d ，1 9 7 9 年) 和h s t i l l e ( s w e d e n ，1 9 8 9 年) 等分别运用了弹塑 性理论加研究了锚杆的加固机理，他们根据弹塑性边界处岩石应力应变相等的条件研究 了锚杆对岩石的加固作用。s s p e n r e 和l b g e o r i ( u s a 1 9 9 5 年) 提出软岩巷道锚杆支 护的设计方法，认为软岩矩形巷道顶板有3 种破坏形式，采用边界元法研究了3 种破坏 形式的主要影响因素，并对锚杆的作用进行了分析。p p o r e s t e ( o s a 1 9 9 6 年) 对锚固 机理提出了复合材料力学理论。孙学毅于1 9 8 4 年提出全长锚固无托板锚杆的力学模型， 根据7 0 年代我国对砂浆锚杆轴向力丰富的实测资料，提出了砂浆锚杆的力学模型，该模 型1 9 8 5 年在国际锚杆支护会议交流后，被国内外学者广泛引用。我校的刘怀恒教授在国 内最早开发出了平面有限元计算机程序应用于锚杆加固技术的研究，王芝银、李云鹏等 人运用位移反分析方法也深入研究过锚杆加固岩土的内在机制。中国矿大董方庭，宋宏 伟等1 9 8 7 年提出了松动圈支护理论，指出锚杆支护主要在于确定各种经典锚杆支护作用 理论的适用条件和范围，可操作性极强。中科院武汉岩土所的张玉军( 1 9 9 4 年) 利用各 向异性弹性力学理论和山东科技大学的徐恩虎( 1 9 9 9 年) 利用复合材料力学分别对岩土 锚固机理进行了研究。众多专家学者和研究单位还通过现场测试、模型实验和数值模拟 等方法对锚杆支护的作用机制进行了广泛而深入地研究。得出了许多有意义的结论，促 进了锚杆在我国的推广应用。在锚杆支护参数的设计方面，除了可以利用许多力学理论 2 1 绪论 以外，在工程实践中主要采用经验类比法、工程类比法、以及现场监测法。随着锚杆支 护技术的发展，也出现了许多新的锚杆支护理论，北京科技大学的高谦( 1 9 9 7 年) 提出 了可靠度分析方法。太原理工大学的韩凤山( 1 9 9 8 年) 利用了神经网络方法：淮南工业 大学的孟祥瑞提出了专家决策支持系统。 在分析锚杆作用机制的模型实验中重点研究了锚杆加固对岩体弹性模量、内聚力、 内摩擦角和岩体破坏强度的改善作用以及对岩体的破坏形式的影响。锚杆加固作用的各 种解析研究方法都以圆形硐室为主要研究对象，为了便于数学推导，只考虑了平面应变 状态和轴对称情况。解析法将锚固区和锚固区以外的围岩分开考虑，锚固区可视为各向 同性的弹性体或横观各向同性弹性体加以考虑。随着数值模拟方法的不断发展，有限差 分法、有限元法、反分析法、离散元法、边界元法和界面元法都被采用来分析岩体中锚 杆的作用机制。为了能够在各种数值方法中模拟锚杆，分别提出了各自的锚杆模型。在 有限元法中，就先后出现过杆单元、梁单元、柱单元等形式。但是在锚杆数目很多的情 况下，采用锚杆模型对它们一一进行模拟是不可能的，于是就有人用修正的岩体应力应 变模型来反映锚杆的作用，以代替难以实现的将锚杆离散为若干单元体的分析方法【5 i 。 ( 2 ) 地下工程锚杆支护设计的一些基本观点 地下工程中锚杆支护设计总体上要求是技术上可靠、经济上合理。为此，在具体的 工程设计与施工中有一些公认的观点： 在工程选址、设计和施工过程中采取各种方法确保岩体不出现有害松动。 合理有效地调节控制岩体变形，使其在不进入有害松动的情况下适度发展，以便 最大限度的发挥岩体自撑能力和锚杆承载能力。 在设计施工中要把锚杆和岩体视为统一整体，充分发挥锚杆和岩体的共同作用。 借助现场实验和监测手段，确定岩体类别等级，取得有关岩体力学参数，以便指 导设计和施工。 在不同地质构造、岩体类别和力学性质条件下，采用不同的计算和设计方法选择 不同的支护方式。 地质勘察、设计、施工和监测相结合，不断调整设计参数，使结构形式更加符合 工程实际。 ( 3 ) 地下工程锚杆支护设计理论【6 】 地下工程锚杆支护的设计理论发展至今，归纳起来有l o u i sap a n e k 、 t l v r a b c e w i c z 和t a l a n g 为代表的支撑理论，以美国p p o r e s t e 为代表的加固理论、 以南非的m d s a l a z m o n 为代表的能量学观点，以中科院地质研究所王思敬为代表的突 破点理论。 支撑理论 危石挂吊、软弱层悬吊、组合拱作用以及松动圈支护理论都属于支撑理论的范畴。 西安科技大学硕士学位论文 支撑理论建立在地面结构力学的基础之上，危石、软弱层和围岩松动因用锚杆悬吊在稳 定、未松动的岩层上，锚杆把岩层锚固成组合梁或组合拱以支撑松散岩石。 a ) 锚杆的悬吊作用 悬吊理论成立的前提是必须要有稳固岩石。锚杆将下部不稳定的岩层悬吊在上部稳 定的岩层上，阻止岩石或岩块的跨落。锚杆所受的拉力来自被悬吊的岩石重量。 b ) 锚杆的减跨作用 把不稳定的岩层看成是支撑在洞室两帮的叠合梁，由于可视悬吊在稳定岩层上的锚 杆为支点，安设锚杆就相当于增加了支点，减少了岩层跨度，使岩层的弯盐应力和挠度 得到了降低，维持了岩层的稳定，它实际上仍然来源于锚杆的悬吊作用。 c ) 锚杆的组合梁作用 在没有稳固岩层提供悬吊支点的薄层状岩层中可利用锚杆的拉力将各层岩石组合 起来，形成组合梁结构。通过锚杆的预拉力将层状岩石挤紧，增大岩层的摩擦力，锚杆 本身也能提供一定的抗剪能力，阻止岩层的滑动。锚固岩被看成组合梁，全部的锚固层 能共同变形，岩层的抗弯刚度大大增加，岩层抗拉伸、抗离层和抗剪切破坏能力大大增 强。 d ) 锚杆的组合拱作用 由于锚杆的挤压作用，使岩层形成一定厚度的锚固层。随着围岩的变形，锚固层将 进一步形成能承受地压的“压力拱”。锚杆支护的压力拱效应使锚固范围内的岩体变形 达到了同步，形成既能承受地压又能整体移动、具有一定厚度和强度的承载层，有效的 阻止了组合拱外围的变形和塑性区的扩展，使得拱外围岩塑性承载。 e ) n 岩松动圈锚杆支护作用 围岩松动圈锚杆支护理论是基于客观实际而提出来的，即大量的地下工程都是在围 岩破坏的产生和发展过程中支护的。松动圈厚度取决于围岩的应力和强度。锚杆支护的 主要对象是围岩松动圈产生、发展过程中的碎胀变形力，锚杆受拉主要是围岩松动圈的 产生和发展而引起的。锚杆锚固端在松动圈以外的未松动岩体中，但不一定要锚固在坚 硬岩层中。 加固理论 加固理论的基础是岩体工程地质力学。岩体无论其软硬程度、强度大小和岩体块度， 都有一定的强度。只要适当加固和重点加固，危岩块体群都可以稳定，这是加固理论的 根据。 加固理论认为锚杆加固的实质是改变了围岩的受力状况，增加了围压，提高了岩石 的力学参数。改善了被锚固岩体的力学性能。锚杆预紧力使锚杆作用范围内的岩体产生 压应力，增加岩体间节理裂隙的摩擦力，改善压缩岩体的应力状态。巷道围岩存在着破 碎区、塑性区、弹性区，锚固区域内岩体的峰值强度或峰后强度、残余强度都能得到强 4 l 绪论 化，从而提高了岩体强度和自身的承载能力。锚杆加固能较好的控制围岩破碎区、塑性 区的发展、阻止围岩变形，从而有利于保持围岩的稳定性。 能量学观点 能量学理论以能量守恒定律和能量相互转化为理论基础，认为锚杆和岩体一起相互 作用、共同工作。锚杆吸收围岩的一部分能量，又释放吸收不完的能量，总能量保持不 变。故锚杆与围岩具有能量自动补偿作用。 突破点理论 在正常情况下，岩体在破坏之前，总是从一处或几处开始破坏作为突破点，这个突 破点又使得相邻岩体产生新的突破点。可能导致另一些部位的破坏，发展到一定程度将 引起整体失稳。而锚杆支护可以利用自身的优点，使岩体充分发挥支撑作用，以消除突 破点或及时控制破坏过程，使其较快地向稳定状态转化。 1 2 2 边坡工程中的锚杆支护 ( 1 ) 边坡工程中锚杆支护的研究历史与现状1 7 j 地下工程中的开挖面比较小，锚杆的支护作用比较明显，因而锚杆支护技术在地下 工程中得到了广泛的应用，锚杆在地下工程中的支护机理研究也就比较系统而深入。边 坡工程锚杆支护的发展历史虽然很长，但与地下工程相比，发展要缓慢得多，理论也很 不完善。目前而言，国内外很多学者都侧重于研究加锚节理岩体的模拟计算方法。英国 的p a n d e 等人侧重研究了加锚节理岩体的模拟计算方法；e g g e r 对加锚岩体的力学性质作 过大量的实验研究；马来西亚的l p y a p 在1 9 8 4 年利用有限单元法分析了在拉拔力作用 下岩体注浆锚杆的荷载传递机理，并且指出了锚杆侧剪应力的均匀分布假设是错误的。 印度的k g s h a r m a ( 1 9 8 8 年) 采用等效介质的方法应用粘弹塑性理论分析了锚杆在岩质 边坡中的加固机理。韩国的t f c h o ( 1 9 9 3 年) 提出了与节理单元配合使用的二维锚杆离 散模型。加拿大的b b e n m o k r a n ( 1 9 9 5 年) 利用室内模型实验分析了锚杆的抗拔机理；瑞 典的c l i ( 1 9 9 9 年) 针对锚杆安装在均匀变形岩体中、受拉拔力作用和节理的张开作用 三种情况，分别提出了相应的锚杆分析模型，并探讨了锚杆在三种情况下的应力分布和 变形特点。g a r g e v k ( 1 9 9 1 年) 对节理岩体的锚杆提出了大变形的有限元分析方法；我 国浙江大学的杨延毅、中科院武汉岩土研究所的朱维申、李术才从断裂力学的角度分析 了锚杆对裂隙岩体的加固机制。宋宏伟等于2 0 0 2 年通过数值模拟和新的研究模型研究锚 杆和非连续岩体的相互作用，发现了锚杆在非连续岩块的锚固中受到剪切时，存在锚固 岩块分离的力学现象，称为“导轨作用”，导轨作用的存在，使两岩块分离或出现分离趋 势，这不但没有增加锚固岩块间的相互作用力，而且使相互作用力变小甚至为零，削弱节 理面的抗剪强度，对锚固效果产生负面影响，该发现对传统的锚杆作用提出了质疑。北京 建筑设计总院的程良奎、范景伦等人通过大量的锚杆试验和工程实践，提出了“岩土锚 西安科技大学硕士学位论文 固墙”的新概念。 ( 2 ) 锚杆在边坡工程中的支护机理 综合起来，锚杆在边坡工程中的支护作用主要表现为对节理裂隙岩体等不连续面的 加强效应，归纳起来主要有以下一些作用喁1 0 1 ： 增韧止裂机理。 边坡中的卸荷裂隙随着侧向压应力逐渐解除，并局部进入微拉时，经历张型起裂， 并在断续卸荷的自身平面内由稳定扩展到失稳，岩桥击穿而相互贯通破坏。设置锚杆的 主要作用可看成是对卸荷裂隙提供桥联作用，以阻止或延缓其张裂扩展过程，进而改善 边坡岩体的变形与强度性质。 销钉作用 销钉作用认为锚杆在加固软弱结构面时，凭借杆体自身的抗剪能力阻止结构面的相 对滑动，从而提高了结构面的抗剪强度和粘结力。 剪胀效应机理 当岩体中的粗糙不连续面发生剪切位移时，不连续面的两壁因剪胀而产生扩容，使 得贯穿不连续面的锚杆受拉产生附加的法向应力，并通过不连续面的摩擦效应提供附加 的抗剪强度。 预应力作用 预应力作用能有效的降低或消除岩体中的拉应力和剪应力，使应力集中现象得到缓 解，从而改善了岩体的应力状态，同时，预应力使加固区的节理裂隙闭合，使节理裂隙 的连通率降低，从根本上提同了岩体的抗剪强度。 ( 3 ) 边坡工程中锚杆支护的设计方法 在边坡工程中，锚杆支护常常用于加固不稳定楔形体，并以充分发挥锚杆的抗剪作 用为目的。其设计常采用极限平衡法和静力平衡原则，而静力平筏原则更强调的是不连 续面和锚杆共同承担荷载，为了充分调动不连续面的抗剪强度，允许不连续面有一定的 剪切位移。为了获得锚杆相对于不连续面的最佳安装角，一般对锚杆的安装方向有一定 的要求。 随着有关锚杆支护机理的研究不断深入和现代计算机技术的发展，有限元数值方法 在边坡锚杆设计中得到了广泛的应用，并逐步趋于完善，在有限元法中，又分离散模型 和连续模型两种。在锚杆数量较少、主要地质构造面的产状和力学参数比较清楚的情况 下，可以采用离散模型对所有的锚杆一一进行模拟；当节理裂隙发育、锚杆数量又比较 多时，采用等效连续模型比较适合。 1 3 论文的基本思路、内容与研究方法 通过对国内外岩土锚固机理研究现状的分析，我们可以看出，目前国内外锚固理论 6 1 绪论 的研究主要存在两个问题，一是锚固理论研究严重落后于锚固工程实践，另一个方面是 缺乏对锚固技术较系统的研究。就连现在广为应用的“新奥法”，我国已故的岩土力学 大师陈宗基教授对它有以下评价：“新奥法尽管已获得了成功，然其基础，即物理过程 还需进一步澄清。在开挖复杂的隧道中考虑用喷浆、钢筋网、锚杆和锚注技术往往是有 效的补救措施，有些情况并没有根据基本原理事先进行分析，也获得了成功，然而在其 它条件下却又没有明确的结果。况且有些技术在经济上收效甚微，这就清楚的表明，迄 今还没有完全掌握此法的基本原理。” 本论文结合陕西延安市王良寺经济适用窑小区大型滑坡治理工程的具体实例，运用 理论分析和试验验证相结合的方法将主要研究锚固技术中的下面几个问题： ( 1 ) 对各种类型锚杆沿其锚固段的应力分布规律( 荷载传递机理) 进行初步研究，并 进行对比，以提出一些新的看法。 ( 2 ) 认真分析影响锚杆加固效果的各种因素，对锚固长度等概念提出具体的理论解 答，为锚固工程施工提供一定的指导作用；对全长锚固和端部锚固两种锚固方式的加固 效果在理论分析上做一些探索并进行比较。 ( 3 ) 提出不同类型边坡的治理技术，并详细介绍计算边坡稳定性方面的极限平衡法和 有限元强度折减法的理论。 ( 4 ) 针对延安王良寺边坡治理工程实例，提出具体的整治设计方案，运用大型有限元 通用程序a n s y s 8 0 对该方案的加固效果进行数值模拟，给出边坡加固后的稳定系数。 西安科技大学硕士学位论文 2 锚杆工作状态下应力分布规律的研究 锚杆放置锚固材料中主要是承受拉力，以弥补混凝土抗拉强度的低下和延性的不 足，大部分锚杆使用细长的杆状钢筋、钢管或直径更细、强度更高的钢丝。 锚杆系统的钢筋和锚固材料构成一种组合结构材料的基本条件是二者问有可靠的 粘结和锚固，锚杆系统内钢筋和锚固材料的粘结和梁中钢筋与混凝土的粘结很相似，钢 筋和锚固材料的粘结应力主要由三部分组成： ( 1 ) 混凝土中的水泥凝胶体在钢筋表面产生的化学粘着力或吸附力，其抗剪强度极限 值取决于水泥的性质和钢筋表面的粗糙程度。当钢筋受力变形后，发生局部滑移后，粘 着力就丧失了。 ( 2 ) 周围混凝土对钢筋的摩阻力，当混凝土的粘着力破坏后发挥作用。它取决于混凝 土发生收缩或者荷载和反力等对钢筋的径向应力，以及二者问的摩擦系数等。 ( 3 ) 钢筋表面不平，或螺纹钢筋凸肋和混凝土之间的机械咬合作用，即混凝土对钢筋 表面斜向压力的纵向分力，其极限值受混凝土的抗剪强度控制。 在实际工程中，锚杆可能以下列一种或几种形式发生破坏： ( 1 ) 沿着杆体与注浆体结合处破坏 ( 2 ) 沿着注浆体与岩层结合处破坏 ( 3 ) 地层岩土体破坏 ( 4 ) 杆体( 钢绞线、钢丝、钢筋) 的断裂 ( 5 ) 围绕杆体的注浆体的压碎 ( 6 ) 锚杆群的破坏 这6 种破坏形式其中又以( 1 ) 和( 2 ) 最为经常出现，因而研究锚杆工作情况下具体的 应力分布规律就显得尤为重要。 锚杆在工作状态下的应力分布规律( 荷载传递机理) 研究是岩土锚固技术领域的两大 主要课题之_ 【。目前国内外专家学者对此已经做了大量的工作，但这些工作主要是在 试验或理论分析的基础上给出普通锚杆( 拉力集中型) 的应力分布规律，而针对预应力 锚索、拉力分散型锚杆和压力型锚杆的特殊分析则很少见。 2 1 普通锚杆应力分布规律研究介绍 最具代表性的当属p h i l l i p s 在分析大量试验数据基础上提出的剪应力随锚杆长度分 布形式【1 1 】： r ：。t o e d ( 2 1 ) 2 锚杆工作状态下应力分布规律的研究 式中：r 距锚固体顶端z 处的剪应力； “锚固体顶端处的剪应力： d 锚杆杆体直径； a 锚杆中结合应力与主应力有关的常数。 文献利用m i n d l i n 半空间的位移解，导出了全长粘结式锚杆受拉拔荷载条件下沿 杆长的应力分布弹性解，得到了广泛的引用和认可1 1 3 】【1 4 】： p一! 口2 f ：= - - j t z p 2 ( 2 2 ) l 7 矿 一l ：2 ，= p e 2 f 2 3 ) 式中：f ，距锚固体顶端z 处的剪应力，轴力； p 锚固体顶端处的拉拔力； f r ：! 一 ( 1 + ) ( 3 2 t ) r 2 h ( 导) ，其中为周围岩土体的泊松比，r 为锚杆杆 体的半径，e 为周围岩土体弹性模量，e + 为锚杆杆体的弹性模量。 2 2 预应力锚索应力分布规律研究 与其它锚固工程多采用长度较短的锚杆相比，边坡工程中由于其特殊性一般都是采 用较长的高强预应力锚索。高强预应力锚索一般都较长，锚固段远离岩体的自由表面； 较短的普通锚杆其锚固段比较靠近岩土体的自由表面，基于文献【5 j 思想，把普通锚杆分 为表面锚固型锚杆，预应力锚索为内部锚固型锚杆。则可利用无限体内部一点受集中力 作用的位移解( 即k e l v i n 问题的位移解) ，导出预应力锚索受集中力作用的应力分布规 律，并与文献【5 1 得出的m i n d l i n 解作比较。 设在无限体内一点0 受集中力p 的作用，如图2 1 所示，这个问题称为k e l v i n 问题。 0 1。 心、，。 。| n1 z 图2 1k e l v i n 问题计算简图 9 西安科技大学硕士学位论文 该问题沿z ；6 - 向的位移为1 ： ”f 半+ i 1 + 爿z 2 式中：r 一扛了芦可 ( 2 4 ) f 1 6 r i g 二( 1 + t ) ，和g 分别为岩土体的泊松比和剪切模量。 根据荷载一位移互等定理，在0 点作用力p 产生m 点的位移应等于m 点作用力p 产生 o 点的位移，同时取锚固体中心线与z 轴重合，这时x 刁一0 ，因此，在锚固段任意一点 处z 作用力p 产生的锚固外端点o 的位移为： “= ! 坚些!( 2 5 1 2 ：w e z 假设锚固段从锚固外端点0 开始为半无限长，而锚固段与岩体的变形都处于弹性状 态，两者的变形满足变形协调条件。设锚固段沿z 轴对岩土体产生的剪应力为r ( z ) ，则 r ( z ) 引起外端点0 的位移应等于锚固段的总伸长量： 翳等m 心肛珐( p - 2 9 r a 卜( z 蚴 ( 2 6 ) 式中：n 一锚固体半径； e ，“岩土体的弹性模量和泊松比； 彳锚固体的面积： e 锚固体的综合弹模。 将式( 2 6 ) 两边分别对z 求3 次导数并进行简化，可获得下列二次变系数常微分方程： f ”+ k z r + 2 k r = 0 ( 2 7 ) 将式( 2 7 ) 作如下变换： 将式( 2 8 ) 代入式( 2 7 ) 中，得到标准的韦伯微分方程： 4 1 ”一( 善2 + 3 ) 7 = 0 该微分方程的通解为： 嘞一2 ( c i + c 2 垮e 彳西) 1 0 ( 2 9 ) f 2 1 0 ) 弓 脚芳 2 锚杆工作状态下应力分布规律的研究 将式( 2 1 0 ) 进行逆变换，并注意边界条件，当z 寸m 时，f = o 和f 2 p a r ( z ) 出= p ， i 由此可得到预应力锚索沿锚固段剪应力分布形式为： r ( ：) ：竺朋予1 2 ( 2 1 1 ) 将式( 2 1 1 ) 沿锚固段进行积分，即可得锚固段的轴力分布形式为： 一k ： ( z ) = p e 2 ( 2 1 2 ) 式( 2 1 1 ) 和( 2 1 2 ) 中：f 2 面再三矿( 争，、d 、f 和e 所代表意义同式( 2 6 ) o 与利用m i n d l i n 半空间位移解导出的全长粘结式锚杆受拉拔荷载条件下沿杆长的应 力分布弹性解相比，剪应力和轴力分布表达式具有相同的分布形式，但参数f 不同，说 明两者的受力特征一样，只是锚杆和岩土体的参数对应力分布形式的影响大小不一样。 由于普通锚杆在做实验室试验方面比预应力锚索要方便得多，以后可以在考虑一个修正 系数的情况下利用普通锚杆试验来模拟预应力锚索工作情况。 2 3 拉力分散型锚杆应力分布规律研究 拉力集中型锚杆锚固段所受的剪应力主要分布在锚固端的较小范围内，而且剪应力 有较大的峰值，整个锚固段受力不均，利用率极低，这一特征早为人们所认识，随着科 学技术的发展，特别是无粘结钢绞线的出现，锚固结构出现了很大的转变，从单一拉力 集中型的传统结构发展到拉力分散型、压力型等新型结构。 图2 2 是拉力分散型锚杆的锚固结构示意图。 ，卜_ 百i i 斗1 而磊r 一寸 图2 2 拉力分散型锚杆结构示意图 与拉力集中型锚杆相比，拉力分散型锚杆各锚固段的剪应力分布叠加起来应等于相 同规格的拉力集中型锚杆的剪应力分布。 r ( z ) = 盖卜毛i e x p 一弘l ) 2 】 ( 2 1 3 ) 式中：p l _ 第i 段的锚固力： 西安科技大学硕士学位论文 z r 第i 段的锚固外端与o 点的距离，当0 一z 。) 1 0 0 0n m m 2 ) ，但性质变脆，主 要在预应力混凝土结构中应用。钢丝可单根地或成束地扭结成3 7 股的钢绞线使用( 与 锚夹具配合) 。 ( 3 ) 其它替代材料 从原理上讲，任何一种抗拉强度高的材料都可以替代钢筋用于混凝土结构，工程史 上并不乏先例，例如铸铁和竹材的抗拉强度均超过1 0 0n r a m 2 ，都曾用于实际工程。但 是，前者延性差，后者则因竹质易裂、易腐和弹性模量小等原因，构件性能不理想而未 有发展。 近年出现的多种人造新材料，例如玻璃纤维、碳素纤维和树脂胶等，它们的抗拉强 度极高，可达钢材的4 5 倍，且具有质轻、抗腐蚀等优点，已应用于海洋工程，但目前 这类材料的价格昂贵，弹性模量也低( 约为钢材的1 4 ) ，尚未得到广泛应用。 西安科技大学硕士学位论文 3 2 锚杆结构对锚固效果的影响 作为锚杆的钢筋，在使用的过程中曾用过各种不同的结构，如普通的螺纹钢筋锚杆、 预应力锚杆、缝管式锚杆、中空注浆锚杆和预应力锚索等等。由于其结构的不同，锚杆 的受力方式及受力性能有很大的区别，理所当然，对所加固的岩体就会产生不同的效果。 对无初始变形的锚杆，要使其发挥全部承载能力则要求锚杆头有较大的位移。为了 减少这种位移直至到达结构物所能容许的程度，一般是通过将早期张拉的锚杆固定在结 构物、地面厚板或其他构件上，以对锚杆施加预应力，同时也在结构物和地层中产生应 力，这就是预应力锚杆。 预应力锚杆除能控制结构物的位移外，具有多方面的优点( 表3 1 ) 。锚杆的预应力水 平视工程要求而异，通常是等于或略小于锚杆拉力设计值。 表3 1 预应力锚杆与非预应力锚杆的比较 预应力锚杆非预应力锚杆 1 安装后能及时提供支护抗力，使岩体处于三1 安装后岩土要移动锚杆才能被动地发挥作用 轴应力状态2 控制地层与结构物变形能力差 2 控制地层与结构物变形的能力强3 难于在地层内形成压缩区 3 按一定密度布置锚杆，施加预应力斤能在地4 仅靠杆体自身强度发挥其抗拉抗剪作用 层内形成压缩区，有利于地层稳定5 缺乏检验锚杆施工质量与承载力的有效手 4 预加应力后，能明显提高潜在滑移面或岩石段 软弱结构面的抗剪强度6 施工简单 5 张拉工序能检验锚杆的承载力，质量易保证 6 施工上艺比较复杂 3 3 岩体性质对锚固效果的影响 岩体的力学特性主要取决于岩体结构。不同结构的岩体，不仅具有相差悬殊的物理 力学参数，而且表现出本质不同的力学属性。锚杆的实际工作性能即锚杆的力学特性不 仅取决于锚杆自身的力学参数，同样也取决于围岩的力学特性，软弱破碎围岩的力学特 性对锚杆的力学特性影响更加明显。锚杆的拉拔试验表明：同样的锚杆、锚固剂和锚固 长度，在不同的围岩条件下，抗拔力是不同的，围岩越坚硬、越完整，锚杆的抗拔力越 大，反之，则越小。 文献【2 6 】中通过现场岩锚试验和室内对比试验分析得知：坚硬、力学强度高的岩石如 灰岩、花岗岩等具有较高的粘结强度；而软弱、力学强度较低的岩石如页岩、砂岩等， 在相同的胶结材料时具有较低的粘结强度。完整岩石的抗压强度与粘结强度的关系如图 3 1 所示。我们在许多实际边坡防护工程期间所做的硬岩与风化岩中锚杆的拉拔试验也 1 8 3 影响锚固效果的各种因素分析 证明了这一点。 图3 1 岩锚粘结强度与岩石单轴抗压强度相关曲线 锚杆注浆体与周围岩土体的粘结力取决于岩土体与注浆体的强度、孔壁的粗糙度、 钻孔的清洁度以及注浆体与岩石问的接触面积等。随着锚固长度的增大，所要求的粘结 强度就会按比例降低。 一般认为，可以按岩石无侧限抗压强度的1 0 来粗略估算注浆体与岩石间的极限粘 结力，科克( k o c h ) 认为，软岩、中硬岩和非常坚硬的岩石的设计粘结力可取用0 3 5 0 7 0 m p a ，0 7 1 o m p a 和1 0 5 1 4 1 d p a 。根据澳大利亚的标准，对大多数坚硬岩石， 粘结强度设计值可取用1 0 5 m p a ，同时在硬岩中，岩体与锚固体的粘结强度与岩体中分 布的结构面性质有关，同样，文献【2 7 l 中通过试验也得出了粘结力与结构面性质的相关关 系，如表3 2 和表3 3 所示。 表3 2 裂隙间距对粘结强度的影响系数k t 张开度m m填充物类型k z 值 1 9 西安科技大学硕士学位论文 通过以上相关性分析可知：结构面的发育程度、结合程度对粘结强度的影响尤其显 著。 对于土体中固定的锚杆，注浆体与土体界面上的粘结强度通常大于土体的抗剪强 度。阻止锚杆被拔出的抗力值通常大于根据锚固段周围土体极限剪切应力所计算的量 值。这是因为由于水泥浆的渗透，一方面使实际的锚固体直径大于钻孔直径；另一方面， 由于水泥浆渗透的不均匀性使具有不规则形状的锚固体表面产生一种横向压力，这种压 力可以明显地提高土体中锚杆锚固体上的摩擦力。德国o s t e r m a y e r 已经证实，锚固体 表面的法向应力可到覆盖层所产生应力的2 1 0 倍【6 j 。 3 4 锚固方式对锚固效果的影响 为了使锚杆的拉力传入岩层深处，就必须将锚杆与岩体有效地结合起来，而怎样结 合和如何使其发挥最大作用对锚杆加固而言是十分重要的。一般采用以下三种方法来固 定锚杆【j 。 ( 1 ) 机械固定方式。采用机械方法依靠杆体的特制部件或空心钢管与岩层问的摩擦力 来固定锚杆，这种锚杆一般用于临时工程。 ( 2 ) 胶结料固定方式。用水泥、树脂等胶结料将杆体固定段内杆体与岩土体固结在一 起，依靠杆体与胶结料、胶结料与岩土体间的粘结强度来固定锚杆，必要时对锚杆施加 一定的预应力，以期获得更好的加固效果，这种锚杆最为常见，加固效果也较好。 ( 3 ) 扩张基底固定方式。采用机械或爆炸方式在锚杆孔底端或固定段部位形成扩体， 再用水泥、树脂等胶结料将杆体固定段内杆体与岩土体固结在一起，依靠地层对位于扩 体被拔出的抗力和结合应力一起来加固岩土体，这是一种较为新型的锚固方式，加固能 力比前面两种都强。 3 4 1 机械固定的锚杆 机械固定方法主要适用于岩层中的临时性短锚杆。国内外矿山中应用最早的楔缝式 和胀壳式锚杆是典型的端头式机械固定锚杆【”】。 端头式机械固定式锚杆具有以下特征： ( 1 ) 锚杆固定后立即达到足够强度，能及时提供支护抗力或施加预应力。 ( 2 ) 采用杆体端部固定装置紧贴在长度为1 0 2 0 c m 的钻孔壁上，会在岩层中产生大 的应力，因而对岩层固定点的强度要求很高。 ( 3 ) 当机械式锚杆超载时，在坚硬岩层中会出现底端的滑移；在软弱岩层中则会出现 底端岩层的碎裂现象。 ( 4 ) 这类锚杆通常无防腐措施，其使用寿命是有限的，一般用于临时稳定岩层。 ( 5 ) 力f l l i 艺较复杂，造价较粘结式锚杆高。对钻孔的直径、深度的控制要求较严。 2 0 3 影响锚固效果的各种因素分析 3 4 2 胶结体固定的锚杆 通过胶结料( 水泥浆、合成树脂) 把锚杆杆体和地层粘结起来，是固定锚杆最常用的 方法。这种方法就是沿锚杆的较长部段用胶结料固定在钻孔中，因此岩层和土体的单位 面积负荷较小，这种固定方法要求