膨胀性岩土路堑边坡加固设计及效果分析

D0I:10.13374/i.issm1001-053x.2005.02.035 第27卷第2期 北京科技大学学报 Vol.27 No.2 2005年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2005 膨胀性岩土路堑边坡加固设计及效果分析 吴顺川张友葩高永涛 北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 摘要根据郑州市西南绕城高速公路膨胀性岩土路堑边坡在施工过程中的实际破环状况， 将边坡分成四个加固区域，针对不同区域的实际情况采取不同的加固方案，按照不同加固结 构的设计参数和坡体自然属性，利用数值分析方法，对加固后坡体稳定性及加固结构承载性 能进行了系统分析，结果表明，加固后坡体稳定性得到显著提高，加固结构尤其是自预应力 锚杆，表现出良好的承载性能，使得不同类型的加固结构与坡体构成有效的承载整体. 关键词公路工程：路堑边坡：加固结构：自预应力锚杆：稳定性：数值分析 分类号U412.221:U416.1*4 位于河南省郑州市的西南绕城高速公路，其 同的加固段落：k29+450-k29+700左坡、k29+700- k29+450k29+900路堑边坡在开挖揭露后发现， k29+900左坡、k29+540-k29+750右坡、k29+750 岩体的物理力学性质与原设计差异较大，岩性较 k29+900右坡，本设计边坡加固范围主要为：原按 差，有渗水和局部膨胀现象，且在局部已经发生 石质边坡设计但开挖后实际地质条件发生变化 了滑塌，并有进一步扩大的迹象.原加固设计中， 的路堑边坡，即K29+450-K29+900左坡及K29+ 边坡的一、二级坡率分别为1：0.5,1：1及简单的浆 540-K29+900右坡. 砌片石坡面防护，已不能满足边坡稳定需要及施 工安全.因此，工程建设指挥部决定针对该区段 2加固方案 边坡稳定性进行专题研究，以期根据工程的具体 对于该段路堑边坡加固，由于边坡岩土体中 情况，寻求合理的加固方案 含有大量的膨胀性物质，为确保坡体的稳定，杜 1加固范围 绝膨胀性物质产生巨大膨胀力对加固结构的破 坏，如果锚杆安装完成后直接施加预应力，在边 工程揭露后的具体情况：边坡岩土体中含有 坡岩土体膨胀能量释放过程中，有可能导致锚杆 大量的粘土等膨胀性矿物和极易风化的泥岩，同 和挡土结构失效的严重后果.因此在设计中采用 时岩层中节理、裂隙十分发育，构造面无明显强 了自预应力锚杆技术，即锚杆加工和安装完全按 势方位，处于均匀四散状态，主要构造缝隙内有 照预应力锚杆的要求进行施工，但不主动施加预 粉质粘土类充填物，泥岩风化后岩块手动即可使 应力，在边坡岩土体吸水产生膨胀应力后，引发 其脱落、破碎，坡体极不稳定，边坡的整体稳定性 锚杆自动产生预应力，这样就在一定程度上释放 差，路堑开挖过程中发生不同规模的塌冒，局部 了部分膨胀能量，允许坡体产生一定的变形，同 路段边坡平台产生了整体滑塌. 时对坡体施加了一定的约束荷载 综合k29+450k29+900路堑边坡岩土层分 2.1k29+450-k29+700左坡 布、物理力学性能、坡率、公路用地范围限制等因 一、二级台阶设计坡率分别为1：0.5,1：1，平台 素，将k29+450-k29+900路堑边坡划分为四个不 宽度2m.一级台阶采用肋柱式钢筋混凝土挡土 墙和自预应力锚杆，二级台级采用浆砌片石护面 收稿日期：200404-10修回日期：2004-10-10 基金项目：教育部重点资助科技项目No.I05016) 墙和自预应力锚杆.其中混凝土挡土墙采用变截 作者简介：吴顺川(1969一)，男，副教授，博士 面形式，墙面坡率1：0.5，墙背坡率1：0.45，墙顶宽

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 心 膨胀 ， ’ 岩土路堑边坡加 固设计及效果分析 吴 顺 川 张友 葩 高永 涛 北京科 技大 学 土 木与环 境 工 程 学 院 ， 北 京 摘 要 根 据 郑 州市西 南 绕城 高速公 路膨 胀 性 岩 土 路 堑 边坡在 施 工 过 程 中的实 际破 坏 状 况 ， 将边 坡 分成 四 个加 固区 域 ， 针对 不 同 区 域 的 实 际 情 况 采 取 不 同 的加 固方 案 按 照 不 同加 固结 构 的设计 参 数和 坡 体 自然 属 性 ， 利用 数 值 分析 方 法 ， 对加 固后 坡 体稳 定 性及 加 固结构承 载 性 能进 行 了 系 统 分 析 结果 表 明 ， 加 固后 坡体稳 定 性 得 到 显 著提 高 ， 加 固结 构尤其是 自预 应力 锚 杆 ， 表现 出 良好 的承 载 性 能 ， 使 得 不 同类 型 的 加 固结 构与坡 体 构成 有 效 的承载 整 体 关键 词 公 路 工 程 路堑 边坡 加 固结构 自预 应 力 锚 杆 稳 定 性 数值分 析 分 类号 一 位 于河 南省 郑 州 市 的西 南绕城 高速 公路 ， 其 一 路 堑 边 坡 在 开 挖 揭 露 后 发 现 ， 岩 体 的物 理 力学 性质 与 原 设 计 差异 较 大 ， 岩 性较 差 ， 有 渗 水 和 局 部 膨 胀 现 象 ， 且 在 局 部 己 经 发 生 了滑 塌 ， 并有进 一步 扩 大 的迹 象 原加 固设 计 中 ， 边 坡 的一 、 二 级 坡 率 分别 为 ， 及 简 单 的浆 砌 片石 坡 面 防护 ， 己 不 能满 足边坡 稳 定 需要 及 施 工 安全 因此 ， 工 程 建 设 指 挥 部 决 定针 对 该 区 段 边坡 稳 定 性进 行 专 题研 究 ， 以期 根 据 工 程 的具 体 情 况 ， 寻 求 合 理 的加 固方 案 同 的加 固段 落 十 一 势 左 坡 、 十 小 左 坡 、 峨 右 坡 、 一 右坡 本 设计边 坡 加 固范 围主 要 为 原按 石 质 边 坡 设 计 但 开 挖 后 实 际地 质 条 件 发 生 变 化 的路 堑 边 坡 ， 即 十 一 左 坡 及 一 右 坡 加 固 范 围 工 程 揭 露后 的具 体 情 况 边 坡 岩 土 体 中含 有 大量 的粘 土 等 膨 胀 性矿 物 和 极 易风 化 的泥 岩 ， 同 时岩 层 中节 理 、 裂 隙十 分 发 育 ， 构 造 面 无 明显 强 势 方 位 ， 处 于 均 匀 四散 状 态 ， 主 要 构 造 缝 隙 内有 粉 质粘 土类 充填 物 ， 泥 岩 风 化 后 岩 块手 动 即可 使 其 脱落 、 破 碎 ， 坡体极 不 稳 定 边坡 的整 体稳 定 性 差 ， 路 堑 开挖 过 程 中发 生 不 同规 模 的塌 冒 ， 局 部 路 段边 坡平 台产 生 了整 体滑 塌 综 合 十 一 路 堑 边 坡 岩 土 层 分 布 、 物 理 力学 性 能 、 坡 率 、 公路 用 地 范 围 限制 等 因 素 ， 将 产 十 路 堑 边 坡 划 分 为 四个 不 收稿 日期 一 一 修 回 日期 一 一 基金项 目 教育 部 重 点 资助科技项 目《 ， 作 者简介 吴顺川 一 ， 男 ， 副 教授 ， 博 士 加 固方 案 对 于 该段 路 堑边 坡 加 固 ， 由于 边 坡岩土 体 中 含 有 大 量 的膨胀 性 物 质 ， 为 确 保 坡 体 的稳 定 ， 杜 绝 膨 胀 性 物 质 产 生 巨大 膨 胀 力 对 加 固 结构 的破 坏 ， 如 果 锚 杆 安 装 完 成 后 直 接 施 加预 应 力 ， 在 边 坡 岩 土 体 膨 胀 能量 释 放 过 程 中 ， 有 可 能导 致 锚 杆 和 挡 土 结 构 失效 的严 重 后 果 ， 因此在 设计 中采 用 了 自预 应 力锚 杆 技术 ， 即锚 杆 加 工 和 安装 完全 按 照 预应 力锚 杆 的要 求进行 施 工 ， 但 不 主 动 施 加预 应 力 ， 在边 坡岩 土 体 吸 水产 生 膨 胀 应 力后 ， 引发 锚 杆 自动 产 生预 应 力 ， 这样 就在 一 定程度 上释 放 了部 分 膨 胀 能量 ， 允许 坡 体产 生 一 定 的变 形 ， 同 时对 坡 体 施 加 了一 定 的约 束 荷 载 一 左 坡 一 、 二 级 台阶 设计坡 率 分别 为 ， ， 平 台 宽度 一 级 台阶采用 肋 柱 式 钢 筋 混 凝 土 挡土 墙和 自预应 力 锚 杆 ， 二 级 台级采 用 浆 砌 片石护 面 墙 和 自预 应 力 锚 杆 其 中混凝 土 挡 土 墙 采 用变 截 面 形 式 ， 墙 面 坡 率 ， 墙 背坡 率 ， 墙 顶 宽 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2005．02．035

·138 北京科技大学学报 2005年第2期 0.3m;肋柱截面0.5m×0.5m,水平间距2.5m;浆 阶布置三排自预应力锚杆，锚杆采用28mm螺 砌片石护面墙墙面坡率1：1，墙背坡率1：0.9：一级 纹钢，错杆长度均为9m,锚固段长度均为5m,锚 台阶布置三排自预应力锚杆，锚杆采用28mm 杆倾角20°，间距2.5m×2.5m. 螺纹钢，锚杆长度均为12m,锚固段长度均为6 为充分利用坡体的“残余强度”，提高加固结 m,锚杆倾角15°，布设间距2.5m×2.5m.二级台阶 构的承载性能，上述加固设计方案中均采用中高 布置三排自预应力锚杆，锚杆采用28mm螺纹 压注浆. 钢，锚杆长度均为9m,锚固段长度均为5m,锚杆 倾角20°，布设间距2.5m×2.5m(如图1) 3方案分析 1:0.9 1:1 根据加固结构的布置方式，采用数值模拟方 28mm自预应力锚杆 锚固台 法对加固方案进行可行性分析 长9m,锚撾段长5m 3.1锚杆 长9m,锚强段长5m 3% 长9m,错囿段长5m 锚杆的性能主要表现在抗拉能力上，因而锚 2.0 20° 杆的主要力学参数就是杆体所受到的轴向力以 钢筋砼挡墙 长12m,锚固段长6m 及肋柱 及由此而产生的轴向位移.根据材料力学分析方 长12m,锚圈段长6m 法，杆体所承受的轴向力增量可以表示为： 长12m,锚周段长6m 泄水孔 AF=EA 1:0.45 1·05 (1) 15o △d=(t-w)t+(-话2 式中，，分别表示两个节点的方向余弦，，，， 图1k29+450k29+700左坡加固方案 分别表示锚杆两个端点在水平方向和垂直方 Fig.1 Proposed reinforcement design in the section of K29+450- K29+700 向上的位移量， 而锚杆所受到的剪应力则可以由下式给出： 2.2k29+700k29+900左坡 F:=LK(ue-um) 一 级台阶布置三排自预应力锚杆，锚杆采用 2πG (2) 28mm螺纹钢，长度分别为9,12,12m,锚固段长 K.=In(1+2/D) 式中，L表示锚杆的长度，K表示浆体（握裹体）的 度分别为5,6,6m,锚杆倾角15°，布设间距2.5m× 剪切模量，和4分别表示锚杆和岩体的轴向位 2.5m.二级台阶高度较小，不设置锚杆，仅进行 移，为握裹体的厚度，D表示预应力锚杆的直径， 浆砌片石护面墙防护， 23k29+540-k29+750右坡 G表示握裹体的体积模量. 注浆体（握裹体）与周围岩体接触面处的应 k29+540k29叶590段边坡已产生滑塌，局部 台阶平台失稳，对该段边坡二级台阶进行卸载， 力，可由下式描述： G △ 一级边坡坡率调整为1：1.75.k29+590-k29+750段 i=(D/2+切n(1+2/D) (3) 级台阶布置三排自预应力锚杆，锚杆采用28 式中，△W表示杆体的相对位移. mm螺纹钢，锚杆长度均为12m,锚固段长度均为 32坡体 6m,锚杆倾角15°，布设间距2.5m×2.5m:二级台 根据坡体的具体性质和破裂程度，数值模拟 阶高度大于8m处，设置两排自预应力锚杆，锚 中采用砌体节理模型.这一模型实际上是莫尔 杆采用Φ28mm螺纹钢，锚杆长度均为9m,锚固 一库仑的扩展可，即在莫尔一库仑体中增加破裂 段均为5m,锚杆倾角20°，布设间距2.5m×2.5m: 面.而根据岩体应力状态、破裂面方位以及岩体 二级台阶高度小于8m处，不设置锚杆，仅进行 性质就可以得出屈服点所在的位置，当然它不一 浆砌片石护面墙防护， 定出现在破裂面上， 2.4k29+750-k29+900右坡 破裂面方位和应力状态可以由局部坐标表 一级台阶布置三排自预应力锚杆，锚杆采用 示，其具体的描述如图2. 28mm螺纹钢，锚杆长度均为12m,锚固段长度 广义坐标和局部坐标下应力的关系可以由 均为6m,锚杆倾角15°，间距2.5m×2.5m.二级台 下式表示：

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 肋 柱 截 面 ， 水 平 间距 浆 砌 片 石 护 面 墙 墙 面 坡 率 ， 墙 背坡 率 一 级 台阶 布 置 三 排 自预 应 力锚 杆 ， 锚 杆 采 用中 螺 纹 钢 ， 锚 杆 长 度 均 为 ， 锚 固段 长度 均 为 ， 锚 杆 倾 角 。 ， 布 设 间距 ， 二 级 台阶 布 置 三 排 自预 应 力 锚 杆 ， 锚 杆 采 用 小 螺 纹 钢 ， 锚 杆 长度 均 为 ， 锚 固段 长度 均 为 ， 锚 杆 倾 角 ， 布 设 间距 ， 如 图 阶 布 置 三 排 自预 应 力 锚 杆 ， 锚 杆 采 用小 螺 纹钢 ， 锚 杆 长度 均 为 ， 锚 固段 长度 均 为 ， 锚 杆 倾 角 ， 间距 ‘ · 为 充 分 利用 坡 体 的 “ 残 余 强度 ” ， 提 高加 固结 构 的承 载 性 能 ， 上 述 加 固设计 方 案 中均 采 用 中高 压 注 浆 方 案 分 析 根 据 加 固结 构 的布 置 方 式 ， 采 用 数值模拟 方 法 对 加 固方 案进 行 可 行 性 分 析 锚 杆 锚 杆 的性 能主 要 表 现 在 抗 拉 能力上 ， 因而锚 杆 的主 要 力 学 参 数 就 是 杆 体 所 受 到 的轴 向力 以 及 由此 而产 生 的轴 向位 移 根据 材料 力学 分析 方 法 ， 杆 体所 承 受 的轴 向力 增 量 可 以表 示 为‘， 一 ‘ 丑」 ‘ 入户 、 一 石一△ ’ 石 图 ，十 一 十 左 坡加 固 方 案 压 △ ，二 卜 了 盆一 孟 式 中 ， ， 九分 别表 示 两个 节 点 的方 向余 弦 ， 川 ， 诸 ， ， 跳分 别 表 示 锚 杆 两 个 端 点在 水 平 方 向和 垂 直 方 向上 的位 移 量 而 锚 杆 所 受 到 的剪 应 力 则 可 以 由下 式 给 出 · 左 坡 一 级 台阶布 置 三 排 自预 应 力 锚 杆 ， 锚 杆 采 用 中 螺 纹钢 ， 长 度 分 别 为 ， ， ， 锚 固段 长 度 分 别 为 ， ， ， 锚 杆 倾 角 “ ， 布 设 间距 ‘ 二 级 台阶 高度 较 小 ， 不 设 置 锚 杆 ， 仅 进 行 浆 砌 片 石 护 面 墙 防 护 · 右 坡 一 十 段 边 坡 己产 生滑 塌 ， 局 部 台阶平 台失 稳 ， 对 该 段 边 坡 二 级 台阶进行 卸 载 ， 一 级 边 坡 坡 率 调 整 为 ， 一 段 一 级 台阶布 置 三 排 自预 应 力 锚 杆 ， 锚 杆 采 用 中 卫 螺纹钢 ， 锚 杆 长 度均 为 ， 锚 固段长度均 为 ， 锚 杆 倾 角 ， 布 设 间距 心 二 级 台 阶 高度 大 于 处 ， 设 置 两 排 自预 应 力锚 杆 ， 锚 杆 采 用 中 螺 纹钢 ， 锚 杆 长 度 均 为 ， 锚 固 段 均 为 ， 锚 杆 倾 角 。 ， 布 设 间距 二 级 台阶 高 度小 于 处 ， 不 设 置 锚 杆 ， 仅 进 行 浆 砌 片 石 护 面 墙 防护 右 坡 一 级 台阶布置 三 排 自预 应 力锚 杆 ， 锚 杆采 用 中 螺 纹 钢 ， 锚 杆 长度 均 为 ， 锚 固段 长 度 均 为 ， 锚 杆 倾 角 ， 间距 二 级 台 只风 式 中 ， 表 示 锚 杆 的长 度 ，瓜 表 示 浆 体 握 裹 体 的 剪 切 模 量 ， 。 和 。 分 别 表示 锚 杆 和 岩 体 的轴 向位 移 ， 为握 裹 体 的厚度 ， 表 示预应 力 锚 杆 的直 径 ， 民表 示 握 裹 体 的体 积 模 量 注 浆 体 握 裹 体 与周 围岩 体 接 触 面 处 的应 力 ， 可 由下 式 描 述 子 卜 毛 △ 不筑子不 · 了下产书 一 、 《 式 中 ， △ 表 示 杆 体 的相 对 位 移 坡 体 根 据 坡 体 的具 体 性质 和 破 裂 程 度 ， 数 值 模拟 中采 用 砌 体节 理模 型 砰， 这 一 模型 实 际 上 是 莫尔 一 库仑 的扩 展 『，， 即在 莫 尔 一 库 仑 体 中增 加 破 裂 面 而 根 据 岩 体应 力状 态 、 破 裂 面 方 位 以及 岩 体 性质 就 可 以得 出屈 服 点所在 的位 置 ， 当然 它 不 一 定 出现 在 破 裂 面 上 破 裂 面 方 位 和 应 力 状 态 可 以 由局 部 坐 标 表 示 ， 其 具 体 的描述 如 图 广 义 坐 标 和 局 部 坐 标 下 应 力 的关 系 可 以 由 下 式表 示

Vol.27 No.2 吴顺川等：膨胀性岩土路堑边坡加固设计及效果分析 139· [h=t--(a) =c-tangj (6) c=(1+tanp)片-tang 弱面 式中，a,是两个材料常数. 当岩体处于稳定区域时，则表示岩体呈现的 是一种线弹性状态，不需要进行塑性修正：而进 入破裂区域时，根据关联（非关联）流动法则，需 要进行适当的修正，修正后局部坐标与广义坐标 的应力增量的关系可以表示为： 图2弱面坐标的表示方法 Fig.2 A weak plane oriented at an angle 0 to the global reference Aa=(a-)+4G3 K-2G2c0s'0+sin0 frame (K+4G3 =0cos0+20sin0cos0+osin'0 Ao:=(d)Gsin0+cos (7) :=gsin0-20sin0cos0+ozcos'0 △=(d-d2) K+4G/3 (4) -2G2 G=03 =-(o-02)sinecos0+on(cos0-sin20) Aa.(A)=(G-d1-R-2G2 K+4G3) sinecose 弱面的破裂准则如图3.图中“+”表示稳定区 K为岩体的剪切模量，G为岩体的体积模量， 域，而“一”表示破裂区域. 3.3 典型断面分析 由于各个区段的支护方式不同，为了能说明 问题，采用支护结构相对复杂的K29+460断面作 为分析模型.计算模型（如图4）中每一个计算单 h=0 元所代表的实际尺寸是0.5m,为便于计算，加固 结构中锚杆划分为10个计算单元，挡土墙和浆 B P=0 砌石护坡的计算单元与模型单元一致.模型中边 C 界约束的方法是：在坡体的底部采用固定边界而 c/tano, 在两侧则采用粘滞性边界.模型中各种材料的 图3弱面的破裂准则 力学参数见表1. Fig.3 Weak plane failure criterion in simulation 根据莫尔一库仑破裂准则，局部坐标下破裂 体的包络线(A一B)可以表示为=0，而拉伸破坏 的破裂线为=0，并有以下函数式存在： [f=-t-gitang;+c (f=gj-ai (5) 式中，C,,分别表示弱面的内聚力、内摩擦角及 抗拉强度. 在'-r平面中定义函数h=0为f产=0f=0平 面的对角线，可以表示为： 图4计算模型 Fig.4 Grids of the numerical model 表1计算模型的力学参数 Table 1 Mechanical parameters of the numerical model 材料名称密度/kgm)弹性模量Pa泊松比内聚力Pa内摩擦角()节理角()节理内聚力Pa节理内摩擦角)本构模型 锱杆 7800 2.13×10 0.30 弹性体 注浆体 2300 2.20×109 0.20 弹性体 坡体 2200 5.80×107 0.24 8.7×10 23 42 8.2×10 19 砌体节理 浆砌石挡墙 2450 2.50×10° 0.22 弹性体 肋柱式挡培 2480 3.36×109 0.23 弹性体

从 一 吴 顺川 等 膨胀 性岩 土 路 堑 边 坡加 固 设 计 及 效 果 分 析 一 寸一 可 可一 的 寸 一 吸吮 衅一 十 妈 告一 妈 △么氏 图 弱 面 坐 标 的表 示 方 法 式 中 ， 可 ， 寸是 两 个 材 料 常数 当岩 体 处 于 稳 定 区域 时 ， 则表 示 岩 体 呈 现 的 是 一 种 线 弹 性 状 态 ， 不 需要 进 行 塑 性修 正 而 进 入 破 裂 区 域 时 ， 根 据 关 联 非 关 联 流 动 法 则 ， 需 要进行 适 当 的修 正 ， 修 正 后 局 部 坐 标 与 广义 坐 标 的应 力 增 量 的关 系 可 以表 示 为 。 、 习 一 尹己 之 ’ 冬份 氏 呈 ， 一 吓 ” ‘兀口 一 乙 ’ 口‘ 一吸 一 犷 仍 ， 、 。 。 ， ， 。 · 是 之 一 口 一 巩 口 口 氏 又 一 口 一 一 △仍 一 ‘了一 司 裂黑 一 ‘ 一 ’ 影黑 一 少一 ’ 裂豁 决一习 ， 、 ， 犬干 、 。 △ ，， 、八 、丁一 ‘ ， ‘ 一天刁面乏 ‘ 口 口 弱 面 的破 裂 准 则 如 图 图 中 “ ” 表 示稳 定 区 域 ， 而 “ 一 ” 表 示 破 裂 区 域 隆一一三一 千一一一三些竺匕 一 卜 图 弱面 的破裂 准 则 七 为 岩 体 的剪 切 模 量 ， 为岩 体 的体 积 模 量 典 型 断 面 分 析 由于 各 个 区 段 的支 护 方 式 不 同 ， 为 了 能说 明 问题 ， 采 用 支 护 结 构相 对 复 杂 的 断面 作 为分 析 模 型 计 算 模 型 如 图 中每 一 个 计 算 单 元 所 代 表 的实 际 尺 寸 是 ， 为便 于 计 算 ， 加 固 结 构 中锚 杆划 分 为 个 计 算 单元 ， 挡 土 墙 和浆 砌 石 护 坡 的计算 单 元 与模 型单元 一致 模 型 中边 界 约束 的方 法 是 在 坡 体 的底 部 采 用 固定边 界而 在 两侧 则采 用 粘 滞 性 边 界 「 模 型 中各 种 材 料 的 力 学参 数 见 表 根 据 莫 尔 一 库 仑 破 裂 准 则 ， 局 部 坐 标 下 破 裂 体 的包 络 线 一召 可 以表 示 为 ， 而 拉 伸 破 坏 的破 裂 线 为了 ‘ ， 并 有 以下 函 数 式 存 在 长 一丁一 氏飞 刀妈 讨一 ’ 式 中 ， ， 帖 ， 讨分 别表 示 弱 面 的 内聚 力 、 内摩擦 角及 抗 拉 强 度 在 司一 平 面 中 定 义 函 数 二 为广 尹 平 面 的对 角线 ， 可 以表 示 为 图 计 算 模型 表 计 算模 型 的 力学参 数 材料名称 密度汉 · 一 今 弹性模 量于 泊 松 比 内聚 力护 内摩擦角 节 理 角 节 理 内聚 力护 节 理 内摩擦 角 本 构模型 锚 杆 一 冰 ，， 一 一 一 一 一 弹 性 体 注 浆体 ，。 一 一 一 一 一 弹性 体 坡 体 ， ‘ 砌 体节 理 浆砌 石 挡墙 、 ， 一 一 一 一 一 弹性体 肋 柱 式挡墙 “ 一 一 一 一 一 弹性体

140· 北京科技大学学报 2005年第2期 3.4模拟计算结果 1,2 单元51,14(a) 图5是加周后坡体的应力和最大主应力等值 0.8 单元(32,31) 线，从图中可以看出，位于坡面和坡体变阶处应 力比较集中，从而可以有效地发挥加固结构的作 0.4 用.图6表示加固后坡体和锚杆在水平方向上的 0 位移随计算时步变化过程.为便于分析，坡体的 单元(11,56 三个单元分别取自坡体的不同位置，其中单元 0.4 (51,14)位于坡体的底部，单元(32,31)位于坡体的 0.6 0 4 6810 中部，而单元(11,56)则位于坡体的顶部，同时在 计算时步/10 1.4 每一排锚杆的中部和下部分别取两个计算单元. (b) 1.2 从图中可以清楚地看出，在计算初期由于坡体的 自扰动，坡体和锚杆的位移变化速度比较快，随 0.8 着计算时步的增加两者均处于相对稳定的状态， 这说明在加固结构的作用下，坡体位移得到有效 0.4 挖制. (a 46810 计算时步/10 图6坡体()和锚杆单元(b)在水平方向上的位移 最小值：0Pa Fig.6 Curves of the displacement in the x direction to the number 最大值：80kPa of simulationed steps at different elements of slope (a)and anchor bars (b) (a) 1-29.52kN 2°45.43kN N TDT0 3-44.53kN (b) ccri N 4-84.79kN 5-70.57kN 最大主应力 最小值：-380kPa 6'-85.14kN 最大值：0Pa (b) 13.368×10 2°5.183×10- 35.080×10-5 图5加固后坡体的应力(@)和最大主应力(b)的等值线 49.674×10-5 Fig.5 Stress(a)and principle stress(b)contours after reinforcem- 5'8.051×103 ent -crrc 69.713×10-5 图7为锚杆的轴向力和轴向应变增量轮廓， I工工 根据锚杆轴向力计算，由于锚杆所处的位置不 同.所以杆体所承受的载荷也各不相同，轴向力 介于80-180kN之间，这充分发挥了自预应力锚 图7锚杆的轴向力(a)和轴向应变增量轮廓b) 杆的自预应力作用，由于上部和下部所采用的挡 Fig.7 Axial force (a)and strain-rate(b)contours of anchor bars

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 划书之泌除目 模 拟 计 算 结 果 图 是加 固后 坡 体 的应 力 和最 大 主 应 力 等值 线 从 图 中可 以看 出 ， 位 于坡 面 和 坡 体 变 阶 处 应 力 比较 集 中 ， 从而 可 以有 效地 发挥 加 固结构 的作 用 图 表 示 加 固后 坡 体 和 锚 杆在 水 平 方 向上 的 位 移 随计 算 时步变 化 过 程 为 便 于 分析 ， 坡 体 的 三 个 单 元 分 别 取 自坡 体 的 不 同位 置 ， 其 中单 元 ， 位 于 坡 体 的底 部 ， 单元 ， 位 于 坡 体 的 中部 ， 而 单 元 ， 则位 于 坡 体 的顶 部 ， 同 时在 侮 一排 锚 杆 的 中部 和 下 部 分 别 取 两个 计 算 单 元 从 图中可 以清 楚地 看 出 ， 在计 算 初 期 由于 坡 体 的 自扰 动 ， 坡 体 和 锚 杆 的位 移 变 化 速 度 比较 快 ， 随 着 计 算 时步 的增 加 两 者均 处 于 相对 稳 定 的状 态 ， 这 说 明在 加 固结构 的作用 下 ， 坡 体位 移 得 到有 效 控 制 、 － 单元 ，‘ ， ’‘ ， 卜一 ‘ 元 风 ’ 巧 单元 ， 计算 时步 护 石了 砂 一 一 ’ 一 一 一一 汇一一 一 一一一一一蕊 馋划除书之日 八 “八 计 算 时 步 ， 图 坡体 和 锚杆 单元 在 水 平方 向上 的位 移 ” 印 比 姗 ， 、 。 图 加 固后坡体 的应 力 和 最大 主应 力 的等值 线 · 图 为锚 杆 的轴 向力 和 轴 向应 变 增 量 轮 廓 根 据 锚 杆 轴 向力 计 算 ， 由于 锚 杆 所 处 的位 置 不 同 所 以杆 体所 承 受 的载 荷 也 各 不 相 同 ， 轴 向力 介 于 一 之 间 ， 这 充 分 发挥 了 自预 应 力锚 杆 的 自预应 力作用 由于上 部和 下 部所采用 的挡 图 锚杆 的 轴 向 力 和 轴 向应 变增 量 轮廓 劝 一 伪

Vol.27 No.2 吴顺川等：膨胀性岩土路堑边坡加固设计及效果分析 ·141 土墙结构和材料不同，所以其承载能力也不相 的稳定性方面所发挥的作用， 同，下部的钢筋混凝土肋柱式挡土墙可以承受较 大的坡体滑移力，而上半部所采用的片石挡士墙 4结论 则要承受相对较小的滑移力，因而由此而引起的 边坡岩土体主要为极易风化的泥岩，并含有 自预应力锚杆的自预应力值也就不同，相应的锚 大量膨胀性矿物，在坡体加固过程中采用了中高 杆轴向应变增量沿杆体的分布状况也可以比较 压注浆，可以充填坡体岩层中的裂隙，使岩土体 清楚地反映出这一现象， 改性，达到充分利用坡体自身“潜在强度”的目 图8表示锚杆的水平位移随坡体稳定性波动 的.同时，设计中采取了不同类型的挡土墙及不 的变化状况以及与杆体所承受的实际载荷之间 同杆体长度、不同锚固段长度的自预应力锚杆， 的关系，可以看出：在坡体自平衡能力加强（最大 尤其是自预应力锚杆可以根据外部载荷的不同 不平衡力减少)的同时，锚杆的位移也在相应地 而自行优化杆体的承载力（轴向应力），可使锚杆 增加，由此可以充分反映出加固结构在保持坡体 和挡土墙处于同步的位移变化状态，保持加固结 (a) 构的整体稳定性， 1.2 计算结果表明，加固后的坡体、加固结构的 稳定性及变形的一致性能够满足工程要求，充分 说明该加固方案的可行性.在类似边坡加固工程 0.8 中，自预应力锚杆的应用是一次创新设计，从数 值计算的结果来看，杆体的轴向应力和预测是一 致的，而各种加固结构体所保持的位移变化一致 0.4 性，可以使不同加固结构共同构成一个有机的整 体，共同承受坡体的膨胀力和滑移力，从而可以 保持边坡的整体稳定，当然，其实际应用的结果 如何还应做进一步的验证.因此，加固完成后应 -200 -160-120-80 -40 对加固结构和坡体的位移及应力状况进行比较 最大不平衡力kN 系统的监测与检测，以期获取更具说服力的数 b 据， 1.8 参考文献 [1]Hakami H.Rock characterisation facility (RCF)shaft sinking- 1.2 numerical computations using FLAC.Int Rock Mech Min Sci, 2001,38(159 2]张友葩，高水涛，吴顺川，等，滑移岩石边坡治理的稳定性 分析.岩石力学与工程学报，2002,21（增）：2562 0.6 [3]Wu SC,Zhang YP.Gao YT,et al.Study on range interval dis- tance of prestressed anchor bars using update backpropagation neural network.J Coal Sci Eng,2003,9(2):35 [4)张友葩，高永涛，王杰林，等。动载荷下边坡的失稳分析 北京科技大学学报，2003,252)：110 b 60 100 140 [5]FLAC-Constitute Model Theory and Implementation.Minneap- 轴向力kN olis.Itasca Consulting Group Inc,2000 图8锚杆在水平方向的位移随坡体最大不平衡力()和杆体 [6]Yoo CS.Behaviour of braced and anchored walls in soils over- 轴向应力)的变化 lying rock.J Geotech Geoenviron Eng,2001,127(3):225 Fig.8 Curves of the displacement in the x direetion to the maxi- [刀张友葩，刘增进，高永涛，等.双动载源下土质边坡的失 mum unbalance force of slope(a)and the axial force(b) 稳机理分析，岩石力学与工程学报，2003,22(9)：1489 (下转第155页)

心 吴 顺 川 等 膨胀 性岩 土 路 堑边 坡 加 固设 计 及 效 果 分 析 土 墙 结 构 和 材 料 不 同 ， 所 以其 承 载 能 力 也 不 相 同 ， 下 部 的钢 筋混凝 土肋 柱 式挡 土 墙 可 以承 受较 大 的坡 体滑 移 力 ， 而 上 半 部 所 采 用 的片石挡 土墙 则 要承 受 相 对 较 小 的滑 移 力 ， 因而 由此而 引起 的 自预应 力锚 杆 的 自预应 力值 也 就 不 同 ， 相 应 的锚 杆 轴 向应 变 增 量 沿 杆 体 的分 布 状 况 也 可 以 比 较 清 楚地 反 映 出这 一现 象 图 表 示 锚杆 的水 平 位 移 随坡体稳 定 性 波 动 的变 化状 况 以及 与 杆 体 所 承 受 的 实 际载 荷 之 间 的关 系 可 以看 出 在 坡 体 自平 衡 能 力 加 强 最 大 不 平 衡 力 减 少 的 同时 ， 锚 杆 的位 移 也 在 相 应 地 增 加 ， 由此 可 以充 分 反 映 出加 固结 构在 保 持 坡 体 的稳 定 性 方 面 所 发挥 的作 用 一 乡目 ， ‘ 众划爷除︸寒 一 一 一 一 一 最 大不 平衡 力 结 论 边 坡 岩 土 体 主 要 为极 易风 化 的泥 岩 ， 并 含有 大 量 膨 胀 性矿 物 ， 在 坡 体加 固过程 中采用 了中高 压 注 浆 ， 可 以充 填 坡 体 岩 层 中 的裂 隙 ， 使 岩 土 体 改性 ， 达 到 充 分利 用 坡 体 自身 “ 潜 在 强度 ” 的 目 的 同时 ， 设 计 中采 取 了不 同类 型 的挡 土 墙 及 不 同杆 体 长 度 、 不 同锚 固段 长 度 的 自预 应 力锚 杆 ， 尤其 是 自预 应 力 锚 杆 可 以 根 据 外 部 载 荷 的不 同 而 自行 优 化 杆 体 的承 载 力 轴 向应 力 ， 可使 锚杆 和 挡 土墙 处于 同步 的位 移变 化状 态 ， 保 持 加 固结 构 的整 体 稳 定 性 ， 计 算 结 果表 明 ， 加 固后 的坡 体 、 加 固结构 的 稳 定性及 变 形 的一致 性 能够 满足 工 程 要 求 ， 充分 说 明该加 固方案 的可 行 性 在 类似 边坡 加 固工程 中 ， 自预 应 力锚 杆 的应 用 是 一 次 创 新 设 计 从 数 值 计 算 的结 果来 看 ， 杆 体 的轴 向应 力和 预测 是一 致 的 ， 而 各种 加 固结构 体 所保 持 的位 移变化 一致 性 ， 可 以使不 同加 固结构 共 同构 成 一个 有机 的整 体 ， 共 同承 受 坡 体 的膨 胀 力 和 滑 移 力 ， 从 而 可 以 保 持边 坡 的整 体 稳 定 当然 ， 其 实 际应 用 的结 果 如 何 还 应 做进 一 步 的验 证 因此 ， 加 固完成 后 应 对 加 固 结 构 和 坡 体 的位 移 及 应 力 状 况 进 行 比较 系 统 的监 测 与 检 测 ， 以期 获 取 更 具 说 服 力 的数 据 考 文 献 轴 向力 图 锚杆 在 水平 方 向的 位 移随坡体 最 大 不 平衡 力 和 杆体 轴 向应 力伪 的变化 们 一 〕 ， ， 张友 葩 ， 高 永涛 ， 吴 顺 川 ， 等 ， 滑移岩 石边 坡 治 理 的稳定 性 分 析 岩 石 力 学 与工 程 学报 ， ， 增 ， ， ， 中 即 · ， ， 张 友 葩 ， 高永 涛 ， 王杰林 ， 等 动 载荷 下 边 坡 的 失稳 分 析 北 京 科技 大 学学 报 ， ， 一。 一 咖 ， 曲 皿 ， 张友 葩 ， 刘 增 进 ， 高永涛 ， 等 双动 载源 下 土 质边 坡 的失 稳 机 理分析 岩石 力学 与工 程 学报 ， ， 〔 下转第 页 阎参 煞划件节。日