岩土锚固工程中若干问题的研究

论文摘要

岩土锚固技术已广泛地应用于基坑、边坡、隧道等工程中,然而其力学机理仍有待完善。本文从锚杆摩阻力分布、锚杆支护基坑的杆系有限元分析及岩质边坡锚杆支护三维稳定分析三个方面进行研究。具体研究工作如下:(1)利用点荷载作用于半无限空间的Mindlin位移解,考虑锚杆与土体界面的渐进破坏过程,推导出界面摩阻力的微分方程解析解。编制了相应的计算程序,把计算结果和现场试验值进行比较,结果较为吻合,两者的数据都表明,随着锚头拉力的增加,锚杆摩阻力峰值逐渐向锚杆末端转移,而锚杆前端则发生部分范围的滑移。然后利用所求得的解析解,研究了土体弹模、锚杆孔径对锚杆摩阻力分布的影响。结果表明土体弹模越大,则界面上的摩阻力越容易达到峰值从而产生破坏。而锚杆孔径越大,则界面上的摩阻力上升越慢,可延缓破坏过程。(2)根据深基坑预应力锚杆柔性支护法的施工特点,改进了杆系有限元计算模型,提出柔性支护的开挖荷载计算方法,使之可以适用于预应力锚杆柔性支护法,编制了相应的计算程序,对一个实际工程进行计算分析,结果表明用改进后的杆系有限元方法在计算基坑水平位移、锚杆轴力方面较方便快捷,计算值与实测值也较为吻合。(3)提出岩质边坡沿软弱结构面滑移—剪切的三维稳定分析方法,这种破坏模式是工程中常见的。在分析模型中,下滑体沿滑动面下滑,在其他的面上则产生剪切。在结构面上满足莫尔库伦破坏准则,把剪切面上的摩阻力向下滑方向投影,由下滑体的力学平衡条件求解出未知力,通过迭代可以求得稳定系数。本文推导了相关的计算式,编制了相应的程序。利用这个程序,研究了锚杆的倾角与倾向、边坡长度等因素对边坡的影响,比较了三维分析与二维分析的差别。(4)对河南高速公路的一处45m高的边坡分别使用二维与三维方法进行稳定分析,采用了压力分散型锚索和混凝土梁进行支护,在锚头处安装12个锚索内力测力计。观测结果表明锚索内力变化平稳,支护效果良好。对观测数据进行分析,得到锚杆轴力沿高度方向的分布规律及锚杆安全系数随时间变化特点。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及选题依据
• 1.1.1 岩土锚固的定义及其特点
• 1.1.2 锚杆的使用历史
• 1.1.3 岩土锚固的应用前景
• 1.1.4 岩土锚固存在的问题
• 1.2 岩土锚固的研究现状
• 1.2.1 锚杆摩阻力分布的研究现状
• 1.2.2 锚杆支护效果的研究现状
• 1.2.3 岩土锚固稳定分析的研究现状
• 1.3 本文研究目标及相应的技术路线
• 1.4 本文的主要内容
• 2 锚杆与土体界面渐进破坏分析
• 2.1 锚杆摩阻力分布的有限元分析
• 2.1.1 有限元模型
• 2.1.2 计算结果分析
• 2.2 锚杆与土体界面渐进破坏的解析解
• 2.2.1 假设条件与Mindlin公式简介
• 2.2.2 锚杆摩阻力分布的微分方程的推导
• 2.2.3 锚杆摩阻力解析解的求解
• 2.2.4 解析解与试验值的对比分析
• 2.3 锚杆摩阻力分布的影响因素分析
• 2.3.1 算例简介
• 2.3.2 土体弹模对摩阻力分布的影响
• 2.3.3 锚杆孔径对摩阻力分布的影响
• 2.4 本章小结
• 3 预应力锚杆柔性支护的杆系有限元分析
• 3.1 预应力锚杆柔性支护方法介绍
• 3.1.1 预应力锚杆柔性支护的优点及其工程应用
• 3.1.2 受力特点
• 3.2 预应力锚杆柔性支护的力学性能分析
• 3.2.1 FLAC程序简介
• 3.2.2 工程实例简介与计算模型
• 3.2.3 计算结果分析
• 3.3 预应力锚杆柔性支护的杆系有限元
• 3.3.1 预应力锚杆柔性支护的杆系有限元模型
• 3.3.2 开挖荷载的计算
• 3.3.3 锚杆的模拟
• 3.3.4 面层和锚下结构的模拟
• 3.3.5 土弹簧的抗力系数
• 3.3.6 预应力的处理
• 3.4 程序实现与工程实例分析
• 3.4.1 程序实现
• 3.4.2 杆系有限元计算结果分析
• 3.4.3 杆系有限元与FLAC计算结果对比
• 3.5 本章小结
• 4 岩质边坡锚杆支护三维稳定分析
• 4.1 锚固技术在岩质边坡的应用现状
• 4.2 现有的岩质边坡稳定分析方法的不足
• 4.3 三维模型的建立
• 4.4 下滑体几何要素的求解
• 4.4.1 两个平面的交线倾向与倾角
• 4.4.2 两条相交直线的交点坐标
• 4.4.3 下滑体的体积的分解
• 4.4.4 点到平面的距离
• 4.4.5 四边形面积
• 4.5 剪切面摩阻力的方向
• 4.6 锚固力的三维投影
• 4.7 稳定系数的计算及程序实现
• 4.7.1 稳定系数的计算
• 4.7.2 程序实现
• 4.8 三维与二维的分析结果比较
• 4.8.1 边坡长度的影响
• 4.8.2 下滑面倾向与坡面倾向夹角的影响
• 4.9 锚杆参数对稳定的影响
• 4.9.1 锚杆倾角对稳定的影响
• 4.9.2 锚杆倾向对稳定的影响
• 4.10 实际边坡工程的应用
• 4.10.1 边坡简介
• 4.10.2 岩土参数反分析
• 4.10.3 边坡锚杆支护的稳定分析
• 4.11 本章小结
• 5 复杂地质边坡的锚杆支护应用实例
• 5.1 宛坪高速公路的复杂地质及滑坡
• 5.2 边坡支护方案
• 5.2.1 方案选择
• 5.2.2 该方案的优点
• 5.2.3 压力分散型锚杆的原理与特点
• 5.3 边坡支护设计
• 5.3.1 设计说明
• 5.3.2 边坡支护的立面与剖面
• 5.3.3 锚杆设计
• 5.3.4 锚墩及封锚结构的设计
• 5.3.5 边坡的排水体系
• 5.4 边坡支护施工
• 5.4.1 锚杆抗拔试验
• 5.4.2 主要施工工序
• 5.5 本章小结
• 6 锚杆内力监测及其变化规律分析
• 6.1 锚杆内力监测的作用
• 6.2 所使用的监测仪器简介
• 6.2.1 MGH型锚杆测力计
• 6.2.2 GSJ-2A型智能检测仪
• 6.3 锚杆测力计安装方法
• 6.4 锚杆测力计观测数据分析
• 6.4.1 各排锚杆内力随时间变化曲线
• 6.4.2 降水对锚杆内力的影响
• 6.4.3 锚杆内力沿边坡高度的分布规律
• 6.4.4 锚杆安全系数
• 6.5 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢