考虑锚杆预应力作用的锚固边坡稳定性研究

摘要

岩土边坡的失稳破坏一直是岩土工程建设中经常遇到的主要灾害之一，正确评价边坡的稳定性，防忠于未然，对于确保生产建设与人民生命财产安全有着重要意义。预应力锚杆支护结构、框架预应力锚杆支护结构、土钉复合锚杆支护结构作为新型锚固结构，尽管已在工程实践中得到广泛应用，但目前在许多理论和应用上，仍存在许多问题。本文依托国家科技支撑计划项目:《白龙江流域滑坡泥石流工程防治技术研究与示范(2011BAK12807)，并结合工程实例，对预应力锚杆支护边坡、框架预应力锚杆支护边坡和土钉复合锚杆支护边坡的稳定性分析方法进行研究，完成的工作及取得的成果如下:
　　 (1)首先，基于边坡圆弧滑动破坏，根据极限平衡理论和条分法，建立附加应力作用下边坡的稳定性分析模型，给出附加应力作用下边坡的安全系数计算公式。然后，将锚杆预应力作为集中力考虑，根据半平面体在边界上受法向集中力时应力的计算方法，估算预应力在支护边坡土体中引起的附加应力，从而将锚杆预应力的作用转化为了附加应力的作用，进一步应用附加应力作用下边坡的安全系数计算公式，计算预应力锚杆支护边坡的安全系数，实现考虑预应力作用的锚杆支护边坡的稳定性分析与计算。最终，解决预应力在锚杆支护边坡设计中没有被充分考虑的问题。通过MATLAB编程实现了最危险滑移面搜索，为此方法的计算结果提供了一个可视化的输出;通过数值模拟与工程算例，对比分析了附加应力分量、预应力大小、锚杆布置对支护边坡稳定性的影响，并验证了本文方法合理性。
　　 (2)分析框架预应力锚杆支护结构的加固机理，基于圆弧滑动破坏，将框架与滑动区看作整体，并作为刚体，稳定区作为弹性地基，将预应力作为集中力作用于滑体上，求得弹性地基对滑体的反力，根据极限平衡理论和条分法，给出框架预应力锚杆支护边坡稳定性分析计算的一种简化方法。将该方法采用MATLAB编程，实现最危险滑移面搜索过程的可视化，通过算例分析并与现有边坡分析软件进行对比，验证了该方法的适用性。对框架预应力锚杆支护结构进行室内大比例模型试验，对预应力锚杆工作性能、锚杆的轴力、框架结构位移的变化规律进行了试验研究。根据试验测试结果，验证了本文所述理论计算方法的可行性和合理性。
　　 (3)通过数值模拟，对土钉复合锚杆支护结构的加固机理与工作性能进行深入分析，得出以下结论:1）土钉墙中加入预应力锚杆，能够更好地控制基坑的水平位移，相比之下，对基坑竖向位移的控制要弱一些;2)施工中安装锚杆并施加预应力后，锚杆附近已完工土钉的轴力减小，随后施工的土钉轴力受到限制。对土钉复合锚杆支护基坑进行监测，验证了数值模拟得出的结论。此外，监测实验还表明，由于预应力的作用，使得土钉轴力在施工过程中增加缓慢。
　　 (4)结合土钉复合锚杆支护边坡数值模拟与监测实验的结论，将支护结构中锚杆和土钉的作用划分开来，把锚杆附近一定范围内的土钉在稳定性分析和计算中忽略，作为安全储备，该范围以外土钉的作用在计算中予以考虑，而该范围以内的土体是受到预应力作用的土体，从而结合已有的土钉墙的稳定性分析方法，和本文的考虑预应力作用的锚杆支护边坡的稳定性分析方法，建立土钉复合锚杆支护边坡的稳定性分析模型，给出土钉复合锚杆支护边坡的安全系数计算公式。该方法既考虑了锚杆的预应力作用，又考虑了未受影响的土钉的作用，使得在土钉复合锚杆支护边坡的稳定性分析中能够给出定量结果。将该方法采用MATLAB编程，实现最危险滑移面搜索过程的可视化，通过算例分析验证了该方法的适用性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 本文研究的背景、目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 边坡稳定性分析研究现状

1．2．2 锚固结构支护边坡研究现状

1．3 本文研究的内容

第2章 预应力锚杆支护边坡的稳定性分析

2．1 引言

2．2 边坡破坏模式及分类

2．2．1 边坡破坏模式概述

2．2．2 边坡破坏模式及分类

2．3 预应力锚杆加固边坡原理

2．3．1 岩土锚杆的类型和特征

2．3．2 预应力锚杆的组成

2．3．3 预应力锚杆的支护原理

2．4 锚杆支护边坡的设计方法

2．4．1 锚杆的内力计算

2．4．2 锚杆极限拉拔承载力验算

2．4．3 锚杆长度确定

2．4．4 锚杆预应力的计算

2．4．5 锚杆支护边坡的稳定性分析

2．5 附加应力法在锚杆支护边坡稳定性分析中的应用

2．5．1 附加应力法简介

2．5．2 附加应力对边坡稳定性的影响

2．5．3 预应力引起的附加应力的估算

2．5．4 附加应力估算方法的数值验证

2．5．5 附加应力分量对支护边坡稳定性的影响

2．5．6 预应力锚杆支护边坡稳定性参数分析

2．6 本章小结

第3章 框架预应力锚杆支护边坡的稳定性分析及试验研究

3．1 引言

3．2 框架预应力锚杆柔性支护结构的作用机理

3．3 框架预应力锚杆柔性支护结构的工作过程

3．3 框架锚杆支护边坡稳定性的一种简化分析

3．3．1 引论

3．3．2 单根锚杆对滑体的作用分析

3．3．3 滑体受力分析

3．3．4 单根锚杆作用下边坡安全系数计算

3．3．5 多根锚杆作下边坡安全系数计算

3．3．6 最危险滑移面搜索

3．3．7 框架预应力锚杆支护边坡参数分析

3．3．8 与现有边坡分析软件对比验证

3．4 框架预应力锚杆柔性支护结构的试验研究

3．4．1 试验基本思路

3．4．2 试验场地和试验设备

3．4．3 试验材料

3．4．4 模型设计和试验测点布置

3．4．5 试验结果及分析

3．5 本章小结

第4章 土钉复合锚杆支护边坡的数值模拟及监测试验

4．1 引言

4．1．1 土钉支护

4．1．2 复合土钉支护

4．1．3 土钉与锚杆的关系

4．2 土钉复合锚杆支护边坡的数值模拟

4．2．1 模型的建立与模拟结果

4．2．2 施工过程中预应力对基坑变形的作用

4．2．3 施工过程中预应力对土钉轴力的作用

4．3 土钉复合锚杆支护结构的监测实验

4．3．1 工程概况

4．3．2 监测结果及分析

4．4 本章小结

第5章 土钉复合锚杆支护边坡的稳定性分析

5．1 引言

5．2 破坏模式

5．2．1 体外破坏

5．2．2 体内破坏

5．3 多排土钉加一或两排锚杆

5．3．1 稳定性分析模型的建立

5．3．2 算例分析

5．4 多排土钉加多排锚杆

5．4．1 稳定性分析方法的选取

5．4．2 算例分析

5．5 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢

附录A 攻读博士期间发表的学术论文

附录B 攻读博士期间参与的项目

附录C 最危险滑移面搜索程序代码(MATLAB)