复合多层顺倾岩质边坡最优锚固角研究.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月人 民 长 江.收稿日期:基金项目:国家自然科学基金优秀青年科学基金项目()国家自然科学基金重点基金项目()中国长江三峡集团有限公司科研项目()作者简介:冼进业男硕士研究生主要从事滑坡预测预报与防治方面的科研工作 :.通信作者:李长冬男教授博士主要从事工程地质和岩土工程教学与科研工作 :.文章编号:()引用本文:冼进业陈建林李长冬等.复合多层顺倾岩质边坡最优锚固角研究.人民长江():.复合多层顺倾岩质边坡最优锚固角研究冼 进 业陈 建 林李 长 冬冼 树 兴王妍(.中国地质大学 工程学院湖北 武汉 .中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司浙江 杭州.中国地质大学 湖北巴东
2、地质灾害国家野外科学观测研究站湖北 武汉)摘要:锚杆支护是一种加固边坡的有效方式但目前针对复杂多层岩质边坡的锚杆最优锚固角研究较少且未考虑中间主应力对锚固效果的影响 采用统一强度理论以全长粘结型锚杆为对象根据锚杆失效模式及锚固段与围岩的作用方式推导出复合多层岩体中锚杆的极限抗拔力公式 通过计算不同岩层锚固段微元体的单位长度抗力比提出了复合多层顺倾岩质边坡的锚杆最优锚固角模型与最优锚固角的确定方法 将该方法应用到三峡库区巴东县一公路边坡工程结果表明模型计算所得最优锚固角与均匀试验方案确定的最优锚固角一致 新方法计算所得的边坡单位宽度锚杆总长与规范法计算结果相比减少约.与传统莫尔 库伦理论计算结果
3、相比减少约.研究结果可为复合多层顺倾岩质边坡的锚固支护设计提供一定的参考和借鉴关 键 词:复合多层岩质边坡 锚固优化设计 锚固角 统一强度理论 锚杆长度中图法分类号:文献标志码:./.引 言复合多层顺倾岩质边坡是自然界中常见的边坡类型在开挖、加载等作用下往往容易沿软弱面发生失稳破坏 这类边坡的整体稳定性差影响交通工程和居民生命财产安全 开展此类边坡的加固研究具有非常重要的意义 锚固支护技术作为治理岩质边坡的有效方法之一具有经济、高效、效果优良等优点在滑坡治理、边坡支护及隧道工程等领域中得到广泛应用 锚固参数是影响锚杆锚固效果的重要因素之一因此开展锚固参数的优化研究尤为重要王俊石对预应力锚杆的作
4、用机理进行研究确定了锚固角是优化的关键因子并提出了最优化锚固角的确定与应用方法 熊文林等研究了坡面与滑面倾角对最优锚固角计算的影响认为原有的规范推荐计算方法是坡面与滑面倾角相同时的特例并提出了确定最优锚固角的新方法 张发明等基于优化与决策理论分析了影响锚固支护设计的因素建立起锚固支护设计的决策支持系统封金财从锚杆自由段与锚固段的长度关系入手分析推导出单位长度锚杆提供最大抗滑力时的锚固角计算公式 王朝阳等考虑土体中间主应力影响基于统一强度理论利用最优锚固长度与锚固角的关系曲线提出了确定锚杆最优锚固长度与锚固角的方法 刘骏等运用 模拟了不同锚固参数下锚杆对边坡加固效果的影响结果表明锚固角对锚杆的锚
5、固效果影响最大上述研究为锚固工程设计提供了重要的研究基 人 民 长 江 年础但当前锚固系统设计往往将加固段岩层视为均质岩层然而岩体在成岩过程中由于沉积环境的变化导致物质组成、粒径、矿物结构等差异岩层往往具有分层性和互层性 这种地层结构在自然或人工边坡中普遍存在因此均质地层锚固支护模型有一定的条件限制鉴于此本文采用统一强度理论推导出复合多层岩体锚杆极限抗拔力公式并提出复合多层顺倾岩质边坡的最优锚固角模型与最优锚杆长度的确定方法同时将本文方法运用到三峡库区巴东县一公路边坡工程中将其与规范法及传统库伦理论计算的锚杆长度进行对比研究 理论背景俞茂宏提出的统一强度理论能够灵活地适应各类材料的特点并能考虑
6、中间主应力效应而目前常用的理论往往忽略中间主应力对材料破坏的影响因此对于应力状态复杂的边坡岩体而言统一强度理论更能真实地反映岩体的应力状态岩土体的应力表达式如下:()()()()()()式中:为岩土体材料黏聚力为内摩擦角()为中间主剪应力对材料破坏的影响系数对于确定的岩土体而言为了方便计算本文设 俞茂宏等和 等增加了中间主应力影响系数 对统一强度理论进一步推导求得了中间主应力与最大、最小主应力的关系式为 ()/文献研究表明对于平面应变问题在塑性区内 趋近于 唐仁华等假定 结合莫尔 库伦理论推导出了统一强度理论下抗剪强度参数与莫尔 库伦理论抗剪强度参数的变换公式:()()()()()式中:和 分
7、别为统一强度理论下岩土材料的黏聚力和内摩擦角 概化模型如前所述在自然界中含软弱夹层的复合多层顺倾岩质边坡普遍存在其岩体强度不具备连续性容易沿软弱面发生破坏 因此亟需开展此类边坡的锚固支护研究 本文根据该类边坡的特点参考文献资料 概化出复合多层顺倾岩质边坡锚杆加固模型如图 所示 注:为第 层围岩出露长度图 复合多层顺倾岩质边坡锚杆加固概化模型.图 中:、分别为边坡坡角、岩层倾角和锚固角 为坡高 为加固点到坡顶的垂直距离和 分别为锚杆自由段和锚固段长度.复合多层岩体锚杆极限抗拔力计算锚杆的作用机理复杂导致锚固系统的失效模式多样 国内外学者通过原位试验与力学理论研究了锚杆的破坏形式及其破裂面形态 邓
8、宗伟等根据前人试验统计认为锚杆以复合型破坏为主即锚杆浅部伴随锥形或圆弧形破坏在破裂面以下的杆体发生滑移破坏此类破坏形式为拉拔型破坏锚杆的承载能力取决于其极限抗拔力此外其研究还表明锥形破坏部分提供的抗拔力很小 因此锚杆极限抗拔力是由注浆体与围岩间接触面强度参数及围岩压力决定的本文以全长粘结型锚杆为对象根据锚杆锚固段与围岩的作用方式及破坏特点假设锚固段在各岩层剪应力均匀分布当锚固体发生滑移破坏时其受力条件如图 所示 在文献的基础上考虑注浆体与各岩层的接触面强度参数差异在复合多层岩体条件下锚杆极限抗拔力表述为 ()()式中:为锚固段与每层围岩的作用长度 为注浆体直径、分别为统一强度理论下注浆体与 第
9、 期 冼进业等:复合多层顺倾岩质边坡最优锚固角研究第 层围岩接触面间的黏聚力与内摩擦角为注浆体与第 层围岩的平均压力由文献公式进一步推导得:()()()式中:、分别为滑体的平均重度和第 层岩层的平均重度/将围岩压力 代入式()则锚杆极限抗拔力为 ()()()图 复合多层岩体锚杆作用方式.复合多层顺倾岩质边坡锚杆锚固段长度计算 根据图 的地质模型对其进行极限平衡分析 滑体受到沿层面向下的推力同时受到由岩层间的摩擦和黏聚作用形成的抗滑力在锚杆的支护作用下边坡的稳定性系数计算公式如下:()()()式中:为滑面长度 /、为滑面的黏聚力与内摩擦角 为滑体重量 ()/()对公式()进一步推导在边坡稳定性系
10、数确定情况下锚杆群所需提供的锚固力计算公式为()()()当锚固力 由全部锚杆提供时设锚杆布置 排其水平间距为 在考虑一定安全储备情况下则单根锚杆所需的锚固力为()式中:为锚杆安全系数在无外部触发因素的影响下复合多层顺倾岩质边坡的单根锚杆锚固段长度可用式()计算:()()式中:、可由公式()、()计算求得 复合多层岩质边坡最优锚固角模型为了确定最优的锚杆长度需要对锚固角进行分析设锚固段微元体位于第 层岩层中假定第 层岩体对锚杆应力增量为即该岩层对锚杆应力增量为均值由式()推导出该微元段单位长度产生的抗拔力为 ()()()式()中自由段 是关于锚固角 变化的函数因此需要确定其表达式 在加固点位置确
11、定时当锚杆与岩层面垂直时自由段长度达到最小值设此时的自由段长度为 对于其他情况下的自由段长度可表示如下:()()由式()、()得单根锚杆所需要的锚固力联立式()、()得单根锚杆的锚固段长度公式:()()()式 中:()()由式()得到单根锚杆的锚固段长度公式但锚杆总长是由自由段长度与锚固段长度共同决定的联立式()、()得到锚杆总长 总的表达式:总()()()()锚杆单位长度提供的抗滑力增量为()总()式中:()()()是关于锚固角 变化的函数存在 使其达到最大值当 人 民 长 江 年达到最大值时单位长度锚杆提供的抗滑力增量最大可认为 为最优锚固角为了方便计算对()取倒数得()最优锚固角问题转变
12、为求取()在锚固施工范围内的最小值问题 在模型参数(岩层倾角 )与实际工程锚固角范围上限值()确定情况下()()可能存在跳跃间断点 此时可分两种情况讨论:当)因此区间(不予考虑故函数()在)上连续可导 现对()求偏导得最优锚固角模型:()()()()()()()()()式中:()()()()()()()()()()()()()()要求取()在锚固角施工区间内的最小值即要判断()在区间端点和求导函数异号零点处的大小关系 由于最优锚固角模型()形式复杂直接求取异号零点精确值的难度大而在传统的锚固支护工程中一般以整数角度施工故可通过二分法对上述()函数的异号零点所在区间端点进行逼近进而得到函数异号零
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- 关 键 词:
- 复合 多层 顺倾岩质边坡 最优 锚固 研究