（道路与铁道工程专业论文）长锚索短锚杆联合加固高陡边坡作用机理及加固方案优化研究.pdf

摘要 长锚索短锚杆联合加固高陡边坡作用机理及加固方案优化研究 摘要 锚杆和锚索用于加固高边坡在工程中已经有了大量应用，并且取得了很好的效果， 但对锚杆和锚索加固高边坡作用机理的理论研究远落后于工程实践。对锚杆和锚索联合 加固高边坡的作用机理研究更是甚少。本文通过数值模拟，对长锚索短锚杆联合加固高 边坡的作用机理做了较为深入的研究。 本文考虑了4 种地质因素，2 种开挖因素，4 种支护加固因素，每个因素考虑了3 个水 平，运用均匀设计理论，共设计了模拟实验4 0 5 次，并采用离散单元法理论，运用u d e c 程序模拟了长锚索短锚杆联合加固高边坡的各种方案，得到了坡体塑性区、应力场变化 的数据。通过比较分析典型的高边坡在锚索锚杆联合加固、群锚杆加固、群锚索加固 和不加固的时候坡体内塑性区的变化以及典型区域内锚索锚杆周围应力场的改变，揭示 了锚索锚杆联合加固高边坡的作用机理，即锚索锚杆联合加固高边坡时，在坡面附近形 成了“粱壳”，同时也提高了岩体的强度，充分发挥了岩体自身作为支护主体的作用， 大大提高了高边坡的稳定性。 研究结果还表明：“梁壳”的形状与锚索锚杆在坡体内的布置形式和密度密切相关， 而“梁壳”的形状对其受力分布影响很大，进而影响锚索锚杆联合加固高边坡的效果。 建议上部岩体多布置锚杆少布置锚索，在下部岩体中锚索密度适当加大，必要时采用短 锚杆、短锚索和长锚索联合作用下部岩体，以求改变“梁壳”的形状，使其受力更合理， 同时这样做对岩体强度提高有更为有利。 同时，本文在揭示锚索锚杆联合加固高边坡机理研究的基础上，做了锚杆锚索联合 加固高边坡方案优化分析，提出了安全储备度新概念，引入了技术经济学中的性价比做 为优化指标，建立了基于性价比的新安全评价体系，拟合了便于使用的加固方案支护参 数优化公式。 关键词：短锚杆，长锚索，联合加固，高边坡，机理，优化 摘要 r e s e a r c ho fm a c h a n i c a lo fr e i n f o r c e m e n t w l t h s h o r tb o l - ta n dl o n gc a b l ea n d c o r e l n f o r c e e n ts c h e m eo p t i m i z a l _ i o n a b s t r a c t h i g h 。s l o p er e i n f o r c e m e n tw i t hb o l ta n dc a b l eh a v eb e e na p p l i dal o ti ns l o p ee n g i n e e r i n g b u tr e s e a r c ho ft h em e c h a n i c a lo fc e i n f o r c e m e n tw i t hb o l ta n dc a b l ea r ef a l lb e h i n dt h e a p p l i e m e n t ，c a n t f o l l o ww i t ht h a to f a p p l i e m e n t m o r e t h a n ，i ti s m o r ef e wt os t u d y c o r e i n f o r c e m e n tw i t hs h o r tb o l ta n dl o n gc a b l e p a p e rh e r e ，b yt h em e a n so fn u m n i c a l s i m u l a t i o n 一u d e c ，s t u d yp r o f o u n d l yc o r e i n f o r c e m e n tm a n c h a n i c a lo fh i g hs l o p ew i t h s h o r tb o l ta n dl o n gc a b l e b a s e do nt h a t ，i th a sd i s c l o s u r e dt h em a c h n i c a lo fc o r e i n f o r c e m e n t h i g hs l o p ew i t hs h o r tb o l ta n dl o n gc a b l e p a p e rh e r e ，h a sc o n s i d e r e d4g e o f a c t o r s ，2e x a c a t i o nf a c t o r s ，4s u r p o r tf a c t o r s ，e v e r y f a c t o rh a s3l e v e r s b yt h em e a n so fu f o r md s i g n ，4 0 5e x p e r i m e n t s ，w h i c hw i l lh a v eb e e n s i m u l a t e dw i t hp r o g r a mu d e cb a s e do nd i s t i n c te l e m e n tc o d e ，h a v eb e e nd e s i g e d i th a s s i m u l a t e da l lk i n d so fm e t h o dt h a tw i l lb eu s e dp o s s i b l l y , a n do b t a i nt h ee p l a s t i cz o n e sa n d d a t a so fs r e s sf i e l d t h r o u g ht h ec o m p a r i s o no ft h ec h a n g e so ft h es t r e s sf i e l da n de p l a s t i c z o n e so ft y p i c a lc o r e i n f o r c e m e n tw i t hb o l t sa n dc a b l e s 、b o l t sr e i n f o r c e m e n t 、c a b l e s r e i n f o r c e m e n ta n dn o n r e i n f o r c e m e n ti n h i g h r o c k s l o p e ，t h e m a c h a n i c a lh a sb e e n r e v e a l e d ( w h e nh i g hr o c ks l o p er e i n f o r c e m e n t e dw i t hs h o r tb o l t sa n dl o n gc a b l e s ，ab e a m c o v e ra c c u r e d i nt h es a m et i m e ，t h er o c k ss t r e n g t hh a sa l s ob e e ne n h a n c e d t h es e l f - s t a b i l i t y o i ft h er o c km a s sh a sb e e nf u l l yu s e d ，s os l o p es t a b i l i t yh a sb e e n e n h a n c e dal o t ) r e s e a r c ha l s oi n d i c a t e st h a t ，t h ed e f o r mo ft h eb e a m - c o v e r , w h i c hw i l la f f e c ts e v e r e l yt h e b e a r i n ga b i l i t yi t s e l f , t h e nt h e nr e i n f o r c e m e n te f f e c to fb o l t sa n dc a b l e sa f f e c t e d ，i sr e l a t e dt o t h ed i s t r i b u t i o nad e n s i t ya n dp a t t e r no fb o l t sa n dc a b l e s i ts u g g e s tb o l e sb eu s e dm o r e ，a n d c a b l e su s e df e wo nt o po fs l o p e ，c a b l e su s e dm o r eo nb o t t o mo fs l o p e w h e nn e c e s s a r i l y , s h o r t c a b l e ( s h o r tt h a n8 m ) a n dl o n gc a b l ea r eu s e dt o g e t h e ro nb o t t o mo fs l o p e ，w h i c hr e s u l tt h a t ， d e f o mo fb e a m c o v e ri sm o r ef a v o r a b l et ob e a r ；a n dw h i c hr e s u l tt h a t ，i t sm o r ef a v o r a b l et o e n h a n c et h er o c km a s ss t r e n g t h b e s i d e s ，i th a sa n a l y z e dt h eo p t i m i z a t i o no fp o s s i b l ec h o i c eo fr e i n f o r c e m e n tw i t hb l o t a n dc a b l e ，b a s e do nt h em a c h a n i c a ls t u d y m o r e ，i th a sc r e a t e dan e w c o n c e p t i o n ，r a t i oo f s e c u r i t yr e s e r v e ；h a si n t r o d u c e dr a t i o ，y i e l d c o n s u m p t i o nu s e du s u a l l yi ne c o n o m i c s ，a sa i m o ft h eo p t i m i z a t i o n a n dh a sp u tf o r w o r dan e we v e l u a t i o ns y s t e m f i n a l l y , i th a sa r a i s e da f o r m u l a t i o no fo p t i m i z a t i o n k e yw o r d s ：s h o r t b o l t ，l o n g c a b l e ，c o r e i n f o r c e m e n t ，h i g h - s l o p e ，m a n c h a n i c a l ，o p t i m i z a t i o n 独创性声明 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 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了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和撰写的研究成果，也不包含为获得华 东交通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作了明确的说明并表示了谢 意。 本人警豁埠 关于论文使用授权的说明 日觌硼澉6 3 本人完全了解华东交通大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布论 文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 保密的论文在解密后遵守此规定，本论文无保密内容。 某一牡舞聊签名拉 日期少口 s s 时，块与块之间产生了滑动，因而就有摩擦阻尼，此时取： e = c + 只t a n 庐 ( 2 1 8 ) 式中：c 和巾分别为块体接触面的粘结力和摩擦角。 2 2 4 时步 对于一个具有集中质量m 和刚度k 的单自由度弹性振动系统，其运动方程为 m u + 砌= 0 将u 用中心差分表示，根据差分理论， & t 2 、l m 拇；2 细， 又由q = 纫r ( t 是固有振动周期) ， a t t | r 在离散单元计算中通常取时步为： 血s 乇。1 0 式中：t 。可由下式确定： ( 2 1 9 ) 为了使上述方程的解具有振荡特性，则要： ( 2 2 0 ) 可把上式写成： ( 2 - 2 1 ) ( 2 2 2 ) 。砌m 。一i n ( j y ) ( 2 - 2 3 ) 式中：n 为单元数， ik 为包围节点i 的单元的计算刚度。 以上时步计算中没有考虑阻尼的影响。但是，应用显式中心差分求解微分方程时，阻尼 会降低解的时步值。一般认为通常结构大多是欠阻尼系统，中心差分法的稳定计算时步 为： 出s 二( 1 + 亭2 一亭) ( 2 2 4 ) k “ 式中：亭是系统振动圆频率取最大值。时的阻尼比。最大圆频率为： n k 。= a ( 2 2 5 ) 式中： 为系统的最大特征值。 1 7 第二章离散单元法及其应用 2 3 离散单元法的计算机实现 离散单元法的计算原理虽然很简单，但在计算机上实施起来却非常复杂，涉及到很 多问题。下面将讨论动态松弛法、力和位移的计算循环。 动态松弛法是把非线性静力学问题转化为动力学问题求解的一种数值方法。该方法的实 质是对临界阻尼的振动方程进行逐步积分。这种带有阻尼项的动态平衡方程，利用有限 差分法按时步在计算机上迭代求解就是所谓的动态松弛法。由