松散斜坡体锚、桩加固作用机理与工程应用研究

论文摘要

随着国民经济的飞速发展，工程建设规模越来越大、速度越来越快，出现了日渐增多的斜坡体变形及失稳破坏问题。对松散斜坡体的加固和变形控制措施是此类地质灾害防治工程的研究重点，历来为学术界、工程界所关注，缘其涉及较多岩土工程基本问题，以及岩土工程与地质工程的大量广泛结合。其中，预应力锚索、预应力锚索桩等新型结构是加固松散斜坡体实用、有效的工程措施，在斜坡体整治工程中得到了广泛的应用，然而其理论研究仍远远滞后于工程应用。锚、桩加固作用机理和计算理论的研究，具有较重大的理论和工程意义。本文根据大型松散体滑坡治理中的代表性工程措施类型，以理论推导、数值计算和实例分析等手段，探索了预应力锚索锚固段与岩土体的相互作用与传力机理、外锚结构与松散岩土的相互作用与传力特征、锚索桩与岩土体相互作用机理与计算理论、松散岩土体支挡结构的主动土压力分布模式、松散岩土桩间土拱效应及桩间距计算等锚、桩工程的理论问题。本文的主要研究内容和成果如下：1．针对预应力锚固结构的内锚固段设计理论落后于工程实践的现状，对锚固体与岩土体的侧阻相互作用力学机理及相应侧阻力分布规律计算进行研究。分析了锚固段孔壁侧阻界面全程严格粘结假设的局限性，通过引入侧阻界面力学作用的滑移—软化关系模型，分别以荷载传递法理论分析和基于Mindlin位移解的一维非线性半数值分析，对锚固体侧阻力的单峰分布规律曲线进行了研究。同时，指出了以Mindlin位移解推求锚固段侧阻力分布方法中存在的奇异性问题，从严格数理力学角度探讨了目前侧阻力分布理论推导所具有的近似性，即奇异性的处理将影响计算结果的精准性。2．采用FLAC-3D数值分析简化模型，探索了松散斜坡体坡表上布置锚墩墩排及锚墩—地梁组合结构与岩土体的相互作用力学机理、锚固传力特性的特点和差异：墩间距较小情况下，锚墩墩排的墩间土体最大主应力发生倒拱形偏转（“土拱效应”），对墩间土体反力具有一定遮拦作用，而锚墩—地梁组合结构对墩下压应力扩散及张拉沉陷的改善程度不大，土拱效应不能出现，地梁承受墩间土体反力。墩间距较大时，墩间土体最大主应力等值线偏转呈马鞍形，成拱作用差，设置地梁效果较好。此外，对锚墩结构与松散岩土体相互作用体现的另一问题，即因施工工期紧迫而采用的锚索钢绞线逐根张拉工序问题进行了研究，建立了分次张拉同时的锚墩沉陷所致锚索预应力损失和钢绞线预应力不均的估算模型。3．针对松散体滑坡常用的锚索桩工程计算，引入嵌入段桩周岩土抗力的双参数力学模型，并考虑结合“虚点法”进行改进以适合更广泛的滑动面处地基系数不为0情形。提出了锚索桩在锚索张拉后的主动支护作用及桩身初始内力计算方法，及正常工作状态的锚索桩计算统一模型和方法。进一步，考虑能反映嵌入段桩周土实际存在的弹—塑性（或非线性弹性）非线性力学特性的p-y曲线，提出了嵌入段非线性p-y曲线模式下的锚索桩计算模型。4．探讨了锚索桩嵌入段刚／弹性桩计算模型的力学统一性，推导了针对锚索桩嵌入段刚／弹性桩的新划分依据，提出桩上锚索存在最佳倾角以及桩身弯矩平衡设计理论具有条件性限制的基本概念，以清晰锚索桩设计计算中的上述重要力学概念。5．支挡结构土压力受填土性质、结构类型、墙体位移、破裂面形态、施工顺序等不易精确掌握的因素的复杂影响，很难正确计算。依据松散岩土体多种刚性半刚性支挡结构的主动土压力分布实测资料（南昆铁路路基工程试验），归纳了松散或软弱岩土体刚性半刚性支挡结构的主动土压力抛物线分布规律，并提出了方便计算的土压力简化图式。6．针对松散斜坡体常为带一定粘性的岩土体情形，基于抗滑桩桩间岩土的“土拱效应”，利用合理拱轴线与受压极限破裂方位角等几何特性，将土拱的平衡条件和强度条件综合，以常用且易得到的土工参数c，φ，推导了桩间距上下限的计算式，以尽可能少的参数和简洁的表达式，对合理桩间距的的估算提供简便清晰的计算方法。7．结合四川丹巴建设街后山大型松散体滑坡工程实例，分析了滑坡的机理，探索了基于滑坡变形、滑动机理，考虑应力、形变场特征的锚、桩工程布置方法，并对加固松散斜坡体的作用和效果进行了初步探讨。

论文目录

摘要

ABSTRACT

1 引言

1.1 选题依据及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 预应力锚固的研究现状

1.2.2 锚索桩计算理论的研究现状

1.2.3 松散岩土支挡结构的相关土力学问题研究现状

1.3 主要研究内容

1.3.1 预应力锚固结构的内锚固段传力机理及侧阻作用计算研究

1.3.2 松散斜坡体预应力锚固工程外锚结构传力特性研究

1.3.3 预应力锚索桩计算理论研究

1.3.4 松散岩土支挡结构的相关土力学问题研究

1.3.5 基于滑坡变形机理的锚固工程布置方法研究

1.3.6 研究要点

1.4 研究的技术路线

1.5 论文主要研究成果创新点

2 四川丹巴建设街大型松散体滑坡的工程地质条件及滑动机理分析

2.1 滑坡区工程地质条件概况

2.1.1 地形地貌特征

2.1.2 地层岩性及岩土体工程地质特征

2.1.3 地质构造与新构造运动

2.2 滑坡变形特征

2.2.1 滑坡体结构与主滑体区

2.2.2 滑坡地表变形特征

2.2.3 滑动带（面）特征

2.2.4 滑体深部变形特征

2.3 滑坡机理分析

2.3.1 滑坡形成条件分析及稳定性主要影响因素

2.3.2 滑坡应力、形变场特征的 FLAC-3D 数值分析

2.3.3 滑坡变形的地质力学模式及机理分析

2.3.4 桩、锚加固工程设置介绍

2.4 本章总结

3 预应力锚索（锚杆）锚固段侧阻作用机理理论研究

3.1 概述

3.2 锚固段侧阻力分布的荷载传递法滑移─软化分析

3.2.1 滑移条件因素分析

3.2.2 荷载传递法推求侧阻力分布力学模型

3.2.3 滑移临界荷载判别

3.2.4 滑移作用下的侧阻力分布曲线分析

3.2.5 算例与讨论

3.2.6 本节认识

3.3 锚固段侧阻力分布的一维滑移─软化非线性分析

3.3.1 锚固体─岩土体体系一维离散模型

3.3.2 锚固体微段的受力分析

3.3.3 岩土体受力及位移分析

3.3.4 侧阻力求解

3.3.5 算例

3.3.6 对分析法的讨论

3.3.7 本节认识

3.4 Mindlin 位移解推求侧阻力分布方法中奇异性问题理论讨论

3.4.1 侧阻力分布的积分方程

3.4.2 积分方程的奇异性

3.4.3 对数值法中奇异性处理手段的分析

3.4.4 对解析法及其奇异性表象的辨析

3.4.5 锚固段始端侧阻力状况的定性讨论

3.4.6 本节认识

3.5 本章总结

4 松散坡体外锚结构传力特征及应急施工张拉工序研究

4.1 锚墩墩排与锚墩─地梁组合结构的锚固传力特性研究

4.1.1 概述

4.1.2 力学模型概化及 FLAC-3D 建模

4.1.3 算例参数

4.1.4 数值模拟结果与分析

4.1.5 墩间距相关的受力特征讨论

4.1.6 本节认识

4.2 松散坡体锚固应急施工的钢绞线逐根张拉工序研究

4.2.1 钢绞线单根逐根张拉的预应力损失原理

4.2.2 钢绞线预应力损失计算理论模型

4.2.3 锚索预应力理论损失

4.2.4 张拉工序选择的探讨算例

4.2.5 本节认识

4.3 本章总结

5 预应力锚索抗滑桩计算理论研究

5.1 概述

5.2 初始预应力产生的主动支护效果及初始内力计算

5.2.1 锚索桩计算力学模型

5.2.2 桩身受荷段弹性地基梁模型力学分析与有限差分表达

5.2.3 桩身嵌入段双参数模型弹性地基梁力学分析

5.2.4 反推作用力与主动支护效果计算

5.2.5 桩身初始内力计算

5.2.6 算例与讨论

5.3 正常工作状态的锚索桩计算统一方法

5.3.1 锚索桩计算力学模型

5.3.2 受荷段悬臂梁模型力学分析

5.3.3 嵌入段双参数模型弹性地基梁力学分析

5.3.4 锚索拉力计算

5.3.5 桩身内力计算

5.4 基于 p-y 曲线法的锚索桩计算方法理论研究

5.4.1 锚索桩计算力学模型

5.4.2 嵌入段 p-y 模型地基梁受力、位移分析及有限差分表达

5.4.3 锚索拉力及桩身内力计算矩阵方程

5.5 对锚索桩设计计算中的几个基本力学概念的探讨

5.5.1 刚/弹性桩算法的力学内涵统一性概念

5.5.2 锚索桩嵌入段模型与划分值探讨

5.5.3 锚索倾角的力学效应与最佳倾角概念

5.5.4 平衡设计理论的条件性探讨

5.5.5 本节认识

5.6 本章总结

6 松散岩土体支挡结构的相关土力学问题研究

6.1 支挡结构的主动土压力分布图式研究

6.1.1 土压力分布研究的回顾

6.1.2 松散岩土多种支挡结构土压力测试

6.1.3 支挡结构土压力分布图式

6.1.4 土压力分布图式的讨论

6.1.5 土压力分布图式的简化

6.2 抗滑桩合理桩间距问题理论研究

6.2.1 概述

6.2.2 合理拱轴线与最不利截面位置

6.2.3 拱脚内力表达式

6.2.4 土拱强度与桩间距关系分析

6.2.5 考虑土拱三维现象的桩间距校核

6.2.6 实例与讨论

6.3 本章总结

7 基于松散斜坡体应力、形变场特征的锚固工程布置方法与效果研究

7.1 基于应力、形变场特征的锚固工程布置讨论

7.2 锚固工程效果评价

7.3 本章小结

结论

致谢

参考文献

附录 A 攻读博士学位期间发表的学术论文

附录 B 攻读博士学位期间参加的科研实践项目

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