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边坡岩体锚固性能研究及其工程应用

作　者: 洪海春
导　师: 徐卫亚；蔡耀军；刘志明
学　校: 河海大学
专　业: 岩土工程
关键词: 边坡岩体锚固性能剪应力特性锚固段长度锚杆尺寸效应长期性能耐久性断层连接锚固
分类号: TV45
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

岩体锚固是岩土工程领域中非常重要的分支，而岩体锚固性能研究是岩体锚固中的核心问题之一。采用锚固技术进行边坡岩体的加固和防护是最普遍、最经济和最有效的方法之一。针对边坡岩体锚固性能研究及其工程应用中存在的受力特性、长期性能和耐久性等问题开展了比较深入系统的研究工作。本文主要研究成果如下：（1）基于弹性理论，按照半空间体在边界上受法向集中力作用，对预应力锚索锚固段剪应力沿长度方向的分布规律进行模型研究。通过分析实际工程和现场试验中剪应力分布特征，引入与预应力、锚固段长度、岩体强度、注浆材料强度等相关的综合参数α和与剪应力最大值的位置、锚固段钻孔直径等相关的综合参数β后，可以较好地模拟锚固段的剪应力特性。根据锚固段岩体和注浆体界面的抗压强度σ_c、内摩擦角φ以及综合参数α与预应力大致成线性反比例关系，可以估算极限承载力。同时，按本文所述方法计算实际需要的锚固段长度L_s是设计锚固段长度L_d的2tanφ倍。最后，实例分析表明研究成果是合理的。（2）单孔多筋全长粘结式长锚杆可用于解决不良地质条件、岩性较差边坡的浅表层岩体加固问题。针对乌江构皮滩水电站尾水边坡工程的实际，对锚杆进行试验研究。研究表明，锚杆的基本性能良好。根据监测资料分析锚杆轴力特性，结合前人研究成果，提出锚杆尺寸效应的概念。工程实践证明，锚杆设计合理，值得在类似工程中推广使用。（3）考虑锚索预应力和边坡岩体蠕变的耦合作用，采用新的非线性粘塑性体（NVPB）组成的改进西原模型，建立了两者的耦合模型，推导了锚索预应力长期变化的计算公式，可以反映各种情形下真实的预应力损失变化规律。针对乌江构皮滩水电站尾水边坡工程中的预应力锚索的现场监测值和理论计算值进行对比分析，验证了计算公式的正确性与合理性。研究成果可以为边坡岩体预应力锚固长期性能提供参考或依据。同时，提出改善预应力锚固长期性能的工程措施。（4）将预应力锚索注浆体受到的环向应力，考虑为预应力引起的注浆体环向拉应力和锚索体对注浆体的锈胀力共同作用，推导出锚索体均匀锈蚀导致注浆体开裂时的极限增长量计算公式。在前人研究成果基础上，得出了高陡边坡岩体的预应力锚索开裂时服务年限的估算表达式，为预应力锚固耐久性研究提供参考。最后，结合雅砻江锦屏一级水电站左岸1885m高程以上开挖边坡岩体加固工程中的2000kN预应力锚索和3000kN预应力锚索，探讨了与服务年限相关的4个影响因素及其相对重要性：预应力对服务年限最不敏感，随着预应力的增加，服务年限逐渐减小，曲线呈线性函数关系；预应力值的选择主要取决于确保工程的稳定性；锚索体直径要相对敏感很多，随着锚索体直径的增加，服务年限逐渐增加，曲线的斜率逐渐稍微变陡；然后是握裹层厚度，随着握裹层厚度的增加，服务年限也逐渐增加，曲线的斜率逐渐稍微变陡；最敏感的是注浆体抗压强度，随着抗压强度的增加，服务年限逐渐增加，曲线的斜率也逐渐稍微变陡。同时，提出改善预应力锚固耐久性的工程措施。（5）将边坡岩体锚固性能研究的成果和结论应用于清江水布垭水电站马崖高陡边坡F₁₅₈断层加固工程中，采用测斜仪、多点位移计、锚索测力计、裂缝计开合度等现场监测资料反馈分析和锚固洞轴力、岩体位移等有限元数值模拟计算相结合，分析了边坡岩体断层锚固的性能，提出了边坡岩体断层连接锚固的概念，对于类似工程具有重要的借鉴价值。

全文目录

摘要  7-9
Abstract  9-15
第1章绪论  15-44
  1.1 研究背景、目的和意义  15-19
    1.1.1 研究背景  15-17
    1.1.2 研究目的  17-18
    1.1.3 研究意义  18-19
  1.2 边坡岩体锚固性能研究进展  19-39
    1.2.1 理论研究方法  19-24
    1.2.2 现场监测资料分析方法  24-26
    1.2.3 数值仿真模拟方法  26-31
      1.2.3.1 有限单元法  26-28
      1.2.3.2 拉格朗日分析方法  28-29
      1.2.3.3 离散元法  29-30
      1.2.3.4 边界元法  30-31
      1.2.3.5 非连续变形分析(DDA)方法  31
    1.2.4 现场试验方法  31-34
    1.2.5 室内模型试验方法  34-36
    1.2.6 综合研究方法  36-39
  1.3 当前边坡岩体锚固性能研究存在的若干问题  39-41
  1.4 本文的主要研究内容及其技术路线  41-44
第2章预应力锚索锚固段剪应力特性研究  44-56
  2.1 引言  44-45
  2.2 锚固段剪应力特性研究  45-48
    2.2.1 锚固段剪应力与轴力关系  45-46
    2.2.2 弹性理论空间模型研究  46-48
  2.3 分析与讨论  48-51
    2.3.1 岩体强度对剪应力特性的影响  48
    2.3.2 峰值点的位置与钻孔直径  48
    2.3.3 综合参数α和β的引入与意义  48-49
    2.3.4 极限承载力研究  49
    2.3.5 锚固段长度研究  49-51
  2.4 算例分析  51-55
    2.4.1 算例1  51-53
      2.4.1.1 弹性理论空间模型计算  52-53
      2.4.1.2 模型计算与现场试验结果比较  53
    2.4.2 算例2  53-55
  2.5 本章小结  55-56
第3章单孔多筋全长粘结式长锚杆轴力特性研究  56-69
  3.1 引言  56-57
  3.2 工程概况  57-58
  3.3 锚杆试验研究  58-63
    3.3.1 锚杆主钢筋连接性能试验  58
    3.3.2 锚杆注浆体抗压强度试验  58-60
    3.3.3 锚杆的设计与受力体系  60-63
  3.4 锚杆轴力特性研究与尺寸效应  63-67
    3.4.1 锚杆监测资料分析  63-64
    3.4.2 锚杆尺寸效应概念  64-67
  3.5 本章小结  67-69
第4章边坡岩体预应力锚固长期性能研究  69-85
  4.1 引言  69-70
  4.2 改进的西原模型  70-74
  4.3 边坡岩体预应力锚固长期性能  74-78
    4.3.1 建立耦合模型  74-75
    4.3.2 预应力锚固长期性能表达式  75-78
  4.4 工程实例  78-80
    4.4.1 工程概况  78-79
    4.4.2 监测数据耦合模型验证分析  79-80
  4.5 改善边坡岩体预应力锚固长期性能措施  80-83
    4.5.1 改善边坡岩体蠕变措施  81
    4.5.2 改善钢绞线松弛措施  81-82
    4.5.3 避免动荷载作用因素的措施  82-83
    4.5.4 避免降雨因素的措施  83
    4.5.5 改善注浆体质量措施  83
  4.6 本章小结  83-85
第5章边坡岩体预应力锚固耐久性研究  85-105
  5.1 引言  85-87
  5.2 预应力锚索体锈蚀研究  87-92
    5.2.1 预应力锚索体锈蚀破坏特性  87
    5.2.2 注浆体胀裂时刻的锈胀力  87-89
    5.2.3 预应力锚索体锈蚀的极限增长量  89-90
    5.2.4 预应力锚索的锈蚀速率和寿命预测  90-92
  5.3 工程实例与讨论  92-101
    5.3.1 工程概况  92-94
    5.3.2 2000kN预应力锚索开裂时服务年限分析  94-97
      5.3.2.1 锚固预应力与开裂时服务年限的关系  94-95
      5.3.2.2 预应力锚索体直径与开裂时服务年限的关系  95
      5.3.2.3 握裹层厚度与开裂时服务年限的关系  95-96
      5.3.2.4 注浆体抗压强度与开裂时服务年限的关系  96
      5.3.2.5 影响开裂时服务年限各因素的相对重要性  96-97
    5.3.3 3000kN预应力锚索开裂时服务年限分析  97-101
      5.3.3.1 锚固预应力与开裂时服务年限的关系  98
      5.3.3.2 预应力锚索体直径与开裂时服务年限的关系  98-99
      5.3.3.3 握裹层厚度与开裂时服务年限的关系  99
      5.3.3.4 注浆体抗压强度与开裂时服务年限的关系  99-100
      5.3.3.5 影响开裂时服务年限各因索的相对重要性  100-101
  5.4 改善边坡岩体预应力锚固耐久性措施  101-103
    5.4.1 改善边坡岩体地质环境措施  101-102
    5.4.2 改善钢绞线防腐措施  102
    5.4.3 改善注浆体防护措施  102-103
    5.4.4 改善波纹管防护措施  103
  5.5 本章小结  103-105
第6章边坡岩体锚固性能的工程应用  105-125
  6.1 工程概况  105-106
  6.2 边坡岩体监测资料反馈分析  106-115
    6.2.1 测斜仪分析  108-111
    6.2.2 多点位移计分析  111-112
    6.2.3 锚索测力计分析  112-114
    6.2.4 裂缝计 K12-4裂缝开合度分析  114-115
  6.3 边坡岩体断层加固数值模拟分析  115-120
    6.3.1 有限元数值模拟简介  115-118
    6.3.2 锚固洞受力分析  118-119
    6.3.3 岩体位移分析  119-120
  6.4 边坡岩体预应力锚固长期性能分析  120-122
  6.5 边坡岩体预应力锚固耐久性分析  122-123
  6.6 边坡岩体断层连接锚固的概念  123
  6.7 本章小结  123-125
第7章结论与展望  125-127
  7.1 本文结论  125-126
  7.2 未来工作展望  126-127
参考文献  127-141
主要符号意义  141-142
致谢  142-144
个人简历、攻博期间发表的论文和参与的科研项目  144-145

边坡岩体锚固性能研究及其工程应用

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