（道路与铁道工程专业论文）震后公路边坡锚固结构工作状态评估技术研究.pdf

_ j 1吟。 ：，ljl 重庆交通大学学位论文原创性声明 i i i l l ii l li l li i l ll l l i il y 19 0 19 8 3 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：沙l1 年6 月，夕日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校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，允许论文被查 一 、 阅和借阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数 吖 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。同时授权中国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论 文全文数据库，并进行信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网 1 、“ t 络 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k 系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 文名席 日期：沙l1 年名月f 多日 指导教师 日期沙f c i 侈1 次 挈 ) 轹抽 签 ， 师 月 教： 撒o指年 f 【 o 一 礼 沙 权 期 的 日 丈淦 0 、 ljll“， j 铷 l 、 1 摘要 近些年来，随着公路边坡锚固结构使用的越来越广泛，形式也呈现多样化发 展的趋势。由于在人为因素( 设计、施工阶段不合理等) 和一些自然因素( 地震 破坏等) 的影响下，导致了一些锚固结构存在着潜在的危险，安全性得不到保障。 在查阅国内外文献资料的基础上，本论文以交通运输部科技项目“震后公路路基、 边坡与支挡结构安全性检测评估及修复加固技术研究 为依托，以都汶路锚固结 构为工程背景，通过对锚固结构的现场勘测，采用数值模拟研究了地震条件下单 锚和群锚失效时边坡的稳定性研究。 本文主要通过对各种不同类型的边坡锚固结构进行数值模拟，主要研究地震 作用等条件作用下单锚和群锚的损伤对公路边坡安全性影响。 通过研究分析取得了以下进展： ( 1 ) 对于土质边坡来说，无论是一级土质边坡、还是二级土质边坡，单锚 预应力值损失对边坡稳定性影响不是特别明显。对于二级边坡，第二级边坡的锚 杆预应力作用比较重要。 ( 2 ) 对于顺层岩质边坡，其破坏是一个渐进的过程，由最初的层间错动，发 展为顺层蠕滑，最后在坡底剪出而破坏。顺层岩质边坡的破坏型式不仅仅表现为 顺层滑动，而是由最初的顺层滑动逐步向溃曲破坏转化。单锚预应力损失时，坡 脚处的锚杆起控制作用，尽量使预应力损失减少。群锚预应力损失时，因为群锚 效应的存在，影响不太明显。一般来说不太可能出现集体预应力损失，为了避免 潜在滑移面的发生，可以使锚索锚固端处于不同面内。 ( 3 ) 对于节理化岩质边坡而言，当节理面贯通边坡时，锚杆支护预应力损 失对边坡的影响不是很明显。特别是节理面顺着坡面方向延伸到岩体深处时，边 坡岩土介质完整时，边坡仅产生俯冲效应。由于模型取的尺寸不是特别大，故未 进一步探讨是否会引起边坡坡舌的倾覆破坏。当节理面没有贯通时，对边坡的稳 定性影响较大的是平行于坡面的节理面。由于下部的第二级边坡锚杆的预应力不 断损失，造成第一级边坡的整体下滑，导致第二级边坡的位移等值线向下发生错 位。随着二级边坡锚杆的预应力损失量的不断加大，等值线错位现象也加剧了。 ( 4 ) 对于受弱面控制的岩体边坡，在弱面附近，无论锚杆索的预应力是否 损失，均会引起应力集中现象。只不过随着锚杆索的预应力损失程度增加，应力 集中现象会进一步加剧。当弱面的布置方式为贯通坡肩和坡脚时，边坡的潜在滑 移面一定在弱面附近。锚索支护长度要穿过滑移面并且锚固到深部岩体内一定长 度自不必言，但是这可能会在某种外部力量的作用下使锚固端产生新的潜在滑移 ，v 、一。? ， 1，v l厂 面。 h 关键词：锚固结构；顺层边坡，节理化；俯冲效应；滑移面 ? p _-； ，、4 ，fk舻rj a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ef o r mo fa n c h o rh a sd i v e r s i f i e dd e v e l o p m e n tt r e n da st h e a n c h o rs t r u c t u r eo fh i g h w a ys l o p eu s e dm o r ea n dm o r ew i d e l y t h es a f e t yo ft h e a n c h o ri sn o tg u a r a n t e e db e c a u s eo ft h eh u m a nf a c t o r s ( d e s i g n ，c o n s t r u c t i o ns t a g ei s n o tr e a s o n a b l e ，e t c ) a n ds o m en a t u r a lf a c t o r s ( e a r t h q u a k ed a m a g e ，e t c ) u n d e rt h e i n f l u e n c eo fa n c h o rs t r u c t u r e ，w h i c hl e a d i n gs o m ep o t e n t i a l l yd a n g e r o u s i na c c e s s b a s e do nt h el i t e r a t u r e s ，t h i st h e s i sr e l yo nt h et e c h n o l o g yp r o j e c t ”p o s t e a r t h q u a k e h i g h w a yr o a d b e d ，s l o p e a n dr e t a i n i n gs t r u c t u r es e c u r i t yi n s p e c t i o na p p r a i s a la n d r e p a i rr e i n f o r c e m e n tt e c h n o l o g yr e s e a r c h ”f r o mt h em i n i s t r yo ft r a n s p o r t t h ea n c h o r s t r u c t u r eo fd u w e nr o a di sf o re n g i n e e r i n gb a c k g r o u n do ft h i st h e s i s t h en u m e r i c a l s i m u l a t i o ns t u d yo fs i n g l ea n c h o ra n dg r o u po f a n c h o rt h es t a b i l i t yo ft h es l o p ef a i l u r e i sb a s e do nt h ef i e l ds u r v e yo fa n c h o rs t r u c t u r e t h i st h e s i sm a i n l yr e s e a r c ht h es a f e t y i n f l u e n c eo ft h ed e s t r u c t i o no fs i n g l ea n c h o ra n da n c h o rc a b l eg r o u po fh i g h w a ys l o p e t h r o u g hv a r i o u sd i f f e r e n tt y p e so fs l o p ea n c h o r a g e s t r u c t u r e b ys t u d ya n da n a l y s i sm a d et h ef o l l o w i n gp r o g r e s s ： ( 1 ) f o rs o i ls l o p e ，w h e t h e rl e v e lf o rp r a c t i c a ls l o p e ，s o i ls l o p eo rs e c o n d ，s i n g l e a n c h o rp r e s t r e s sv a b ：el o s so nt h es l o p es t a b i l i t yi n f l u e n c ei sn o tp a r t i c u l a r l ye v i d e n t s e c o n d a r ys l o p e ，t h es e c o n df o rs l o p ea n c h o rp r e s t r e s sf u n c t i o ni sm o r ei m p o r t a n t ( 2 ) f o rb e d d i n gr o c ks l o p e ，t h ed a m a g ei s ag r a d u a lp r o c e s s ，f r o mi n i t i a l i n t e r l a y e rd i s l o c a t i o na n dd e v e l o p m e n tf o rb e d d i n gv e r m i c u l a rs l i p p e r y ，f i n a l l yc u t o u ta n dd e s t r o y e di nt h eb o t t o m b e d d i n gr o c km a s ss l o p ef a i l u r et y p el i e sn o to n l y f o rb e d d i n gs l i d i n g ，b u tf r o mt h ei n i t i a lb e d d i n gs l i d i n gg r a d u a l l yt oc o l l a p s ei n t o m u s i cd e s t r u c t i o n ( 3 ) f o rj o i n t e dr o c km a s ss l o p ei sc o n c e r n e d ，w h e nj o i n t sf a c et r a n s f i x i o ns l o p e ， b o l t i n gs u p p o r tt o t h ei n f l u e n c eo ft h el o s so fp r e s t r e s ss l o p ei sn o to b v i o u s e s p e c i a l l ya l o n gt h es l o p es u r f a c ej o i n t e dr o c kd i r e c t i o n ，e x t e n d sd e e ps l o p er o c k m e d i u mc o m p l e t e ，s l o p ep r o d u c e so n l ys u b d u c t i o ne f f e c t t h es i z eo ft h em o d e li sn o t p a r t i c u l a r l yb i gt a k e ，i td i dn o tf u r t h e rt oe x p l o r ew h e t h e rc a nc a u s eg e o g r i dt o n g u e o v e r t h r o wd a m a g e w h e nj o i n t sw h e nt of a c en ob r e a k t h r o u g h ，t h es t a b i l i t yo ft h e s l o p ei sp a r a l l e lt ot h eg r e a ti n f l u e n c eo ns l o p es u r f a c ej o i n t e dn o o d l e s k 0 ；： - 一 p ， ， y ，if、zf，4 ( 4 ) b yw e a kl e v e lc o n t r o lf o rt h es l o p er o c km a s si nw e a ks u r f a c e ，n e a rt h e p r e s t r e s s e da n c h o rc a b l e ，n om a t t e rw h e t h e rl o s s e s ，s h a l lc a u s es t r e s sc o n c e n t r a t i o n p h e n o m e n o n j u s t a sa n c h o rc a b l e p r e s t r e s s l o s sr a t ei n c r e a s e ，t h es t r e s s c o n c e n t r a t i o np h e n o m e n o nw i l lf u r t h e ri n t e n s i f i e s w h e nt h ea r r a n g e m e n tf o rt h e w e a ks h o u l d e ra n ds l o p ef o rb r e a k t h r o u g hs l o p eo ft h es l o p ef o o ts l i ps u r f a c em u s tb e i np o t e n t i a lw e a ks u r f a c en e a r b y a n c h o rs u p p o r t i n gt h r o u g hs l i d i n gs u r f a c ea n d l e n g t ho fa n c h o r a g el e n g t ht od e e pr o c k sf r o mw i t h i n ，b u tt h i sm a yn o tw o r d si ns o m e e x t e r n a lf o r c et h a tu n d e rt h ea c t i o no ft h ep r o d u c en e wp o t e n t i a ls l i d i n ga n c h o r a g e f a c e f i n a l l y ，t h ea c t u a le n g j n e e d n gp r a c t i c eg u i d a n c e ，a n dr e l a t e ds u g g e s t i o n sw e r e g i v e db yu s i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s k e yw o r d s ：a n c h o rs t r u c t u r e ；b e d d i n gs l o p e ，j o i n t e d ；s u b d u c t i o ne f f e c t ；s l i d i n g s u r f a c e ； 1 ) ， ，ir0， 。 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景及意义 1 2 国内外研究现状 1 2 1 单锚工作状态研究现状 1 2 2 群锚工作状态研究现状 1 3 本文的研究思路和技术路线 1 4 主要研究内容和研究成果 第二章边坡锚固结构加固机理及失效分析研究9 2 1 边坡预应力锚索加固机理9 2 2 预应力锚索锚固段应力分布特征1 0 2 3 锚固效应及加固效果1 l 2 3 1 预应力锚索锚固效应1 1 2 3 2 加固效果1 2 2 4 边坡锚固结构失效原因1 2 2 4 1 勘察失误造成锚固结构的失效1 2 2 4 2 设计不合理造成锚固结构的失效1 3 2 4 3 施工原因导致锚固结构的失效1 4 2 4 4 运营不当导致锚固结构的失效1 5 2 5 锚固结构失效的主要模式1 5 2 6 锚固结构失效的影响1 8 2 7 锚固结构边坡安全性分析方法1 9 2 7 1 强度折减法2 l 2 7 2 数值分析软件2 2 2 7 3 建模思想2 6 2 7 4 计算分析说明2 6 第三章土质边坡锚固结构工作状态分析2 8 3 1 土质边坡锚固结构工作状态分析2 8 3 2 一级边坡锚固结构工作状态分析2 9 3 2 1 单锚预应力损失对一级边坡稳定性的影响2 9 3 2 2 群锚预应力损失对一级边坡稳定性的影响3 5 3 3 二级边坡锚固结构工作状态分析4 1 3 3 1 单锚预应力损失对二级边坡稳定性的影响4 2 3 3 2 群锚预应力损失对二级边坡稳定性的影响4 9 3 4 小结5 5 第四章岩质边坡锚固结构工作状态分析5 6 4 1 顺层边坡锚固结构工作状态分析5 7 4 1 1 一级边坡锚固结构工作状态分析5 8 4 1 2 二级边坡锚固结构工作状态分析6 5 4 1 3 小结7 2 ；：，tf 第五章节理化岩质边坡锚固结构工作状态分析7 3 5 1 一级节理岩质边坡锚固结构工作状念分析7 3 5 1 1 单锚轴力损失对一级边坡稳定性的影响7 4 5 1 2 群锚轴力损失对一级边坡稳定性的影响7 8 5 2 二级节理岩质边坡锚固结构工作状态分析8 2 5 2 1 单锚轴力损失对二级边坡稳定性的影响8 3 5 2 2 群锚轴力损失对二线边坡稳定性的影响8 7 5 2 3 小结9 0 第六章受软弱面控制边坡锚固结构工作状态分析9 1 6 1 一级边坡锚固结构工作状态分析9 1 6 。1 1 单锚轴力损失对一级边坡稳定性的影响9 3 6 1 2 群锚轴力损失对一级边坡稳定性的影响9 7 6 2 二级边坡锚固结构工作状态分析1 0 1 6 2 1 单锚轴力损失对二级边坡稳定性的影响1 0 3 6 2 2 群锚轴力损失对二级边坡稳定性的影响1 0 7 6 3 小结、1 l o 第七章结论与展望1 1 1 7 1 结论1 11 7 2 建议1 1 2 7 3 展望j 1 1 2 致谢11 3 参考文献1 1 4 在学期问的科研成果及发表的论著1 1 6 ，0j 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 汶川地震是中华人民共和国自建国以来影响最大的一次地震，震级是自1 9 5 0 年8 月1 5 日西藏墨脱地震( 8 5 级) 和2 0 0 1 年昆仑山大地震( 8 1 级) 后的第三 大地震，直接严重受灾地区达1 0 万平方公里。 统计资料表明，这次地震危害极大，共遇难6 9 2 2 7 人，受伤3 7 4 6 4 3 人，失 踪1 7 9 2 3 人。其中四川省6 8 7 1 2 名同胞遇难，1 7 9 2 1 名同胞失踪，共有5 3 3 5 名 学生遇难，1 0 0 0 多名失踪，这次汶川地震造成的直接经济损失8 4 5 1 亿元人民币。 四j i i 最严重，占到总损失的9 1 3 ，甘肃占到总损失的5 8 ，陕西占总损失的 2 9 。 国家统计局将损失指标分三类，第一类是人员伤亡问题，第二类是财产损失 问题，第三类是对自然环境的破坏问题。在财产损失中，房屋的损失很大，民房 和城市居民住房的损失占总损失的2 7 4 。包括学校、医院和其他非住宅用房的 损失占总损失的2 0 4 。另外还有基础设施，道路、桥梁和其他城市基础设施的 损失，占到总损失的2 1 9 ，这三类是损失比例比较大的，7 0 以上的损失是由 这三方面造成的。地震不仅造成公路设施路、桥、隧的直接毁坏，而且，地震引 发的崩塌、滑坡、泥石流以及落石( 飞石) 等次生灾害，数量之多，分布之广、类 型之复杂、破坏之巨大，举世罕见n 1 。这些次生地质灾害对公路设施造成了极大 毁坏。 汶川地震使四川省交通基础设施损毁表现为以下4 个特点： ( 1 ) 受损范围广。四川省2 0 个市( 州) 、1 3 9 个县( 市、区) 的高速公路、国 省干线、农村公路以及码头、客运站点和养护设施不同程度受损，其中重灾区的 阿坝、广元、绵阳、成都、德阳、雅安等市( 州) 、3 9 个县( 市) 的各类交通设施 严重受损。通往汶川、茂县、北川、青川等重灾县以及2 5 4 个乡镇公路交通一度 完全中断。灾害造成2 1 条高速公路、1 6 条国省干线公路、2 4 x1 0 4k m 农村公 路的路基路面、桥梁隧道等结构物不同程度受损，受损里程近2 8 x1 0 4 k m ( 其中 高速公路近2 0 0 k m 、国省干线公路约3 8 0 0 k m 、农村公路2 4 1x1 0 4 k m ) ，损坏国 省干线桥梁6 7 0 座，总长4 5 3 2 3 m ；其中隧道2 4 座，总长2 0 4 1 7 m ，受损的客运 站为3 9 5 个，其中国家级枢纽9 个、县级站4 4 个。 ( 2 ) 损害程度重。许多经过多年努力才建成的交通设施毁于一旦，一些路段 全面损毁，造成毁灭性、根本性破坏。据不完全统计，四川省交通基础设施直接 2第一章绪论 经济损失按原值价测算达人民币5 8 0 亿元以上。 ( 3 ) 抢通难度大。震后3 个月仍有3 条国省主干线未抢通( 国道2 1 3 线映秀 一汶川段，省道3 0 3 线映秀至耿达段，省道3 0 2 线茂县一北川公路擂鼓镇一禹 里乡段) 。 ( 4 ) 保通工作艰巨。山体滑坡、崩塌、泥石流等次生灾害频繁发生，还将会 造成交通基础设施新的破坏，给恢复重建工作带来新的困难。 历次地震危害表明，公路交通网络是人们赖以生存的必要条件，是生命线工 程的重要组成部分。生命线工程的地震破坏不仅造成直接的经济损失，而且直接 影响到震后抢险、救灾和恢复重建，影响巨大。 2 0 0 8 年5 月1 2 日汶川地震初期，震中的国道3 1 7 线、国道2 1 3 线道路中断， 都江堰通往汶川的公路已经完全中断，阿坝州境内多条国省干线公路交通中断， 小金境内四川省道3 0 3 线、2 1 0 线交通全部中断，西线生命通道4 8 小时以后才 打通，严重制约了救灾行动。 地震诱发的边坡滑动是主要的地震地质灾害类型之一，在山区和丘陵地带， 地震诱发的滑坡往往具有分布广、数量多、危害大的特点。5 1 2 汶川大地震诱发 了大量的滑坡，造成了巨大的经济损失和人员伤亡。据统计，汶川地震滑坡造成 的次生灾害损失占整个地震损失的约1 3 。地震边坡稳定性分析已成为岩土工程 界和地震工程界的重要课题之一。 其中，由于受地震的影响，边坡锚固结构均受到了不同程度的破坏，锚固边 坡存在一定的安全隐患，如何通过对锚固结构破坏的分析，来判断边坡安全性， 从而保证公路的安全运营，防止灾害的发生将有着十分重要的意义嗍。 为使震后灾区公路恢复重建工作有效进行，也为今后类似的灾后恢复重建提 供技术手段，交通运输部西部交通建设科技项目管理中心设立震后公路路基、 边坡与支挡结构安全性检测评估及修复加固技术研究项目，以期通过研究，提 出路基、边坡和支挡结构检测手段与评价方法，以及有效的修复加固技术，达到 及早发现，主动预防和治理，消除安全隐患，保障公路畅通的目的。本文依托该 项目而来，实体工程为都汶工程和映汶高速公路。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 单锚工作状态研究现状 自从1 9 1 1 年没美国首先将锚杆应用于矿山巷道支护以来，锚固技术已经经历 了近一个世纪的发展。从最初人们的怀疑、疑虑，发展到今天，锚固技术已经不 i j 第一章绪论 3 受限制地广泛应用于岩土工程的各个方面。由于锚杆支护显著的技术经济优越 性，现已发展成为世界各国矿井巷道以及其他地下工程支护的一种主要形式o 。 我国矿山巷道的锚杆支护的发展也比较迅速。据煤矿和金属矿山巷道中采用 锚杆支护或锚杆与喷射混凝土支护的初步统计，从1 9 6 0 - 1 9 9 5 年未的3 5 年问，累 计使用量已超过3 5 0 0 0 k m ，年使用量已超过16 0 0 k m 川。 关于岩土锚固结构单锚工作状态研究中，近年来国内不少学者对此展开了广 泛的调查研究。 张发明通过研究认为：岩石的强度、岩石结构面的发育程度及结合程度、注 浆体的强度等级是影响注浆体与岩土体粘结失效的主要因素作者应用数理统计 的方法及室内试验方法的对比，对已有成功经验的锚固设计建立了粘结强度和岩 体结构特征、岩体强度指标及岩体基本质量的关系，完成了内锚固段长度统计的 图标制作，为工程设计人员确定岩土体与锚固注浆体之间的粘结强度提供了很大 的方便吼。 杨松林通过对三峡工程灌浆锚杆的现场实验研究和理论分析指出，归纳起 来，灌浆锚杆有4 种可能的破坏形式，l 钢筋的破坏；2 岩体的破坏；3 钢筋与砂 浆接触面的破坏；4 岩石与砂浆接触面的破坏。拉拔过程中锚杆的这几种形式的 破坏不是彼此孤立的，可能两种或几种形式先后出现在同一拉拔工作中，影响灌 浆锚杆锚固性能的因素也很多，包括钢筋的直径、等级、埋深和表面特征，一级 岩体的风化程度、锚孔直径、孔壁特征、砂浆性质和施工质量等因素。这些因素 的综合作用决定着锚杆具体的破坏形式订1 。比如说，如果破坏发生在锚杆与砂浆 的交界面，锚固强度并不是由砂浆的粘结强度决，而是由锚杆的表面形状决定的； 锚杆直径与钻孔直径的关系也影响着锚杆的锚固性能和破坏形式。锚杆直径与钻 孔直径的关系不同时，破坏面出现的位置也不同，可能是钢筋和砂浆的交界面， 也可能是砂浆与岩石的交界面。因此，锚杆直径与钻孔直径存在一个最佳组合， 使得锚杆的抗拔力达到最大值，这种匹配本质上取决于剪应力和径向应力在一定 厚度砂浆中的传递规律嘲。 韩光在研究中提出，锚索预应力损失因素包括以下几点：张拉锁定时造成的 损失；锚索材料松弛；施工不当；岩体蠕变；外部因素包括降雨、开挖爆破以及 温度地震的影响等。其通过大量工程实例的监测结果分析，锚索锚固锁定后预应 力的变化一般都经三个阶段，第一阶段预应力快速损失阶段：在此阶段，锚索预 应力快速损失，其损失值仅次于锁定损失，而且持续时间较短，但是岩性不同， 时间也不同嘲。岩性较好的硬岩，持续时间一般为一周左右，而较软弱岩体则时 间较长，一般可达一月左右。第二阶段预为预应力波动变化阶段：无论岩体的质 量好坏，从现场监测的锚索预应力变化曲线都可以发现预应力波动变化阶段。其 4第一章绪论 变化特征表现为预应力值高频低幅波动。究其原因主要是岩体和锚索在内部应力 调整，产生压缩、回弹的反复工程，从而导致锚索预应力出现变化引。此阶段的 持续时间一般为一个月左右。第三阶段为平稳变化阶段：此阶段预应力变化的规 律比较平稳，虽然一般呈现下降的趋势，但是下降幅值一般都不是很大，究其原 因主要是岩体在锚索锚固作用下变形已经趋于稳定变形，且变形量不大，同时锚 索体本身的松弛也已基本不再发展，所以此阶段锚索预应力即锚索提供的锚固力 的变化不是很大。 高勤福n 2 1 等对煤矿被动锚失效现象进行了分析总结，归纳得出了五种失锚现 象：杆体断裂失锚，约占2 ；托板失效失锚，约占5 - - - , 6 ；螺母失效失锚，约占 1 5 ；粘结失效失锚，约占4 8 ；锚空失锚，约占2 9 - - 3 0 。这种调查研究主要采 用现场调查与测试的手段开展，归纳总结出的失效类别主要从影响因素的角度着 眼，难免存在对锚固失效类别的调查与认识不全面的情况。官山月n 等学者采用 室内试验和现场测试相结合的手段，研究总结出岩体中树脂锚杆锚固失效的四种 形式：锚固卷沿钻孔孔壁滑动、钻孔孔壁岩体被剪切破坏、锚杆从锚固卷中拉出、 锚杆附近的锚固剂被剪切破坏。这种锚固失效类别的划分主要考虑了力学机理， 不过仅研究了被动锚情况，对主动锚未开展研究。苏学贵等n 钔对主动锚预应力损 失这种失锚现象进行了分析研究，得出了影响预应力损失的因素：锚索材料、岩 土体徐变、锚固围岩中发生的冲击力、锚固体系、施工质量等。不过其研究工作 未归纳总结出主要的影响因素，且仅从定性方面进行了探讨。黄福德等n 础采用室 内1 ：5 0 的模型试验、有限元数值仿真分析、断裂力学理论等手段对某水电站岸坡 锚固失效进行了分析研究，并采用现场埋设仪器观测进行验证，研究获得了一些 有益的结论，不过其研究成果主要体现在锚固失效机理方面，并未总结出锚固失 效形式，同时由于有限元数值仿真分析中未耦合一定的预测方法，故对失效形式 的分析有些失真。 唐树名在岩土锚固安全评价与处治技术研究指出，对单锚的安全评价提出了 四项指标：锚长、灌浆饱满度、预应力及腐蚀程度。在“四指标 中，锚长指标 的安全评价结果对整个单锚的安全评价结果的影响至关重要，特别是当锚长安全 评价结果为不合格时。因为采用锚对边坡进行加固时，其加固机理是利用锚力将 边坡临空面附近的不稳定岩土体固定在远离临空面的边坡深部稳定岩土体上，这 就要求锚的长度要足够，必须穿过不稳定岩土体且必须进入岩土体中一定深度以 提供足够的锚力。因此当锚长不合格时，该锚要么未穿过不稳定岩体、要么穿过 了不稳定岩土体但深入稳定岩土体中长度不够致使无法提供足够的锚力，此时该 锚发挥不了作用，显然不安全，鉴如此，对锚长指标，当评价结果为不合格时， 整个单锚的安全评价结果应取为不安全；当锚长指标评价结果为合格或优良时， 第一章绪论 5 此时再考虑与其他三个指标安全评价结果结合，再综合判断单锚的安全性。 1 2 2 群锚工作状态研究现状 在群锚研究中，各国学者也做了一定的探究，主要体现在理论阶段。 李俊光卅提到由于多根预应力锚索的作用，每根锚索的压应力集中区互相叠 合将形成一个完整的压缩带。压缩带的分布形态与锚索布置方式、间距、锚索根 数以及预应力大小有关。在4 根锚索的作用下，压缩带在表面近似表现为矩形区 域，沿轴向表现为椭球面。 在多根预应力锚索的作用下，沿锚索轴向土体的压应力分布呈指数形式衰 减；压缩带内沿轴向不同铅直剖面上的最大压应力作用点随着剖面与表面距离的 增加而逐渐剖面压缩区中心，各剖面压缩区内应力分布也趋于均匀化，具体见图 所示。随着锚索根数的增加，所产生的压缩带的影响深度、沿锚索径向的扩散范 围均随之增大：压缩带内土体沿锚索轴向的压应力值及变形量也逐渐增加。压应 力区影响半径从6 m 增力n n l 4 m 。 预应力群锚的相互作用，使得内锚固段周边土体形成拉、压应力交汇区。如 果每根锚索的长度相近，内锚段末端位于土体同一深度；此时，拉、压应力集中 区的范围及应力量值均随锚索根数的增加而增大。为了避免群锚引起内锚段附近 深部土体的拉裂破坏，可以通过间隔布置不同长度的预应力锚索的方法以改善该 区域内的应力状态n 。 对于群锚中某单锚或几根锚失效的情况下，群锚效应体现的非常明显。唐树 名指出，单锚失效所释放的下滑力可能转移至群锚中的其他锚，也可能转移至滑 动面，或者是坡面上的格栅支挡结构，取决于单锚所处的位置、结构面的力学性 质以及边坡的加固方案等因素。 坡体中的某一排锚索失效将导致下滑推力重新分布，剩余锚索的轴力及坡体 位移将大幅增长，但轴力沿锚索的整体分布形态基本不变。承担较大荷载的上排 索对约束坡顶竖向位移效果显著，下排索对约束坡脚水平位移效果显著，一旦这 两处的锚索失效，对边坡稳定性影响较大，而中排锚则相对安全n 引。 滑动面上的接触反力随锚索预应力损失和上部锚索的失效逐渐降低，随下部 锚索的失效逐渐增大。 谢群通过研究认为群锚拉剪复合作用下群锚承载力的计算方法分为两弹性 设计方法和塑性设计方法，并得出用弹性设计方法计算出的群锚承载力是偏于安 全的，而塑性设计方法可能会偏于不安全，由于群锚受力的复杂性和破坏形式的 多样性，塑性设计方法并不成熟，而且在该方面的研究也较少。 夏元有u 们等学者通过对群锚的数值试验得出了一些观点和结论。当锚固边 6笫一章绪论 坡在旋转超载过程中，坡顶的几根锚索的预应力有所增加，其他锚索的预应力基 本不增加。当坡顶上施加斜向下滑力继续超载试验时，锚索预应力普遍逐步加大， 并呈从下到上逐步增大趋势。锚索体内轴力受拉，且在自由段较大，内锚固段较 小。自由段轴力的分布基本是均匀的，由外向内略有下降。在内锚固段，索体外端 轴力较大，向内迅速衰减，且从外到里呈指数型衰减。 许明乜0 3 等学者通过模型试验对群锚失效对边坡稳定性影响做了一定的研究， 获得了具有实际应用价值的结论。锚索采用2 x 2 方形布置，试件中锚的倾角均 为下倾为1 0 9 。，锚的间距为1 2m x1 1m 。荷载恢复至4 5k n 后继续加载， 试件结构面上部滑体首先出现两条竖直压致张裂纹，其中一条由坡顶向结构面延 伸，一条由结构面向坡顶延伸。随着荷载增加，两条竖直裂纹逐渐扩展、贯通， 形成宏观破裂面。由坡顶向结构面延伸的另一裂纹直接拐向坡面，形成与结构面 大致平行的贯通剪切面。此后，坡脚因剪应力高度集中而剪裂，坡项因中下部试 件变形牵引产生拉应力而致拉裂，裂纹不断增多增宽。在试件贯通裂纹的两侧也 不断出现新的斜裂纹。坡顶荷载加至8 5k n 时，上排锚索同时断裂，下排锚索张 力在短暂增大后迅速降低至0 ，试件水平位移、竖向位移急剧增加，坡顶荷载陡 降5 9 。由此可见，上排二根锚索卸荷后，下排锚索不堪重负，张力随之减小， 表明群锚效应丧失，锚索承担的总荷载减小至0 。由于坡体所处的二维压应力状 态仍具有较高的残余强度，故仍可承受较高的荷载；继续加至1 1 0k n 时，下滑体 裂纹发育，下排锚索张力从零逐渐增大。上部滑体沿结构面滑动显著，下部滑体 沿宽度方向断为两截，宏观上类似于单轴压力作用下的劈裂破坏，试件侧面竖直 裂纹开展丰富。下排锚索虽亦已断裂，与试件开展裂纹相交的锚索部分由于栓销 作用，仍可提供一定的约束力。 1 3 本文的研究思路和技术路线 本文通过现场调查，分析和总结前人研究成果的基础上，对公路边坡锚固结 构工作状态评估技术进行研究和探讨，并采用数值模拟软件对各种情况进行分 析。主要研究思路如下： ( 1 ) 对灾区公路边坡锚固结构进行详细的现场调研，充分收集相关资料并 对之进行深刻分析。 ( 2 ) 采用预应力锚杆做为研究对象，结合实际工况利用数值模拟软件分析 不同边坡情况下，分析单锚工作状态及其不同程度损伤后对边坡稳定性的影 响。 ( 3 ) 采用数值模拟软件对群锚工作状态及其不同程度损伤后对边坡稳定性 的影响的研究和分析。 第一章绪论7 1 4 主要研究内容和研究成果 本文依据震区的公路边坡锚固结构的实际情况，对其破坏的锚固结构工作状 态及其不同程度损伤后对边坡稳定性的影响进行研究和分析。主要研究工作如 下： ( 1 ) 对于均匀土质边坡预应力的破坏采用数值模拟分析，包括单锚和群锚 的破坏对公路边坡稳定性的影响。 ( 2 ) 对于顺层岩质边坡锚固结构预应力锚杆的破坏采用数值模拟分析，包 括单锚和群锚的破坏对公路边坡稳定性的影响。 ( 3 ) 对于含节理岩质边坡锚固结构预应力锚杆的破坏采用数值模拟分析， 包括单锚和群锚的破坏对公路边坡稳定性的影响。 ( 4 ) 对于受软弱面控制的岩质边坡锚固结构预应力锚杆的破坏采用数值模 拟分析，包括单锚和群锚的破坏对公路边坡稳定性的影响。 取得了一下研究成果： ( 1 ) 对于土质边坡来说，无论是一级土质边坡、还是二级土质边坡，单锚 预应力值损失对边坡稳定性影响不是特别明显。对于二级边坡，第二级边坡的锚 杆预应力作用比较重要。 ( 2 ) 对于顺层岩质边坡，其破坏是一个渐进的过程，由最初的层间错动，发 展为顺层蠕滑，最后在坡底剪出而破坏。顺层岩质边坡的破坏型式不仅仅表现为 顺层滑动，而是由最初的顺层滑动逐步向溃曲破坏转化。单锚预应力损失时，坡 脚处的锚杆起控制作用，尽量使预应力损失减少。群锚预应力损失时，因为群锚 效应的存在，影响不太明显。一般来说不太可能出现集体预应力损失，为了避免 潜在滑移面的发生，可以使锚索锚固端处于不同面内。 ( 3 ) 对于节理化岩质边坡而言，当节理面贯通边坡时，锚杆支护预应力损 失对边坡的影响不是很明显。特别是节理面顺着坡面方向延伸到岩体深处时，边 坡岩土介质完整时，边坡仅产生俯冲效应。由于模型取的尺寸不是特别大，故未 进一步探讨是否会引起边坡坡舌的倾覆破坏。当节理面没有贯通时，对边坡的稳 定性影响较大的是平行于坡面的节理面。由于下部的第二级边坡锚杆的预应力不 断损失，造成第一级边坡的整体下滑，导致第二级边坡的位移等值线向下发生错 位。随着二级边坡锚杆的预应力损失量的不断加大，等值线错位现象也加剧了。 ( 4 ) 对于受弱面控制的岩体边坡，在弱面附近，无论锚杆索的预应力是否 损失，均会引起应力集中现象。只不过随着锚杆索的预应力损失程度增加，应力 集中现象会进一步加剧。当弱面的布置方式为贯通坡肩和坡脚时，边坡的潜在滑 移面一定在弱面附近。锚索支护长度要穿过滑移面并且锚固到深部岩体内一定长 8第一章绪论 度自不必言，但是这可能会在某种外部力量的作用下使锚固端产生新的潜在滑移 面。 第一二章边坡锚f j i i 结构加i 州机理发失效分析研究9 第二章边坡锚固结构加固机理及失效分析研究 2 1 边坡预应力锚索加固机理 预应力锚索加固最早是从应用地下洞室加固逐渐应用到地表边坡和基坑工 程中的，在预应力锚索支护中，设计中锚索参数是首先要考虑的。 对预锚支护在地下洞室加固的作用机理，地下工程研究专家认为其起悬吊、 组合梁和挤压加固的作用。显然，预锚支护对洞室的加固机理与洞室的空间几何 形状有关，而边坡的空间几何形状有别于地下洞室，预锚支护对边坡的加固机理 不完全等同于地下洞室，陈建平等( 2 0 0 1 ) 认为，在岩质边坡中，预锚起压力墙和 组合梁的作用。 从加固机理分析，相对于如挡土墙、抗滑桩、护坡墙、格子梁等被动式加固 方法而言，预锚加固为主动式加固。所谓主动式加固，指视被加固体既为荷载体 又视为承载体。加固体与被加固体合为一体共同承载。显然，在作用机理上，主 动式加固更科学合理、更经济。 对于预锚的压力墙机理可以这样分析，当岩质边坡没有明确的滑动面，但岩 体被多组节理、层理切割成不规则块状，破裂面呈不连续状，或呈陡峭形，或逆 坡向，这种情况下碑坏呈塌落、倾倒等坍塌形式，往往层层递进。这种含软弱结 构面的岩体稳定性主要由其间结构面的抗剪强度决定，岩质边坡的系统锚杆大大 提高了锚固区域破碎岩体的整体性，同时，锚固区域锚杆与岩体共同形成厚度与 锚杆深度相近的压力墙( 如2 1 ) ，并控制了锚固区域外的岩体变形，压力墙因镶 嵌在岩体中，它的作用不完全类同于挡土墙和抗滑桩，其主动式的加固机理决定 加固后的边坡能“自我”稳定，这也是预锚加固边坡的优越性之一。 图2 1 锚杆的压力墙作用 f i g u r e2 1 t h ep r e s s u r ew a l lm l eo f a n c h o r 1 0 第一二章边坡锚l 州结构加同机理及失效分析研究 对于预锚的组合梁作用，当岩体含软弱央层或软弱结构面，且岩层的产状与 岩体边坡坡面相近，结构面问c 、必值较小，极易发生顺层滑移。使用预锚加固 时，将锚杆与结构面近似垂直方向布置，预锚的加固大大提高了软弱央层的抗剪 切强度，锚杆起了力学组合粱的铆钉作用( 如图2 2 ) 。在这种作用下，预锚的 加固作用是十分明显的。 混 j 的层理或片理 图2 2 锚杆的组合梁作用 f i g u r e2 2t h ea n c h o rr o l eo fb e a m s 2 2 预应力锚索锚固段应力分布特征 内锚固段的应力分布直接关系到锚固的优化设计，由于在锚固段设计中一般 采用剪应力沿锚固段全长均匀分布的假定，与实际工程中的应力分布存在很大的 差异，根据已有工程资料分析可知，无论是水泥浆，还是水泥砂浆作为锚固材料 的预应力锚索，剪应力的分布都具有指数分布的特点。 藿 穴 曩 0 。21 22 23 75 77 r o 睫僚褥段授d 晌 内警瑁段恸阳 。i 图2 3 锚索轴力及剪应力沿锚国段分布规律( 据锚固结构部位应力分布) f i g u r e2 3t h ea x i a lf o r