（道路与铁道工程专业论文）石庙沟车站路堑高边坡稳定性分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 随着经济的发展，越来越多的高边坡工程出现在工程建设的各个工程领域； 而预应力锚索抗滑桩己发展成为高边坡加固的一种重要有效手段本文结合铁 道第二勘察设计院地质路基处工程项目一襄渝铁路线增建二线工程石庙沟车站 路基整治，利用结构力学分析方法和格朗日显式有限差分法，对石庙沟车站路 堑高边坡进行了稳定性计算，分析了锚索桩的受力特征，并对桩一锚一岩体相 互作用机理进行了探讨。 本文首先运用结构力学分析方法，桩身悬臂段按桩与锚索的变形协调、锚 固段按w i n k l e r 弹性地基梁考虑，对石庙沟车站路堑高边坡进行了稳定性分析， 得到了锚索桩桩身弯矩、剪力及位移，预应力锚索的终拉应力。然后，运用拉 格朗日显式有限差分法，利用f l a 矿软件，考虑了桩一锚一岩体三者之间的相 互作用，对k 3 2 3 + 0 5 0 边坡进行了稳定性计算，得到了锚索桩的受力特征以及岩 体的应力、变形及塑性区分布。 通过有限差分法与结构力学法的对比分析，可得出这两种方法存在许多相 同之处。这两种方法计算出来的桩顶水平位移值相差不大，桩身最大弯矩剪力 都位于锚固面附近且数值相差不大。但这两种方法也存在差异。桩、锚的连接 通过桩、锚共同节点的平动自由度耦合实现，可计算出桩单元与锚索单元连接 处的应力集中效应；有限差分法计算出的桩身锚固段下段的弯矩剪力值都非常 小，而结构力学法计算出的弯矩剪力值相对较大。 有限差分法的优点在于可以考虑地层特性，局部变形对边坡稳定性的影响， 桩、锚索与岩体的耦合效应所得成果对本工程有指导意义，对相关工程有参 考和借鉴作用。 关键词：高边坡；预应力锚索桩；稳定性分析；有限差分法 西南交通大学硕士研究生学位论文第l l 页 a b s t r a c t 晰出t h ee c o n o m i c a ld e v e l o p m e n t , m o l eh i g hs i d es l o p ep r o j e c t sa p p e a ra tt h e e n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n ；c o n s e q u e n t l yt h ep r e s t r e s s e da n c h o rc a b l ea n t i s l i d ep i l e h a sd e v e l o p e di n t ot h eh j 曲s l o p ep r o t e c t i o no n ei m p o r t a n te 腩c t i v em e t h o d 1 k t h e s i su n i f i e de n g i n e e r i n gp r o j o ao fg e o l o g yr o a d b e dd e p a r t m e n to ft h e 均j h d a d s e c o n dr e c o n n a i s s a n c ed e s i g ni n s t i t u t e 1 1 l i sp r o j e c ti st h er o a d b e ds t a b i l i z a t i o n p r o t e c t i o no ft h es t r o l lo fs h im i a o g o uo ft h ex i a n g f a n - - c h o n g q i n ga d d i t i o n a l l y c o n s t r u c tt h es e c o n dr a i l w a yp r o j e c t t h i st h e s i sh a su s e dt h e 蛐m c t u r em e c h a n i c s a n a l y s i sm e t h o da n dt h el a g r a n g ee x p l i c i tf i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d n 嵋s t a b i l i t yo f t h eh i g hs i d es l o p eo fs h im i a o g o us t a t i o ni sc a l c u l a t e d n 圮s t r e s sc h a r a c t e r i s t i co f a n c h o rc a b l ep i l ei sa n a l y z e d t h ei n t e r a c t i v i t ym e c h a n i s mi sd i s c u s s e d 1 1 嵋t h e s i sf i r s tu t i l i z e st h es t r u c t u r em e c h a o i c $ a n a l y s i sm e t h o d , p i l eb r a c k e t s e c t i o na n da n c h o rs e c t i o nh a v ec o n s i d e r e da c c o r d i n gt op i l ea n dc a b l ed e f o r m a t e d c o o r d i n a t i o na n dt h ew i n l 【l e l e l a s t i c a l l yf o u n d a t i o nb e a mr e s p e c t i v e 皿eb e n d i n g m o m e n t , t h es h e a r i n gf o r c ea n dt h ed i s p l a c e m e n to fp i l e , t h ee n dt e n s i l es t r e s so f c a b l e ，a r co b t a i n e d 硼：l i st h e s i st h e nh a sm a d e 嘟o ft h el a g r a n g ee x p l i c i tf l f i t e d i f f e r e n c em e t h o d mf l a c o ”s o f t w a r ei su s e d mi n t e r a c t i o no f t h ep i l e c a b l e r o c ki sc o n s i d e r e d t h es t a b i l i t yo f t h ek 3 2 3 + 0 5 0s i d es l o p ei sc a l c u l a t e d t h es i i e s s c h a r a c t e r i s t i co f a n c h o rc a b l ep i l e ，a n dt h es t r e s s 、t h ed e f o r m a t i o na n dt h ep l a s t i ca r e a d i s t r i b u t i o no f r o c k ，a r eo b t a i n e d 1 1 l ct h e s i sc o n t r a s t st h ef i n i t ed i f f e r e n c em e t h o dw i t ht h es t r u c t u r em e c h a n i c s a n a l y s i sm e t h o d ，ag r e a tm a n yo f s i m i l a r i t i e si sa c q u i r e db yt h e s et w om e t h o d s n 埠 h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n tv a l u eo ft h eh e a do fp i l ei sa p p r o x i m a t i o n , t h em a x i m u m b e n d i n gm o m e n ta n ds h e a r i n gf o r c eo ft h ep i l eb o t ha l o c a t e dn e a r b yt h ea n c h o r s u r f a c ea sw e l la st h ev a l u ea p p r o x i m a t i o nb yt h e s et w om e t h o d s b u tt h e s et w o m e t h o d sa l s oh a v et h ed i f f e r e n c e mp i l ea n dc a b l ew e r ec o n n e c t e db yc o u p l i n g t r a n s l a t i o nd e g r e eo ft h ee o l n l l l o nn o d e ，1 1 ”s t r e s sc o n c e n t r a t i o ne f f e c to ft h e c o m m o nn o d eo ft h ep i l eu n i ta n dt h ec a b l eu n i tm a yh a sb e e nc a l c u l a t e d n 地 b e n d i n gm o m e n ta n ds h e a r i n gf o r c ev a l u eo ft h ep i l ea n c h o rs e c t i o nl o w e rs e g m e n t b o t ha r ee x t r e m e l ys m a l lb yt h ef i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ，b u tt h e s eb o t ha r c 托i a 矗v e l y o u t s t a n d i n gb yt h es t r u c t u r em e c h a n i c sa n a l y s i sm e t h o d 1 1 碡f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d sm e r i t sl i ei nt h a ti tm a yc o n s i d e rs t r a t u ms p e c i a l p r o p e r t y ，t h es i d es l o p es t a b l ei n f l u e n c ed u et ot h ep a r ts l o p ew a n s f o n n a t i o n ，t h e c o u p l i n ge f f e c to ft h ep i l e - - c a b l e r o c k 1 1 忙a c h i e v e m e n t so b t a i n e dh a v et h e g u i d i n gs c b s et ot h i sp r o j e c t ，a n dt h er e f e r e n c ea n dt h em o d e lf u n c t i o nt ot h e c o r r e l a t i o np r o j e c t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i i 页 k e y w o r d s ：h i g hs i d es l o p e ；s t a b i s n ya n a l y s i s ；p r e s t r e s s e da n c h o rc a b l ea n t i - s l i d ep i l e ； f i n i t ed i f i e r e n c 七m e t h o d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 随着社会经济的快速发展，特别是随着西部大开发的飞速发展，在山区 修建高等级公路、铁道等基础设施建设时，不可避免地出现路堑高边坡工程。 例如南昆铁路、内昆铁路、襄渝铁路、襄渝增建二线铁路、成南高速公路、 京珠高速公路及在建兰渝铁路等，沿线路堑高边坡工程占了很大比例，仅襄 渝增建二线铁路石庙沟车站不足2 k m 路程就存在刘家沟高边坡滑坡、石庙沟 l 号高边坡滑坡。在石庙沟1 号高边坡滑坡两侧，为用悬臂段2 1 m 高的锚索 桩支护近4 0 m 刷方的高陡路堑边坡。因此，高边坡工程的稳定性对于铁路， 公路的正常运营有着非常重要的作用。通常情况下，影响高边坡工程稳定性 的因素可以归结为两类：其一是外界力的作用破坏了岩土体原来的应力平衡 状态：其二是边坡岩土体的抗剪强度由于受外界各种因素的影响而降低，促 使边坡失稳破坏我国的高边坡主要分布在西南和西北地区，过去由于我 们对高边坡危害的认识不足及地质勘探技术的限制，致使在铁路、公路建设 中，线路穿越高陡边坡切割斜坡坡脚而导致坡体失稳破坏的现象很多对于 一些很难或无法避绕高陡边坡，在施工过程中得不采取有效的加固措施以保 证其稳定。要想使边坡的防护更有效，首先要弄明白边坡的变形与破坏机理。 本文主要结合铁道第二勘察设计院地质路基处襄渝铁路增建二线工程项 目“石庙沟车站路基整治工程设计( k 3 2 3 + 0 0 5 k 3 2 3 + 0 7 l 。右侧) ”，从理论 上分析高边坡变形破坏模式及其稳定性，锚索桩的内力和变形，完建后在自 然营力作用下高边坡的长期稳定性和支挡结构的加固效果。研究目的是将理 论研究成果应用于石庙沟车站路基高边坡工程，从深层次地认识高边坡在施 工期间和建成后的变形规律和失稳破坏模式，为高边坡工程的稳定性分析提 供科学依据，从而从整体上把握和认识高边坡病害，最终为其他类似高边坡 稳定性分析提供参考作用。 由于国民经济迅速发展的需要，更多的铁路、公路和水电等基础项目陆 续投入建设，势必会出现更多边坡工程，因此，研究如何更安全、经济而合 理的对边坡工程进行治理，将会对我国经济建设的发展起到重要作用”1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 边坡工程与支挡技术研究现状 1 2 1 边坡工程国内外研究现状 1 边坡工程国内外研究现状 从1 9 1 6 年瑞典人彼得森( k e p e t t e r s o n ) 用条分法评价边坡稳定性开 始，边坡工程得到广泛的研究和发展，上个世纪二十年代这方面的成果可见 于瑞典的费伦纽斯( f e l l e n i u sw ) 、美国的太沙基( t e r z a g h i ) 和泰勒 ( t a y l o r d 胃) 的土力学经典著作中。1 9 7 7 年加拿大矿物与能源中心编写了 边坡工程手册( p i ts l o p em a n u a l ) ，从理论和实践两方面系统地对边坡 工程进行了论述。 长江水利科学研究院结合三峡水利枢纽船闸开挖高边坡及库岸边坡问题 开展了岩体力学特性参数和深层地应力测试、地质模型和离心机模型实验、 边坡稳定性分析及现场监测和反馈分析方法、卫星减灾预报系统等综合性研 究工作，获得了一批有较高理论水平和实验价值的成果。第八个五年计划期 间，水利水电部的。岩质高边坡稳定及处理技术”被列为国家重点攻关项目。 1 9 9 4 年到1 9 9 8 年，由国家自然科学基金委员会和中国长江三峡工程开发总 公司联合资助的重大项目“山峡船闸高边坡的变形与稳定”经历了四年的研 究，其研究成果岩石高边坡的变形与稳定标志了我国岩石人工高边坡研 究的一个新阶段。 我国露天矿边坡稳定性研究从5 0 年代开始。1 9 6 5 年孙玉科，王思敬等 提出“岩体结构”理论的学术观点，并先后提出岩质结构分类，边坡稳定性 岩体结构分析，实体比例投影及其在露天矿边坡稳定性分析中应用等理论0 1 此外，众多国内外组织关于边坡研究学术活动和研究交流非常活跃“ 2 国内边坡变形问题研究状况 边坡变形问题显然是一个时效变形体问题，即蠕动体变形。1 。其动态变 形至失稳破坏，是一个与时间有关的复杂累进性过程。边坡稳定性与变形问 题比较复杂，对于不同的问题，人们用不同的方法从不同的角度进行了大量 的研究。国内对边坡变形问题的研究大致可分为三个阶段： 1 9 8 0 年以前，我国对边坡变形问题的研究从边坡崩塌( 滑) 造成的地质 灾害出发，定性的分析边坡失稳的地质环境条件，进而利用类比法对边坡的 稳定性进行初步评价。对边坡的稳定分析和变形计算采用了二维极限平衡方 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 法、块体理论法及数值方法。例如1 9 7 8 年张天宝通过按瑞典法建立的简单土 坡稳定系数函数的数值分析，全面归纳了最危险滑弧的变化规律隅j 1 9 8 0 年一1 9 9 5 年，本阶段在理论上更先进了，开始引入统计学、弹塑性 力学、流变力学、灰色预测系统等理论和计算机技术。在深入地研究了边坡 岩土体的力学时间效应的基础上，对边坡变形的研究采用了更先进的物理模 拟和数值模拟方法，总结归纳出边坡变形破坏的类型和模式。在工程实践中， 对边坡稳定性评价常常把它作为二维问题来简化处理，一般情况下对于一些 几何形状不复杂的问题也能满足工程要求。例如，1 9 8 1 年，孙均实根据潘家 铮( 1 9 7 7 年) 提出的极小值原理和极大值原理，利用塑性力学中的塑性极限 分析法，建立和发展了一种新型的稳定性分析理论一模糊极值理论“。 1 9 9 5 年至今，对于边坡的变形和破坏已经进入动态研究领域，即对边坡 的变形破坏机制和稳定性进行动态评价，在研究方法上广泛引入了数学力学、 分形几何、非线性方法及边坡控制技术等。并在非线性科学的基础上对三维 边坡的交形、破坏，失稳及边坡加固技术进行了有效的分析和研究另外， 还将神经网络、极限平衡、数值计算等多种方法进行集成，建立了集成智能 系统，对边坡的变形与稳定性进行综合分析和评价，其中最具有代表性的两 个领域是：人工神经网络和专家系统。张奇华，徐松林等人提出边坡系统的变 形行为具有趋势性变化与震荡性变化耦合的特点，将边坡变形分解为趋势性 交形、震荡性变形及随机性变形三部分叠加组合而成】曾开华，刘字敏等 人提出边坡系统的演化具有非线性动力学行为，边坡变形破坏的本质在于坡 体内部的非线性动力特征，即突变特征和混沌特征，突变描述了边坡运动中 的不连续性，而混沌刻画了边坡最终演化的轨迹啪1 。 在国外，许多国家对边坡工程的研究己广泛应用了非线性理论，同时在 监测手段上，己开发出岩土体大变形监测设备及技术，利用卫星定位技术 ( g p s ) 及探地雷达等高技术实时跟踪边坡变形、破坏及失稳的全过程，提高 了对边坡防灾减灾的预测预报精度和研究水平汹】。 3 边坡稳定性分析方法 目前国内外边坡稳定性分析的方法很多，不同的边坡类型可采取不同的 力学模型和方法，不同的分析目的也有不同的方法与之相适应。一般对于土 质边坡和岩质边坡有不同的稳定性分析方法。通常坡体的稳定性分析方法有 如下几种：刚性块体稳定分析方法或s a r m a ；数值计算法；条分法或刚体弹 簧元法；塑性理论的极限分析法；地质类比法。归纳起来主要有以下几种： 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 ( 1 ) 刚体极限平衡法 刚体极限平衡法的特点在于事先假定滑动面的形状，然后计算使潜滑体 保持极限平衡状态所需的抗滑力，边坡是否失稳取决于抗滑力与下滑力的相 对关系。这一方法有瑞典条分法( 1 9 2 7 ) 、毕肖普法( b i s h o p1 9 5 5 ) n 1 】、 简布( j a n b u1 9 5 4 ，1 9 5 7 ，1 9 7 3 ) “”1 、恩宾塞法( s p e n c e r1 9 6 7 ) f 1 4 ，摩 根斯坦法( m o r g e n s t e r n1 9 6 5 ) “”等。此外，国内提出的分析固定滑面的传 递系数法“蜘也得到广泛的应用。近年来，人们都已经把这些方法程序化了， 有的还把有限元单元法引进刚体极限平衡法中，先通过有限元方法计算出可 能滑面上各点的应力，然后再利用刚体极限平衡法计算滑面上各点的安全系 数及整个滑面滑动破坏的安全系数“”。优点：此法抓住了问题的主要方面， 简单直观，此法长期在工程中应用，各行业应用不同的方法，都积累了大量 的经验，工程界就用这种虚拟状态，来近视模拟实际工作状态，再加上工程 经验从而作出工程设计判断。缺点：我们只是利用这种通过人为假定的虚拟 状态来求出安全系数而已，但没有考虑土体自身的应力一应变关系和实际工 作状态，所求出土条之间的内力或土条底部的反力均不能代表边坡在实际工 作条件下真正的内力和反力，更不能求出变形。 ( 2 ) 数值计算法 为了克服刚体极限平衡法的不足，人们提出了以有限元及有限差分法为 代表的各种数值计算方法有限元法，是将边坡体离散成有限各单元，或 者说，用有限个单元所构成的离散化结构代替原来的连续体结构，通过分析 单元体的应力和应变来分析整个边坡的稳定。与刚体极限平衡法不同的是， 数值计算是以弹性( 塑性) 力学为基础，需要首先弄清楚岩土体的本构关系， 即应力一应变关系。它既要求出单元体的力的平衡，也要考虑单元体的变形协 调，同时还要考虑岩士体的破坏准则。由于岩土体的应力一应交关系是非线性 的，它使边坡的数值计算变得十分复杂。当今，由于计算机的普及和大量应 用，复杂而精细的计算方法已不再是数值计算的主要障碍，而计算成果的优 劣取决于岩土体的主要构造和有关参数的获得情况。 ( 3 ) 地质力学模型实验法 地质模型试验方法是在2 0 世纪7 0 年代发展起来的“”，这种方法能模拟 不连续岩体的自然条件、岩体结构及其物理方程，目前主要有地质力学模型 试验方法和离心机模型试验方法。它根据边坡原型，按一定相似条件建立小 尺度物理模型，施加相应的工程荷载以及超载，研究边坡的破坏机理。典型 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 边坡地质力学模型的建立对于边坡稳定性评价及其失稳形式的分类是非常有 意义的，因为边坡的地质力学模型是反映影响边坡稳定性的各种地质因素的 综合体现，因而可以在工程实践中根据边坡地质模型把握边坡破坏形式，预 报边坡变形趋势和可能破坏方式。然而试验方法费用十分昂贵，一般用于大 型的边坡工程地质模型方法的一种改进形式是近年来由四川大学提出的变 温相似方法，即通过预埋在边坡关键部位的电阻丝不断升温，逐渐改变岩体 和结构面的参数，以此来研究边坡的失稳演变过程，该方法可以较真实地反 映边坡应力场；除了传统的地质力学模型外，离心模型试验也开始广泛应用 于边坡的变形破坏研究中“，这一技术的应用为深化对边坡失稳破坏机理 的认识，解决复杂工程地质问题提供了重要手段。 1 2 2 抗滑支挡结构的发展及研究现状 随着我国经济的高速发展和现阶段国家进行大规模的基础设施建设，铁 路、公路等交通工程迎来了其发展的高潮时期，交通领域的高边坡( 滑坡) 问题也越来越突出。现在人们对列车( 汽车) 的行驶速度要求也越来越高， 因此对高边坡( 滑坡) 的整治方法也由简单的绕避逐渐发展为以抗滑支挡结 构为主的综合治理。抗滑支挡结构物的发展较为迅速，应用也比较广泛从 上个世纪4 0 年代至今，抗滑支挡结构物也由常规支挡结构如重力式挡土墙、 悬臂抗滑桩、桩板式抗滑桩等演变为桩间挡土墙、预应力锚索抗滑桩、预应 力锚索地梁、预应力锚索一钢筋砼格构梁、加筋土挡土墙及抗滑( 锚索) 桩 间土钉墙等新型轻型支挡结构。下面则简要介绍抗滑桩、锚固系统及预应力 锚索抗滑桩的发展研究现状。 1 抗滑桩的国内外现状 抗滑桩具有抗滑能力大，破坏滑坡体稳定小，施工方便等优点。用其治 理滑坡，国外始于2 0 世纪3 0 年代，国内于2 0 世纪5 0 年代开始使用啪1 。1 9 5 4 年包成线史家坝4 号隧道北门左侧灰岩边坡产生顺层滑坡，采用钢筋混凝土 椎桩治理( 只考虑抗剪作用) 。1 9 6 6 年铁道部第二勘察设计院在成昆铁路沙 北1 号滑坡及甘洛车站2 号滑坡中首次采用钢筋混凝土挖孔桩来加固稳定滑 坡，全面的考虑了构件的抗弯、抗剪作用。这种结构很快在铁路路基工程中 迅速推广，并不断完善创新，由一排抗滑桩发展到兀形抗滑桩( 1 9 7 6 年支柳 线罗一溪滑坡，铁四院) 、h 形排架抗滑桩( 1 9 8 3 年川黔线k 1 8 0 路堤滑坡， 成都铁路局) 、预应力锚索抗滑桩( 1 9 8 4 年松藻矿务局金鸡滑坡，铁科院西 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 北分院) 等。 2 锚固系统的国内外现状 参考文献 1 ，2 2 ，2 3 ，最早使用锚杆的是1 9 1 1 年美国矿山巷道支护中 利用的岩石锚杆；1 9 1 8 年西利西安矿山开始使用锚索支护；1 9 3 4 年舍尔发坝 采用了预应力锚索。云南漫湾电站1 9 8 9 年在坝、厂范围的左岸边坡产生1 0 6 万皿3 的塌滑体，共采用了2 2 0 0 根1 0 0 0 3 0 0 0 k n 级预应力锚索与锚固洞、坑 滑桩相结合的综合治理措施，成功的控制了左岸边坡潜在的滑移和破坏长 江山峡水利枢纽工程高1 7 0 m 的船闸边坡，其中6 7 m 高垂直边坡，共采用 1 0 0 0 k n 及3 0 0 0 k n 的预应力锚索2 0 0 0 余根，以保持边坡的稳定，并控制了边 坡的变形。高度为1 1 0 5 m 的上海太平洋饭店地下水深i i 6 5 m ，所处地层为 饱和淤泥泥质黏土，共采用厚4 0 c m 钢筋混凝土桩板与4 排预应力锚索做支挡 结构，预应力锚索长3 0 3 5 m ，采用二次高压灌浆工艺，锚索预应力达5 0 0 6 0 0 k n ，在使用后保持基坑稳定。 3 预应力锚索抗滑桩 普通抗滑桩嵌固抗滑效果好，支挡面积大，但悬臂受力大，抗倾覆能力 差“1 。如果仅单独使用锚索治理边坡，用锚索拉力来平衡土压力，由于锚 索是靠小承压板锚固岩体，锚固面积小，锚索的强度发挥不出来，尤其在锚 固面处锚索的抗剪作用很差。如果将强劲的预应力锚索施加在桩顶，使桩一 锚索形成联合受力体系，用稳定力矩来平衡倾覆力矩，就大大发挥了锚索的 抗拉作用，同时使悬臂桩变成了近似的简支结构，桩身计算弯矩减小。因而 可减小桩截面。预应力锚索抗滑桩结构是通过在锚索中施加预应力作用于桩 上，通过桩身来实现承受土压力这一功能。当在桩头施加了预应力锚索之后， 桩的受力条件发生了根本变化。由原先的被动承受土压力变为主动抵抗土压 力，桩与锚索的共同作用，组成一个整体，通过施加大吨位预应力，可使桩 身反压在岩土上，形成“主动反压”支挡结构，可限制坡体的位移，这对于 坡体上有严格位移限制的边坡治理工程尤为重要。将桩锚索这种联合体系 用于抗滑支挡结构是一种优化组合，充分利用了预应力锚索强度高、抗拉性 能好、易弯曲、好操作的特点；也利用了钢筋混凝土结构易于形成整体结构， 混凝土的抗剪、抗压性能好，与土体反压后形成自身阻滑的特点。 1 2 3 抗滑支挡结构物设计计算的研究现状 预应力锚索抗滑桩作为一种新型的边坡整治措施，由于其在工程中的大 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 量应用，国内的许多学者对其设计计算方法进行了广泛深入的探讨目前， 在工程设计中按w i n k l e r 弹性地基梁理论计算预应力锚索抗滑桩，其常用方 法帆“”1 是根据是否考虑锚索与桩的变形协调分为两种：( 1 ) 不考虑锚索 与抗滑桩的变形协调，直接将预应力与滑坡推力作为荷载施加在桩上，认为 锚索的拉力就是施加的预应力，其值在工作过程中保持不变，锚固面以上按 结构静力问题计算，锚固面以下按w i n k l e r 弹性地基梁计算，这种方法计算 较为简单，但由于在土压力作用下未考虑锚索与桩的协调变形，理论上存在 明显的不足；( 2 ) 考虑桩和锚索之间的变形协调，也将预应力与土压力作为 荷载旄加在桩上，但认为锚索拉力在工作过程中是变化的，即考虑了预应力 施加后由于土压力作用引起的锚索内力的改变，这种方法较第一种方法合理。 因此，锚索桩的计算也多采用此法呻“朋】。 1 3 本文研究的主要内容 本文研究以铁道第二勘察设计院地质路基处襄渝铁路增建二线工程项目 。石庙沟车站路基整治工程设计( k 3 2 3 + 0 0 5 k 3 2 3 + 0 7 l ，右侧) ”为依托，主 要研究内容如下： 1 对路堑岩石高边坡变形破坏模式进行了探讨；分析了现有的几种预应 力锚索桩结构计算方法并对这些方法进行了评价；对其中的一种方法( 结构 力学法) 进行了详细的理论公式推导。 2 依托石庙沟车站路基整治工程设计( k 3 2 3 + 0 0 5 k 3 2 3 + 0 7 l ，右侧) ， 利用库仑土压力计算公式对k 3 2 3 + o o s k 3 2 3 + 0 7 1 断面进行了稳定性分析；锚 索桩桩身悬臂段考虑了锚索与桩的协调作用采用结构力学法，锚固段采用 w i n k l e r 弹性地基梁“k ”法对各断面锚索桩的内力及位移进行了计算，得出 了预应力锚索桩的内力及位移特征。 3 考虑预应力锚索桩与岩体的相互作用，采用显式有限差分软件f l a c 3 。 对k 3 2 3 + 0 5 0 断面进行了数值分析，得出边坡岩体的变形、应力分布及塑性区 的变化规律，锚索轴力特征，锚索桩桩身内力及位移规律。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章预应力锚索抗滑桩理论分析 2 1 路堑岩石高边坡变形破坏模式 2 1 1 边坡变形产生和发展阶段 路堑高边坡的变形对支挡工程建设的危害巨大。按边坡高度分类，一般 将高度大于1 5 m 的边坡称为高边坡“】，对边坡的形成机理、破坏机理研究是其 变形研究的基础。若要对边坡的稳定性作出符合客观实际的评价，并采取比 较合理的综合治理措施，则需对既有变形边坡进行多方面的研究并不断总结 前人的理论及经验，真正掌握边坡的形成机理及变形机理。 边坡变形的产生和发展大致可以分为以下四个阶段：( i ) 蠕动阶段：形 成初始滑点或初始滑带，地表没有明显的变形迹象；( 2 ) 微滑阶段：滑动带 基本形成，地表开始出现一些裂缝，有些建筑物开始变形开裂；( 3 ) 剧滑阶 段：山体整体或分快的向前移动( 剧烈或缓慢的) ，裂缝扩大延长，形成完整 的滑坡周界；( 4 ) 固结阶段：坡体变形速率减小，以致停止滑动，滑坡裂缝 逐渐闭合或消失，建筑物变形停止“】本文主要是对微滑阶段坡体变形的 发生及发展进行研究。 2 1 。2 路堑岩石高边坡变形破坏模式 2 0 世纪7 0 年代以来，人们就认识到高边坡的失稳一般都要经历一个随 着时间而发展的变形破坏过程( 张卓元，王兰生，1 9 7 9 ，1 9 8 3 ；王思敬，许 兵，1 9 8 3 ，1 9 8 6 ：k c l o ，1 9 8 6 ；黄润秋，1 9 9 0 ) 汹“铷。路堑岩石高边 坡的变形破坏模式取决于堑坡岩体的工程地质条件。参考文献o “1 ，根据 岩体结构特征和边坡要素综合分析，岩质边坡的变形破坏形式主要有： 1 简单破坏模式 ( 1 ) 平移滑动破坏模式 路堑边坡沿一倾向与路线走向大致平行的软弱结构面滑动或错落破坏。 这一软弱结构可以是层面、节理、断层面，也可以是土石界面。发生平面破 坏的条件是： 结构面走向与路线平行或接近平行( 夹角小于3 0 。) ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 破坏面必须在边坡出露，或者是在路基面以下2 m 以内，同时结构面的 倾角必须小于坡面的倾角； 破坏面的倾角大于该面的摩擦角； 岩体必须存在对滑动仅有很小阻力的陡倾、贯通节理面，它控制了滑 动的侧界。 软硬相间或有软弱夹层的顺倾层状路堑高边坡易产生平面破坏。 ( 2 ) 扩展式平面型塌滑破坏模式 这类边坡失稳的结构面组合形式是指陡倾角结构面作为后缘拉裂面，其 它方向陡倾角结构面作为侧向切割面，顺坡向中缓倾角节理裂隙或剪切带为 底滑面。 ( 3 ) 楔形破坏模式 当两个或多个不连续面的走向斜交坡面，其交线在坡面上出露时，如果 此交线的倾角显著大于摩擦角，则位于此两个( 或多个) 不连续面上的岩石 楔体将沿交线下滑。楔形破坏多属于块裂结构岩体中的变形破坏模式。由于 控制边坡变形破坏的结构面( 节理) 延伸不长，楔体破坏的规模一般都不大。 这种破坏模式一般多发生在硬质岩石高边坡，因为硬质岩石高边坡整体 虽稳定，但局部有时会出现楔体破坏。 ( 4 ) 倾倒破坏模式 倾倒破坏这种模式一般发生在坚硬块状或柱状岩体边坡内其特征是优 势结构面走向大体与边坡一致，倾角甚陡，倾向与边坡相反。不稳定岩体以 分离体形式失稳时发生顺坡面倾倒，或向临空面转动或转动滑移。一般可将 倾倒破坏分为脱离式倾倒和错动式倾倒两种型式 脱离式倾倒脱离式倾倒的稳定性，主要受岩块倾倒力矩控制，即取决 于岩块自重荷载及其空问几何条件，并与排问摩擦力无关。岩块破坏一般从 前排开始，逐次向后排发展，最终稳定于折线形坡面。 错动式倾倒错动式倾倒为倾倒时岩块排之间无脱开，沿结构面间以及 倾倒底部产生一定的剪切位移，且其位移量值在整个边坡上基本一致。这种 错动式倾倒破坏通常是在坡脚部位有一定的阻挡，但在倾倒力作用下产生位 移时发生的。 ( 5 ) 圆弧破坏模式 圆弧破坏的机理为岩体内剪应力超过滑面抗剪强度，致使不稳定体沿圆 弧形剪切滑移面下滑。在均质的岩体中，特别是在均质泥岩或页岩中，岩坡 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 破坏的滑面通常里弧形状，岩体沿此弧形滑面滑移。在非均质的岩坡中，滑 面是由短折线组成的弧形，近似于对数螺旋曲线或其他形状的弧面。 ( 6 ) 折线破坏模式 这种破坏岩土中有多层倾向临空面的软弱层，不同成因的地层接触面或 风化程度不一样的界面、两组或多组裂面的组合等，均可产生折线变形。 2 复杂破坏模式 由两个或两个以上简单破坏模式组合而成的破坏模式称为复杂破坏模 式。一般高陡边坡大多由多种不同类型的岩土介质所构成，因而通常都取复 杂破坏模式。常见的复杂破坏模式有以下几种类型： ( 1 ) 滑移一拉裂破坏模式 斜坡岩体沿下伏软弱面向坡前临空面方向滑移，并使滑移体拉裂解体。 受已有软弱面控制的这类变形，其进程取决于软弱面的产状与特性当滑移 面向临空面方向倾角已足以使上覆岩体的下滑力超过该面的实际抗剪阻力 时，则该面一经被揭露临空，后缘拉裂面一出现即迅速滑落，蠕变过程极为 短暂。 ( 2 ) 滑移一压裂破坏模式 这类变形破坏主要发育在坡度中等至陡的平缓层状体斜坡中，坡体沿乎 缓结构面向坡前i 晦空方向产生缓慢的蠕变性滑移。滑移面的锁固点或错列点 附近，因拉应力集中生成与滑移面近十垂直的拉张裂隙，向上( 个别情况向 下) 扩展且其方向逐渐转成与最大主应力方向趋于一致( 大体平行于坡面) 并伴有局部滑移。滑移和拉裂变形是由斜坡内软弱结构面处自下而上发展起 来的 ( 3 ) 楔形一平面组合破坏模式 此种破坏模式为横向上与直立岩层大角度斜交并呈“x ”型组合的两组结 构面，与一组倾向坡外的陡立结构相迭加的变形破坏。前两组结构面常表现 为剪切滑移，后者表现为拉裂变形，空间组合成楔形体。楔形一平面组合破 坏的形态为上部是楔形破坏，下部是平面破坏。其破坏机理是在自重荷载作 用及水患诱导下，岩体内剪应力超过组合剪切滑移面的抗剪强度，导致不稳 定体坡沿该剪切滑移面下滑而产生破坏。 ( 4 ) 压缩一倾倒变形机理 倾倒变形通常是指走向与坡面近于平行的陡倾层状岩体发生的向坡外的 弯曲变形( 也称弯曲一拉裂、弯曲一倾倒等) ，而这里的压缩一倾倒主要指的 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 是：具有下伏软弱基座的高陡边坡，下部软层在上伏岩体的长期压缩作用下， 产生非均匀的压缩变形( 坡面最大，向坡内逐渐减小) ，从而致使坡体遭受倾 覆力矩的作用，导致坡体整体向外倾倒，并在坡体后缘形成很大贯穿深度的 后缘拉裂或沿坡体内倾向坡外的结构面发生剪胀错动一拉裂。 ( 5 ) 复合滑移破坏模式 斜坡变形破坏虽然往往以某一破坏模式为主，但山于斜坡岩体结构和外 形的复杂性，有的斜坡可同时出现两种或多种变形模式，并以一定的方式组 合在一起，另外，在发展过程中也可由一种模式转化为另一种模式 2 2 预应力锚索抗滑桩理论分析 2 3 1 概述 普通抗滑桩嵌固抗滑效果好，支挡面积大，但悬臂受力大，抗倾覆能力 差如果仅单独使用锚索治理滑坡，如锚索墩、锚索梁( 板) 等，用锚索拉 力来平衡滑坡推力，由于锚索是靠小承压板锚固滑体，锚固面积小，锚索的 强度发挥不出来，尤其在滑动面处锚索的抗剪作用很差“蝴 预应力锚索抗滑桩是从2 0 世纪8 0 年代开始研究并应用，它是在抗滑桩 的基础上发展起来的。其基本概念是：在普通抗滑桩的桩项或桩身一定位置设 置一排或多排预应力锚索，借助于锚索所提供的锚固力和抗滑桩所提供的阻 滑力并由二者组成的桩锚支挡体系共同阻挡边坡的变形( 见图2 - 1 ) 预应力锚索抗滑桩在公路、铁 路以及水利水电工程的边坡整治工 程中以及各种类型的边坡治理中都 得到了广泛的应用一。 预应力锚索抗滑桩相对于普通 的抗滑桩支挡结构而言，其受力状 态更加合理“”。普通抗滑桩 一般来说其力学模式类似于锚固于 滑床中的悬臂梁( 见图2 2 ) 。按这 种力学模式计算后，桩身弯矩、剪 力都相对较大，桩需要的截面、配 筋量和埋深也很大。在桩顶或桩项 图2 1 锚索桩结构体系示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 下一定位置设置一排或多排预应力锚索后，桩身受力状况大大改善，其基本 力学模式可以等价于简支粱或其他超静定结构( 见图2 - 3 ) 随着约束的增 加，桩的位移控制相对容易许多，进而其桩身内力也在一定程度上大为降低， 从而减小桩的截面和埋深，节省了材料，降低了工程造价，因而经济效益十 分显著。简言之，预应力锚索抗滑桩变一般抗滑桩的被动抗滑结构为主动抗 滑结构。将桩一锚索这种联合体系用于抗滑支挡结构是一种优化组合，充分 利用了预应力锚索强度高、抗拉性能好、易弯曲、好操作的特点；也利用了 钢筋混凝土结构易于形成整体结构，混凝土抗剪、抗压性能好，与土体反压 后形成自身阻滑的特点。 ，一麓一力 膏麓一 图2 - 2 抗滑桩结构型式及内力图2 - 3 锚索桩结构型式及内力图 2 3 2 预应力锚索抗滑桩结构计算方法及评价 预应力锚索抗滑桩地设计计算包括两个基本方面：即抗滑桩的设计计算 和锚索的设计计算。其中抗滑桩的设计计算主要指在预应力锚索和滑坡推力 作用下的内力和变形；而锚索的设计计算则主要指锚索预应力和承载力的计 算“删 1 基本假设 鉴于预应力锚索抗滑桩的结构属于超静定问题，得到精确的解析解和数 值解异常困难，工程实践中往往进行了简化，一般将锚索预应力作为已知力 加载在桩身上，并按一般力学方法计算出该力在滑面处引起的弯距和剪力， 由此计算抗滑桩锚圃段的内力分布；假定锚索在弹性范围内工作，忽略锚索 的弹性变形过程。一般作出以下基本假定o “叫： ( 1 ) 桩与锚索按弹性受力进行分析，锚索按弹性铰支座考虑，桩的受荷 段按静力结构计算，桩的锚固段按弹性地基梁设计。 ( 2 ) 预应力锚索抗滑桩所承受的滑坡推力按桩距“中一中”的滑体推力 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 计算，推力可依据具体情况将其简化为三角形、矩形或梯形分布作用于滑面 以上的桩体上，不考虑桩和桩周岩土的摩擦力。滑面或滑带在整个工作工程 中不改变。 ( 3 ) 锚索与桩的变形相协调，即锚索伸长量在水平方向的分量与锚索作 用点处桩在同样力系作用下的位移量相等。 在以上基本假定下进行预应力锚索抗滑桩的设计，首先确定桩位、桩长、 桩的埋深及桩截面，其次确定桩上预应力锚索的设计拉力、预应力、锚孔直 径、锚固深度及锚头类型，然后将锚索拉力视为外力作用在桩顶，滑坡推力 及桩前滑面以上岩土抗力( 或剩余抗滑力) 按地层条件考虑其分布形式，这就 很容易算出桩身内力。滑面以上桩身内力按一般静力学方法计算，滑面以下 桩身内力及侧应力计算同一般抗滑桩，首先将各力移至滑面处，求出q o 和 m o ，然后根据滑床岩性选用相应的公式计算桩身内力 2 锚索预应力的计算方法 在预应力锚索抗滑桩的设计计算中，锚索设计拉力及预应力的取值对抗 滑桩的内力计算影响很大，目前，国内外关于锚索设计拉力及预应力的确定 方法很多，兹举以下几种： ( 1 ) 第一种方法用控制桩顶位移来计算锚索的拉力f 嘲前苏联学者，i k 金布格和b n 依申柯( 1 9 8 2 ) 呻3 开展了锚杆抗滑桩组合结构的计算 方法研究工作，提出用控制桩顶水平位移的方法计算锚杆( 或锚索) 的拉力r ( 2 ) 第二种方法是作用在每根桩上的滑坡推力f 、桩前滑面以上岩土抗 力f 。，计算g 再确定锚索设计拉力t 呻“1 由于预应力锚索抗滑桩一般设计 为柔性桩，桩顶位移控制再3 c m 左右，锚索相当于一个铰性支点。同时，由 于锚索桩在滑面以下的埋置深度较浅，一般为2 5 3 0 m ，所以其受力图类 似于上端铰支、下端弹性固结或简支的梁式结构，滑坡推力分布近似矩形，f 和f 之合力作用点大致在抗滑桩桩身的中间。所以一般情况下，锚索拉力 设计为( 1 2 4 7 ) q o 是合理的。 ( 3 ) 第三种方法考虑锚索与桩及桩锚固段周围岩土体的共同作用，将三 者视为一个整体，根据锚索与桩的协调变形机理来进行锚索预应力值的设计 呲1 。首先根据施加预应力锚索与桩的变形协调完成后，桩在滑面处的弯矩为 零，即黝厶= 0 可求出每束锚索的水平总拉力z 阳1 。然后根据等值梁法，将 受荷段视为在口点铰支、其余锚索作用点为链杆支撑的超静定梁，如图2 - 4 ， 利用结构力学中的弯矩分配法进行链杆支撑力的计算，则所得的支撑反力即 为锚索中的总水平拉力。然后根据锚索与桩的变形协调确定在锚索中产生水 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 平拉力增量，从而确定锚索中应施加的预应力值。 ( 4 ) 第四种方法在以上假定条件下，从预应力锚索抗滑桩的地质与物理 模型出发，建立其力学和数学模型，最终得到其内力分布的解析解“根 据锚索与桩变形协调条件( 如图2 - 5 ) f 6 7 锚索伸长量