公路改扩建高边坡既有锚杆受力特性离心试验

为研究改扩建边坡二次开挖下既有锚杆的受力特性及边坡稳定性,基于自主研发的模型试验锚杆角度支护装置,采用离心试验研究了锚固角度分别为10°、20°、30°、45°、60°及锚杆横向密度分别为1根/(18 cm)、1根/(12 cm)下顺层岩质高边坡开挖全过程中坡顶水平位移、锚杆轴力及坡内土压力变化规律。结果表明:相同锚固角度下,随着边坡开挖卸荷,坡顶累计水平位移非线性增加,且开挖坡顶增幅较开挖坡中大;锚杆轴力呈单峰分布,在开挖坡顶及坡脚时轴力增幅较大,轴力峰值靠近软弱面且随开挖卸荷先减小后增大,开挖后轴力峰值仍为开挖前的61%以上;随锚固角度的增加,坡顶水平位移先减小后增大,坡内土压力先增大后减小,即存在最佳锚固角度;建议边坡开挖宜采用分级开挖,并在开挖坡顶及坡脚时适当降低速率,综合考虑边坡坡度、岩层及软弱面倾角等因素,合理设计锚固角度。研究成果有助于工程技术人员在改扩建边坡二次开挖工程中选择合适的支护措施。

改扩建公路岩质高边坡爆破开挖稳定性分析

为研究不同爆破开挖方式对岩质高边坡稳定性的影响,依托京沪高速公路改扩建工程,建立岩质高边坡爆破荷载时程曲线,研究了边坡采用同时起爆和微差爆破两种起爆方式的动力响应特征,对比分析了两种起爆方式的安全系数以及质点速度变化规律。结果表明:采用修正的爆破荷载常量B计算等效爆破动载的方法,研究爆破作用下的岩质高边坡的稳定性是合理可靠的;采用微差爆破边坡稳定性较高,边坡的安全系数随等效爆破动荷载的施加呈现出递减的周期性变化,在等效爆破动荷载F达到最大值F_(max)和0.6F_(max)时所对应的安全系数为极小值点;各质点的速率变化与爆破动荷载的施加有同步变化,随着质点距爆破区的距离增加,规律逐渐减弱,仅在最大值附近出现峰值振动,而同时起爆的各质点的速率要大于微差爆破,不利于边坡开挖,各测点之间的峰值依次出现了递减和滞后的现象;采用微差爆破在爆破区附近出现了应力集中现象,局部剪应力大于岩体的抗剪强度,产生剪切破坏,爆破前后的位移监测差值较小,取得了良好的松动作用,岩体出现局部裂隙,应注意后期及时支护。

基于可靠度理论的高边坡二次开挖稳定性分析

为研究岩质高边坡开挖全过程动态稳定性问题,依托京沪高速公路改扩建工程,采用FLAC3D分析边坡开挖全过程的变形机理,结合Geo-studio研究边坡开挖各阶段的破坏概率变化规律,提出1种以稳定系数F_(s)和破坏概率P_(f)为指标判断边坡开挖稳定性的二元评价方法,综合评估边坡开挖各阶段的稳定性。研究结果表明:边坡开挖与锚杆拆除对边坡稳定性影响显著,其中三级坡面开挖后边坡稳定系数和破坏概率变化幅度最大,稳定系数减幅可达28.8%,破坏概率由4.0%增至10.1%,对开挖后的各级边坡进行支护,边坡稳定系数显著增大,稳定系数增幅可达43.7%;基于蒙特卡洛法建立的二元评价法,能表征边坡开挖全过程稳定性,现场监测证明二元评价方法更具有适用性。研究结果可为类似公路改扩建工程边坡开挖提供一定的指导。

人工挖孔抗滑桩护壁与桩身结构相互作用模型试验

为研究护壁结构对抗滑桩水平承载力的贡献,以某人工挖孔抗滑桩工程为背景,依据相似理论设计了1∶10的分段式护壁结构、整体式桩身结构模型,并通过2个MTS作动器分别同时施加水平位移荷载于条件完全相同的有护壁桩和无护壁桩桩顶,开展室内物理模型试验研究。结果表明:相同桩顶水平位移条件下,有护壁桩桩端土压力要大于无护壁桩桩端土压力,顶部桩前被动土压力要小于无护壁桩,加固柔性桩上部被动区土能更有效提高其水平承载能力。相同桩顶水平位移下,有护壁桩桩身受拉钢筋最大应变始终大于无护壁桩;随着桩顶水平位移的增加,桩身受拉钢筋最大应变截面逐渐下移,但有护壁桩下移滞后于无护壁桩;随着水平荷载的增加,有护壁桩桩身受拉钢筋最大应变增大比例先增加后减小,当桩顶水平位移为30 mm时达到最大,增大比例为165.03%,当桩顶水平位移为90mm时达到最小,增大比例为20.23%。若以桩顶水平位移为桩的水平承载力控制标准,试验护壁提高桩身水平承载力达20%以上,工程实践中可参考所提公式和折减系数来计算护壁对桩身水平承载力的贡献。

基于ANSYS和响应面法的抗滑桩结构可靠性分析

在深入分析可靠度指标的几何意义和响应面法的基本思想的基础上,提出了基于ANSYS和响应面法的可靠度算法与步骤。分析了陕西省吴起县大路沟巨型黄土滑坡的工程地质条件,根据滑坡的工程地质勘察资料和滑坡治理工程的设计资料,建立了基于ANSYS的抗滑桩桩土体系有限元模型,经过自重作用下桩土结构有限元分析,验证了该有限元模型的有效性。在此基础上,选取滑体土重度γ、滑面土内聚力c和内摩擦角、滑面以下土的压缩模量Es4个随机变量,基于响应面(中心复合设计CCD)法和通用有限元软件ANSYS平台,建立了抗滑桩的可靠度分析模型,并研制了对应算法。工程算例结果表明:当试验点数量N=25时,抗滑桩结构的失效概率Pf=0.35%,可靠度指标β=2.70,从而验证了基于ANSYS和CCD响应面法建立抗滑桩可靠度计算模型及算法是可行的。

凝灰岩高边坡二次开挖稳定性分析及防护技术优化

凝灰岩具有遇水后易软化、崩解导致的强度大幅度下降性质,施工容易产生坡体局部开裂、溜坍等病害。为解决惠深高速公路加宽改扩建工程中凝灰岩高边坡二次开挖的稳控问题,首先采用有限元软件分析凝灰岩高边坡开挖中失稳机理及影响因素,并提出了高边坡二次开挖加固技术,后结合现场边坡位移和支护结构应力联合监控的方法,评价凝灰岩高边坡加固后的效果。研究结果表明:三级边坡至五级边坡的初次浅层溜坍区,降雨为诱因,开挖卸荷变形为主因;削方卸荷后发生二次溜塌,降雨为诱因,未及时支护为主因。针对病害实况,在三级边坡溜坍区采取“素混凝土护壁+锚杆格梁”支护措施,加固施工完成后,4级平台水平位移测点最大水平速率为0.28 mm/d,平均速率仅为0.02 mm/d,支护结构的应力值亦在预警范围内且无明显波动,加固措施效果明显。

高边坡预应力锚索特征荷载现场试验研究

预应力锚索的特征荷载包括锚索工作荷载与极限荷载,是判断锚索锚固效果的重要依据。基于6组预应力锚索原位拉拔破坏试验,依据拉拔荷载-位移全过程增量曲线研究预应力锚索荷载传递机制,提出了预应力锚索特征荷载的判定方法。研究表明:锚索受力全过程分为外锚段紧固、外锚段拉拔、自由段拉拔、锚固段滑移4个阶段;锚索工作荷载以锚索自由段拉拔阶段转折区间为基础,取其区间中值;锚索极限荷载以拉拔曲线增量位移陡增点为依据,为单级增量位移3 mm左右对应的荷载。最后建立锚索拉拔试验数值模型,分析了在位移陡增点前后两级拉拔荷载下锚索-注浆体、锚固耦合体-岩层界面锚固段剪应力分布规律,验证了所提出的极限荷载位移判据的准确性。

基于多因素耦合效应的锚索预应力长期损失研究

为研究锚索锚固力长期损失规律及计算方法,基于广义胡克定律、松弛率时程响应方程与改进西原锚固耦合本构模型,建立了三因素锚固力损失计算方法,利用三因素损失计算方法分别计算了锚具垫板内滑锁紧、索体钢绞线应力松弛、岩体蠕变耦合的锚索预应力理论损失值。开展锚索拉拔破坏原位试验进一步验证长期损失计算方法的准确性,通过分析拉拔荷载传递机制,确定了荷载-增量位移曲线自由段拉拔阶段为锚索的工作荷载区间,取其区间中值为锚索时效锚固力,并获取了预应力长期损失实测值。研究结果表明:20年运营期锚索预应力损失值约为17.5%~27.5%;岩体蠕变是锚索预应力长期损失的最显著影响因素;三因素损失计算方法理论值与现场预应力损失实测值误差约4.2%,验证了三因素损失计算方法的准确性,表明长期预应力损失的三因素计算方法满足一定精度要求,具有可行性。

全长黏结锚杆特征荷载试验研究

为评价高速公路边坡既有锚杆的锚固效果,依托京沪高速公路改扩建边坡工程,对边坡既有全长黏结锚杆进行了现场拉拔破坏试验。通过现场实测荷载-位移增量曲线确定了支护锚杆的工作荷载和极限荷载,建立了锚杆拉拔数值仿真模型,研究了全长黏结性锚杆-注浆体、锚固体-岩层两界面剪应力的分布规律。结果表明:荷载-位移增量曲线呈现“增大-减小-缓增-陡增”的变化特征;锚杆在拉拔荷载作用下经历外锚固段紧固阶段、锚杆-注浆体耦合变形阶段、塑性变形阶段、脱黏阶段等4个阶段,其中锚杆-注浆体耦合变形阶段与塑性变形阶段、脱黏阶段分别对应既有全长黏结锚杆工作荷载、极限荷载;锚杆工作荷载主要发生在锚杆-注浆体耦合变形阶段与塑性变形阶段区间,为区间拉拔荷载中值;锚杆极限荷载以位移增量陡增特征点为依据,为单级位移增量5 mm左右对应的拉拔荷载;当锚杆处于工作荷载阶段时,锚杆-注浆体界面、锚固体-岩层两界面的剪应力沿埋深方向均呈单调递减的分布形式;当锚杆达到极限荷载时,锚杆-注浆体界面、锚固体-岩层界面的剪应力分布形式由“单调递减”转变为“单峰分布”,且随着拉拔荷载的增加,剪应力峰值向深部移动。

锚固参数对顺层岩质高边坡稳定性敏感度分析

为研究锚固参数对顺层岩质高边坡稳定性的影响规律,依托京沪高速公路改扩建工程中顺层岩质高边坡,采用有限差分软件FLAC3D建立数值仿真模型,研究了二次开挖后边坡不同锚杆长度、锚固倾角和注浆体黏结强度锚固下,顺层岩质高边坡的稳定性和锚杆轴力分布规律,并对锚固参数进行敏感性分析,结合敏感性分析对二次开挖锚固工程提出建议。结果表明:边坡稳定系数随着锚杆长度的增加先增加后趋于稳定,锚杆锚固中存在最佳长度,锚杆长度12 m锚固效果最佳;边坡稳定系数随锚固倾角的增大先增大后减小,锚杆锚固中存在最佳倾角,锚固角度25°锚固效果最佳;边坡稳定系数随黏结力增大先增大后趋于稳定,注浆体选用M30水泥砂浆能提供足够的黏结力;各锚杆参数对边坡稳定系数的敏感度由大到小排序为黏结强度f_(b)>锚杆长度L>锚固倾角α。

顺层岩质边坡锚索锚固参数与优化设计分析

为研究预应力锚索加固节理化岩质高边坡稳定性变化规律,依托京沪高速公路改扩建工程中岩质高边坡,通过FLAC建立有限差分模型,研究了在不同锚索长度、倾角和预应力大小等因素影响下,边坡的稳定性和锚索锚固段轴力的变化规律,并结合敏感性分析进行了锚索参数设计。结果表明:锚索长度在最优范围内与边坡稳定性正相关,但过长后支护效果改善并不显著;在0°~30°内,锚索倾角变化对顺层岩质边坡稳定性影响不显著;锚索预应力施加时存在最佳值,在一定范围内预应力的增大会在岩层间附加法向应力,由此增大了支护范围内岩层间滑动阻抗力,锚固作用显著;锚索各参数对边坡稳定系数的敏感度由大到小排序为锚索预应力f>锚索长度l>锚索倾角θ。