节理裂隙边坡稳定性及锚注加固效应研究

论文摘要

随着高陡节理边坡工程的不断涌现，边坡的稳定性问题日趋复杂和重要，锚杆作为常规的边坡加固手段被广泛采用。然而，由结构弱面控制的节理边坡实施锚杆加固措施时，巨大的下滑力常会造成节理滑动面区域锚杆受力状态的劣化；预应力锚杆由于岩石的蠕变及钢筋的塑性，也会导致锚杆预应力的衰减；由于岩体节理力学性质的各向异性，使边坡锚固工程设计时，产生加锚节理面抗剪强度和锚杆抗拔力两者难以兼顾的矛盾；锚杆诸如此类的弊端将会导致工程中锚杆锚固功能的失效，从而给边坡工程的支护安全带来隐患。锚注加固工艺将锚杆和注浆的加固手段有机地结合起来，通过形成锚杆与注浆胶结体复合结构，进而达到有效加固节理边坡的目的，这种特殊的复合加固结构充分发挥了两种材料的特点，因此避免了锚杆单独作用所存在的弊端，使锚注加固后的边坡岩体应力集中现象得以改善，岩体结构的受力状态更趋合理，从而降低了加锚节理边坡的安全隐患。通过研究节理裂隙边坡的锚注加固效应，最终为边坡的锚注加固优化设计提供理论指导，是当前势在必行的工作，作者结合湖南省交通厅“常德一张家界高速公路节理边坡锚注加固效应研究”课题项目，对节理裂隙边坡稳定性及锚注加固效应进行了全面深入的研究。首先，根据节理边坡的基本破坏类型，建立了相应的边坡失稳力学状态模型，运用相应的力学理论，分析了节理弱面对边坡岩体的强度及稳定性的控制作用；基于强度理论和潜在滑移面理论对节理边坡的失稳破坏机制进行了推理和论证。根据节理边坡锚注加固结构的受力特点，建立了锚注节理力学模型，基于岩体节理力学理论，在分析岩体节理、加锚节理的强度特性以及本构关系的基础上，构建了锚注节理的剪切强度公式以及本构方程，通过普通节理、加锚节理和锚注节理三者力学特性的对比，揭示出节理边坡锚注加固效应的力学本质。利用RYL-600型微机控制岩石剪切试验机，通过室内模拟节理剪切试验的方法，研究了各种结构状态节理面的剪切力学特性，获得了相应的剪力—剪位移全程曲线，经过对试验结果的整理、分析和对比，得到了锚注节理的强度和变形规律及其相应的影响因素，揭示了锚注节理相对于普通节理、加锚节理的力学特性的变化规律。应用FLAC3D数值分析软件，对锚注加固节理边坡进行了模拟对比分析，通过对开挖节理边坡、注浆节理边坡、加锚节理边坡以及锚注节理边坡的应力场、位移场和特征测试点应力应变的分析，从宏观的角度说明了锚注加固对于节理裂隙边坡强度及稳定性的贡献。运用断裂力学和损伤力学分别对锚杆的加固效应及岩体注浆的加固效应进行了研究；并对锚固工程中锚杆单独作用的弊端和不足进行了分析。本文所做的研究工作，立足于学科前沿，作者充分认识到岩土工程是一门交叉性很强的边缘学科特点，广泛运用最新的力学理论、先进的试验手段以及数值分析方法，对节理裂隙边坡的稳定性及锚注加固效应进行了研究，该项目的研究对于揭示节理边坡锚注加固机理以及锚注加固工程的优化设计具有理论和现实意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状及进展
• 1.2.1 岩体节理面剪切特性的研究现状
• 1.2.2 岩体注浆加固效应的研究现状
• 1.2.3 岩体锚杆加固效应的研究现状
• 1.2.4 锚杆—注浆复合加固技术的研究现状
• 1.3 研究内容和研究方法
• 第二章 岩体节理结构对边坡稳定性的控制作用
• 2.1 引言
• 2.2 基于节理弱面控制的边坡失稳机制分析
• 2.2.1 节理边坡的稳定性评价
• 2.2.2 节理边坡失稳破坏类型及其破坏条件
• 2.2.3 节理弱面对边坡岩体强度的控制作用分析
• 2.2.4 节理边坡滑动失稳破坏机制分析
• 2.2.5 节理性状对边坡潜在滑移面的影响分析
• 2.3 小结
• 第三章 注浆对节理岩体力学性质的影响分析
• 3.1 引言
• 3.2 节理岩体注浆加固作用机制分析
• 3.2.1 注浆对节理岩体作用效应的显现
• 3.2.2 节理渗透注浆的物理作用机制分析
• 3.2.3 节理注浆渗流概化模型的建立
• 3.2.4 浆液和岩土体的化学固结机理
• 3.3 节理岩体注浆效应的损伤力学分析
• 3.3.1 节理裂隙岩体的损伤张量
• 3.3.2 节理裂隙岩体的损伤本构模型
• 3.3.3 节理注浆对边坡岩体损伤张量的影响
• 3.3.4 节理裂隙岩体注浆加固后的本构方程
• 3.4 小结
• 第四章 节理裂隙边坡锚杆加固效应及锚注联合作用分析
• 4.1 引言
• 4.2 锚杆对节理边坡加固效应的断裂力学分析
• 4.2.1 锚杆对裂隙端部应力场的影响
• 4.2.2 锚杆对裂隙应力强度因子的影响
• 4.3 节理边坡锚杆加固所存在的弊端及注浆的补偿效应
• 4.3.1 加锚节理岩体节理面抗剪强度和锚杆抗拔力设计的矛盾
• 4.3.2 锚杆杆体在边坡滑动区域应力状态的劣化
• 4.3.3 预应力加锚边坡锚杆附加应力的衰减对边坡滑动的影响
• 4.4 单裂隙锚注节理固液耦合作用分析
• 4.5 小结
• 第五章 锚注加固节理的力学模型
• 5.1 引言
• 5.2 简化的力学模型
• 5.3 锚注节理的强度特性
• 5.3.1 岩体节理的抗剪强度
• 5.3.2 加锚节理的抗剪强度
• 5.3.3 锚注节理的抗剪强度
• 5.4 锚注节理的本构模型
• 5.4.1 岩体节理的本构关系
• 5.4.2 加锚节理的本构关系
• 5.4.3 锚注节理的本构关系
• 5.5 小结
• 第六章 锚注加固节理试验研究与分析
• 6.1 引言
• 6.2 试验技术
• 6.2.1 试验原理
• 6.2.2 试件制备
• 6.2.3 试验设备
• 6.2.4 试验过程
• 6.3 试验结果与分析
• 6.3.1 各组试件剪切试验剪力-剪位移曲线特征分析
• 6.3.2 各组试件节理面剪切强度的内在关联分析
• 6.4 小结
• 第七章 锚注加固节理边坡的FLAC3D数值模拟分析
• 7.1 引言
• 7.2 FLAC-3D计算原理
• 7.2.1 空间导数的有限差分近似
• 7.2.2 运动方程
• 7.2.3 应变、应力及节点不平衡力
• 7.2.4 阻尼力
• 7.2.5 FLAC3D软件的处理过程
• 7.3 锚注节理边坡的FLAC-3D数值模拟分析
• 7.3.1 FLAC—3D数值计算模型的建立
• 7.3.2 FLAC—3D数值模拟计算结果分析
• 7.4 小结
• 第八章 节理裂隙边坡锚注加固工程应用
• 8.1 工程概况
• 8.2 边坡岩体的工程地质条件
• 8.2.1 边坡所在区域的地理位置
• 8.2.2 边坡岩体的工程地质组成
• 8.2.3 边坡岩体的工程地质结构特征
• 8.2.4 边坡区段水文地质条件
• 8.2.5 边坡岩体的不良地质现象
• 8.2.6 边坡岩体的力学性能参数
• 8.3 边坡失稳原因分析
• 8.4 边坡锚注加固方案的优化设计
• 8.5 边坡锚注加固作用效应及参数选择
• 8.5.1 边坡锚注加固的作用效应
• 8.5.2 注浆参数选择
• 8.5.3 锚注孔及锚注管参数的确定
• 8.6 边坡岩体锚注施工工艺
• 8.6.1 边坡岩体注浆工艺流程
• 8.6.2 锚杆预应力的施加
• 8.7 节理边坡锚注加固中存在的问题及处理
• 8.8 节理边坡锚注加固效果的超声波检测
• 8.8.1 测试原理及方法
• 8.8.2 主要检测仪器设备
• 8.8.3 超声波测试过程
• 8.8.4 检测结果及分析
• 8.9 小结
• 第九章 结论及展望
• 9.1 全文结论
• 9.2 进一步工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文及科研成果