预应力锚索框架与岩土体的相互作用及附加应力分布研究

预应力锚索框架与岩土体的相互作用及附加应力分布研究

随着高速公路网向山区的建设，道路风险带来了大量的土壤边坡。因此，如何采取经济安全措施加固这些边坡，确保高速公路的正常运行是一个极为重要的问题。预应力锚索框架结构采用对预应力锚索施加的预应力将滑动岩体与稳定岩体紧密连结为一体,增加岩体各层面的抗滑力,同时又通过坡面上框架梁将各个锚索有效地连成一个整体,形成一个由表及里的加固体系,进而达到防止整体边坡失稳的目的,是一种新型的抗滑结构。但作者查阅大量文献后发现,目前为止,预应力锚索框架结构对岩土体作用机理、影响范围、作用后的应力分布等的研究还相对较少,对施加预应力坡体内所产生的附加应力的研究参见有关文献资料。传统的附加应力是利用弹性理论,假定地质体为均质线弹性体推导出来的,即布辛内斯克解。但实际上,一些学者的试验研究及测量结果表明,土体中附加应力的分布是受土体的非线性、非均质和各向异性的影响的。而传统的土压力的测试中,土压力盒的埋设对土压力有一定的扰动,对测试结果有很大影响,而且价值昂贵,只能在有限深度内测试有限个点,这对研究预应力锚索框架对边坡加固后的附加应力分布是远远不够的。而附加应力却是结构设计的一个重要基础。本文在对预应力锚索框架结构力学作用机理分析的基础上,应用美国ITASCA咨询集团公司开发的FLAC3D快速拉格郎日差分程序对此作了相应的数值模拟,并对这种抑制结构作用下的附加应力分布规律进行了初步探索。1预应力锚索框架岩土体内的应力产生原因有两种:由岩土体本身自重引起的自重应力和由外荷载引起的附加应力。一般来说,自重应力引起的地基压缩变形绝大部分已经在地质历史时期完成,所以,影响坡体变形稳定性的主要为由抑制结构所引起的附加应力。采用预应力锚索抗滑,抑制件为连续格形结构地梁即框架,将梁嵌入坡体与坡面平直,并通过钻孔将钢绞线或高强度的钢丝固定于深部稳定的地层中,并在被加固体表面通过张拉产生预应力,控制岩体的变形和位移,改善岩体的应力状态,提高岩体强度,同时保证锚索在抗滑结构中的均匀性、连续性及整体性,从而达到加固边坡稳定和限制其变形的目的。预应力锚索框架中,将锚索锚固到框架上,锚固力首先作用于框架,然后通过框架传递给岩土体,从而在岩土体中产生附加应力,调整岩土体内应力环境,起到加固边坡的目的。其作用模式可以看作柱下交叉条形基础与地基之间的相互作用。而框架相对于岩土体来说是一种刚性结构,预应力锚索框架是利用施加于锚索上的预应力,通过框架传入稳定地层。根据弹性地基梁计算原理,可将锚索预应力简化为框架交叉处施加一个集中外荷载(见图1),利用荷载分配法,按交汇于接点处的纵横梁的线刚度来分配该接点处的垂向荷载,即将锚索预应力分配到各自梁上。根据锚索预应力作用的对称性,框架对地基的作用相当于锚索预应力传递到框架后分配到框架上的均布力作用在矩形面积上。所以,在锚索框架组成的抑制结构作用下,岩土体中的附加应力即相当于交叉型矩形均布荷载作用下的附加应力。2预应力锚索框架结构的flac3FLAC是快速拉格郎日差分分析(FastLagrangianAnalysisofContinua)的简写。FLAC是力学计算的数值方法之一,该名词源于流体动力学,它研究每个流体质点随时间变化的情况,即着眼于某一个流体质点在不同时刻的运动轨迹、速度及压力等。快速拉格郎日差分分析将计算域划分为若干单元,单元网格可以随着材料的变形而变形,即所谓的拉格朗日算法,这种算法可以准确地模拟材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形,尤其在材料的弹塑性分析、大变形分析以及模拟施工过程等领域有其独到的优点。FLAC3D可以模拟任意形状、任意特性的结构体与岩土体的相互作用,以及力作用在结构体上或岩土体时,结构体和岩土体的力学反应。FLAC3D可以模拟4种结构单元(梁、锚索、桩及板壳单元)。FLAC3D中,结构单元的计算模式与其他计算一样,利用的依然是与隐式矩阵算法相对应的解全运动方程的显式拉格郎日算法。结构单元力学性态的计算模拟可以通过几何大变形和小变形两种计算模式计算,而且还设置动力状态来模拟结构与岩土体的动力反应。预应力锚索框架结构中,应用的结构单元有两种:梁单元(BeamSel)和锚索单元(CableSel),其主要特点如下:梁单元:假定为线性弹性材料,为线单元,具有两个节点,每个节点6个自由度(3个位移分量和3个转动分量),可以承受一定弯矩,允许有一定的挠曲。锚索单元:为两节点的线单元,只允许轴向变形,一个自由度,只能承受拉力或压力,而不能承受弯矩。结构单元之间以及结构单元与岩土体之间的相互作用是通过联接来完成的,FLAC中有两种联接:节点与单元之间的联接和节点与节点之间的联接。其类型有三种:自由联接(节点速度与它的联接体无关)、刚性联接(节点与联接体连接在一起,速度相同)、可变连接(节点与联接体之间为弹性)。通过联接关系来实现力的传递,进而实现其相互作用。本次计算中采用的是刚性联接。3在锚索结构的作用下，增加电压的三维数值模拟3.1路堑边坡微织构及岩性特点研究区选择在福建省漳(州)龙(岩)高速公路和溪段K63+730～950与K64+690～790边坡上。地貌上属于低山-丘陵区,原始地形坡面起伏较大,陡缓相间。边坡两侧凸出,两边凹进,中部有沼泽化现象。路堑边坡开挖后,坡肩与坡脚高程分别为435m与540m,高差近100m,坡度20°～40°,平均坡度35°。主要岩性有第四系全新统坡积层(Q4dl)、残积层(Qel),下伏白垩系花岗闪长岩(K1y)以及坡脚及路面分布的边坡开挖堆积土等,为花岗岩风化壳类土质边坡。设计采用锚索框架进行护坡。3.2计算模型及边界条件模型范围:计算模型前缘以公路中心线为界,后缘以公路中心线向后延伸60m,沿坡面方向上取52.5m,底面以路面以下20m为界。地质概化模型:考虑地层单元参数取值的方便,根据福建省水文地质工程地质勘察研究院的岩土工程勘察报告,将坡体结构概化为四层:即第四系坡积层、残积层、风化花岗闪长岩层和新鲜花岗闪长岩层等。计算方案:为系统研究坡面框架地梁这种抑制结构对坡面及坡体内部附加应力分布的影响,计算模型中引入单根锚索地梁,以便与框架地梁进行对比分析(图2),并分别模拟了锚索框架及地梁边坡在三级荷载(300kN,600kN,800kN)的作用下的附加应力。边界条件:根据地貌特征及对称性,本计算模型中,在周边及底部施加约束边界。根据上述特征,建立如下计算模型(图3),共划分了5600个单元,6290个节点。3.3模型参数根据勘察报告,并进行工程地质类比,将各层所对应的群组(Group)编号及其物理力学参数取值如表1。3.4荷载作用下的附加应力岩土体中的应力产生原因有两种:由岩土体本身自重引起的自重应力和由外荷载引起的附加应力。一般来说,自重应力引起的地基压缩变形在地质历史进程中绝大部分已经完成,所以,框架底部所承受的土压力主要为由锚固力所引起的附加应力。后期的地应力场是初始天然应力场与施加结构荷载后附加应力的叠加。附加应力的布辛内斯克解是利用弹性理论,假定地质体为均质线弹性体推导出来的。实际上,根据一些学者的试验研究及测量结果,土体中附加应力的分布是受土体的非线性、非均质和各向异性的影响的。也就是说初始天然应力场在一定程度上影响着施加结构荷载后的附加应力场,而附加应力场又是结构设计的一个重要基础。因此,本文的计算步骤为:首先使坡体在天然(自重)状态下达到平衡状态,再添加结构单元(锚索、框架梁及地梁),然后对锚索施加预应力,进而计算不同预应力条件(荷载)下的附加应力。由于垂直坡面方向的应力直接影响锚索框架(地梁)底部反力,因此利用下式(柯西公式)计算该方向应力并通过FLAC3D中Fish函数嵌入FLAC3D程序之中,并利用FLAC3D的计算输出功能做了重点分析。式中,(l,m,n)为坡面三个方向的余弦。本次研究主要为垂直坡面(与坡面走向垂直)方向的附加应力,因此图4～图10所指的附加应力均为该方向的附加应力。图4～图10即为在各级荷载作用下的FLAC3D模拟结果图。从模拟结果图可以看出:a.岩土体受到由框架传递的荷载作用时,不仅在受荷面积的垂直下方范围内产生附加应力,而且在荷载面积以外的区域也产生附加应力,即发生了附加应力扩散的现象。由于地梁间距大于框架中竖肋间距,再加上横梁的影响,所以框架向外扩散的距离大于地梁扩散的距离,且地梁处附加应力基本以矩形向外扩散,而由于横梁的存在,框架外缘附加应力扩散呈一曲线型,向外扩散的距离约4m。b.附加应力的叠加效应使得框架及地梁附近出现应力集中现象。针对框架地梁来说,由于框架中竖肋间距较小,而横梁间距相对较大,横梁附近的附加应力集中程度较高。受初始应力场和坡体结构及坡形影响,最大附加应力出现在邻近坡脚的横梁附近。而对于单个地梁附近坡体,由于没有横向地梁的分载及连接作用,应力值较框架地梁处大;当加载至800kN时,地梁处出现塑性破坏区,不能承受高应力。所以高应力区明显向坡体内部转移,而框架地梁处破坏区较小,高应力区向坡体内部的转移量也相对较小。c.从剖面上看,从框架边缘至中心线附近,扩散范围逐渐增大,中线处范围最大,这与附加应力的叠加效应有关。框架附近剖面上,由于锚索力被分布在竖肋和横梁两个方向上,竖肋间距较小而横梁间距较大,在横梁处出现了应力集中现象,呈“双峰”形。地梁附近,没有横向分配荷载,附加应力分布呈抛物线形,最大附加应力出现在垂直地梁底部中心线上,且沿中心线基本呈对称分布。d.垂直坡面方向剖面上附加应力等值线图表明:垂直坡面方向上也有一定的应力扩散现象,锚索框架及地梁附近出现应力集中现象,且框架处应力集中程度较高。比较两个剖面应力等值线图可以看出,在两个横梁之间中心部位,应力集中程度较大,而且扩散程度也较大。4地梁受力分析综上所述,可以得出如下几点基本认识:a.框架相对于岩土体来说是一种刚性结构,预应力锚索框架是利用施加于锚索上的预应力,通过框架传入稳定地层。根据弹性地基梁计算原理,可将锚索预应力简化为框架交叉处施加一个集中外荷载。根据锚索预应力作用的对称性,框架对地基的作用相当于锚索预应力传递到框架后分配到框架上的均布荷载。b.岩土体受到由框架传递的荷载作用时,框架向外扩散的距离大于地梁扩散的距离,且地梁处附加应力基本以矩形向外扩散;而由于横梁的存在,框架外缘附加应力扩散呈一曲线型,向外扩散的距离约4m。c.附加应力的叠加效应使得框架及地梁附近出现应