邊坡加固新技術(shù)及研究方法展望

邊坡加固新技術(shù)及研究方法展望

摘要：隨著社會和經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，加快公路建設(shè)己成為必然要求，壓力（分散）型錨桿與擋土墻聯(lián)合加固結(jié)構(gòu)由于其具有結(jié)構(gòu)受力合理、施工便捷、節(jié)約用地等突出優(yōu)點(diǎn)而被越來越多的應(yīng)用于公路大型邊坡治理工程中。該聯(lián)合加固結(jié)構(gòu)通過在同一高度施加多個(gè)錨定板，提供側(cè)向約束，提高錨桿預(yù)應(yīng)力的同時(shí)還能提升擋土墻設(shè)計(jì)高度，兼具了薄壁式擋土墻與錨定板擋土墻的優(yōu)點(diǎn)。但作為一種新型支擋結(jié)構(gòu)，其相關(guān)理論研究尚不完善，特別是在擋土墻與墻后土體相互作用機(jī)理、結(jié)構(gòu)內(nèi)部荷載傳遞以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響因素等方面，這也限制了該類結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展。關(guān)鍵詞：壓力分散型錨桿；數(shù)值模擬；離散單元法前言伴隨著我國“一帶一路”戰(zhàn)略部署的進(jìn)一步開展，加快公路建設(shè)己成為必然要求，壓力分散型錨桿與擋土墻聯(lián)合加固結(jié)構(gòu)因其具有結(jié)構(gòu)受力合理、施工便捷、節(jié)約用地等優(yōu)點(diǎn)，在加固公路沿線邊坡及治理高邊坡路基等方面具有廣闊發(fā)展前景。但作為一種新型支擋結(jié)構(gòu)，該聯(lián)合加固結(jié)構(gòu)在相關(guān)理論研究方面存在諸多不足。1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.1擋土墻發(fā)展現(xiàn)狀擋土墻是指支承路基填土或山坡土體、防止填土或土體變形失穩(wěn)的構(gòu)造物，在公路、鐵路、橋梁、水利等工程建設(shè)中均并且廣泛應(yīng)用于在公路、鐵路、橋梁、水利等工程建設(shè)中。重力式擋土墻靠自身重力平衡土體，一般型式簡單、施工方便，對基礎(chǔ)要求也較高。重力式擋土墻常做成簡單的梯形，其依靠自身重力平衡土體，維持結(jié)構(gòu)在土壓力作用下的穩(wěn)定。這種形式的擋土墻的缺點(diǎn)是圬工量大、對基礎(chǔ)要求高，也因此重力式擋土墻在工程上的應(yīng)用逐漸減少。近年來，國內(nèi)學(xué)者從結(jié)構(gòu)方面對新型擋土墻做了許多相關(guān)研究[1]。黃曉華等曾研究將預(yù)應(yīng)力錨索格構(gòu)梁、掛網(wǎng)噴漿技術(shù)等輕型擋土墻用在公路邊坡治理和改造工程中。此外一些學(xué)者還相繼研究開發(fā)出U形擋土墻和倒Y形擋土墻等新型結(jié)構(gòu)形式[2]，這些類型的擋土墻能夠滿足不同地質(zhì)條件下地基對承載力的要求。伴隨著新型結(jié)構(gòu)形式擋土墻的發(fā)展，楊廣慶、彭云琴、李穎等學(xué)者從錨固及支擋技術(shù)等方面出發(fā)，對復(fù)合類型擋土墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工工藝等展開研究。未來較長一段時(shí)間內(nèi)，擋土墻的主流發(fā)展方向會主要集中在施工工藝及結(jié)構(gòu)形式等方面。1.2壓力分散型錨桿理論分析研究現(xiàn)狀在高邊坡支護(hù)處理工程中，預(yù)應(yīng)力錨桿（索）是一種有效的支護(hù)措施，已在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。預(yù)應(yīng)力錨桿（索）的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，根據(jù)錨桿（索）內(nèi)錨固段受力狀態(tài)的不同，其基本可分為拉力分散型錨桿（索）、壓力分散型錨桿（索）、拉壓分散型錨桿（索）、拉力型錨桿（索）及壓力型錨桿（索），其中壓力分散型錨桿（索）在高邊坡加固領(lǐng)域相較其他類型結(jié)構(gòu)具有顯著優(yōu)勢。這主要體現(xiàn)在：（1）壓力分散型錨桿（索）能夠改善內(nèi)錨固段應(yīng)力分布，消除錨固段上部拉應(yīng)力集中導(dǎo)致的漸進(jìn)性失穩(wěn)；（2）壓力分散型錨桿（索）可充分提高圍巖及接觸面的抗剪強(qiáng)度，改善可能存在的軟弱夾層的力學(xué)性質(zhì)；（3）壓力分散型錨桿（索）具有更好的防腐性能；（4）壓力分散型錨桿（索）能夠?qū)⒁粋€(gè)集中力轉(zhuǎn)化為數(shù)個(gè)分散的力，降低了有效錨固段單位面積上的剪應(yīng)力，縮短了錨固段長度，降低工程成本。趙明華等[3]根據(jù)能量原理，結(jié)合算例分析了壓力型錨索在各級荷載下的軸力、位移以及剪應(yīng)力分布情況，得到了壓力型錨索的荷載-位移曲線。作者提出壓力型錨索在大部分荷載下都處于彈性工作階段，一旦進(jìn)入塑性狀態(tài)，就表明即將達(dá)到承載力極限。尤春安等[4]利用彈性力學(xué)理論推導(dǎo)了錨索錨固段接觸面剪應(yīng)力及漿體軸向壓力，發(fā)現(xiàn)二者均服從指數(shù)函數(shù)分布，且剪應(yīng)力在承載單元附近出現(xiàn)應(yīng)力集中，同時(shí)分析了各參數(shù)，諸如巖土體彈性模量、錨固體直徑等對錨固段受力特性的影響。曹興松、周德培等[5]借助二康公路相關(guān)工程，采用Winkler假設(shè)，研究了破碎巖體中壓力分散型錨桿受力特性，提出了一種設(shè)計(jì)計(jì)算方法，適用于破碎巖體邊坡加固工程，并對該種新型結(jié)構(gòu)的錨固機(jī)理、錨固性能等進(jìn)行了分析。姚智全等[6]借助半無限體內(nèi)的Mindlin解，分別建立關(guān)于壓力分散型錨索和拉力型錨索的平衡方程，對不同參數(shù)條件下兩種錨索的應(yīng)力進(jìn)行了對比分析，得到以下結(jié)論：（1）當(dāng)兩種錨桿（索）位移大小相同時(shí)，壓力分散型錨桿（索）的承載力較大，約為拉力型錨桿（索）承載力的2倍，且壓力分散型錨桿（索）最大剪應(yīng)力較小；（2）當(dāng)兩種錨桿（索）承受外部荷載大小相同時(shí)，拉力型錨桿（索）的粘結(jié)應(yīng)力和位移較大，約為壓力分散型錨桿（索）位移和粘結(jié)應(yīng)力的2倍。且壓力分散型錨桿（索）應(yīng)力分布較為平均，避免了拉力型錨桿（索）結(jié)構(gòu)中常出現(xiàn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而可以更加充分的發(fā)揮土體的抗剪強(qiáng)度。綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者對壓力分散型錨桿進(jìn)行了理論分析，推導(dǎo)了壓力分散型錨桿在受力作用下的應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律。但目前關(guān)于壓力分散型錨桿應(yīng)用于巖土體加固工程的作用機(jī)理及相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)的研究仍然較少。1.3壓力分散型錨桿數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀現(xiàn)階段對壓力分散型錨桿進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)研究，往往受到研究經(jīng)費(fèi)不足、工程地質(zhì)惡劣等各方面的限制。而數(shù)值模擬試驗(yàn)受客觀因素影響較小，作為對現(xiàn)場試驗(yàn)以及室內(nèi)模型試驗(yàn)的一種方法補(bǔ)充，目前已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。張四平等通過有限元數(shù)值模擬的方法，結(jié)合位于軟弱巖層中的現(xiàn)場試驗(yàn)，總結(jié)出壓力分散型錨桿剪應(yīng)力的分布規(guī)律，同時(shí)通過觀察位于軟弱巖層中的錨桿的極限承載力變化規(guī)律，分析壓力分散型錨桿的破壞機(jī)理及影響其破壞的外部因素，進(jìn)而為壓力分散型錨桿在工程中的應(yīng)用提供參考。2理論基礎(chǔ)以及相關(guān)技術(shù)簡介2.1離散單元法基本理論離散單元法是自20世紀(jì)70年代初開始興起的一種數(shù)值計(jì)算方法，該方法的基本原理是基于牛頓第二定律基礎(chǔ)建立起來的。該方法因可模擬離散顆粒組合體系及離散塊體系統(tǒng)，因此適合解決非連續(xù)介質(zhì)的破損、斷裂及大變形等問題，在分析巖土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系方面有著很大優(yōu)勢，在邊坡工程方面應(yīng)用廣泛。離散單元法同有限單元法一樣，在進(jìn)行運(yùn)算前需將某一區(qū)域劃分為若干單元[7]。不同的是，在離散單元法中，各單元在力的作用下可以實(shí)現(xiàn)相互分離，從而模擬非連續(xù)介質(zhì)。單元之間的作用力可以根據(jù)力與位移的關(guān)系求得，某一單元的運(yùn)動依據(jù)所受的不平衡力及不平衡力矩按牛頓運(yùn)動定律確定。2.2數(shù)字照相變形量測技術(shù)簡介數(shù)字照相量測技術(shù)可理解為是利用數(shù)碼相機(jī)、CCD攝像機(jī)、視頻顯微儀及其他照相設(shè)備等作為圖像采集手段，獲得觀測目標(biāo)的數(shù)字圖像，然后，利用數(shù)字圖像處理與分析方法，對觀測目標(biāo)進(jìn)行變形分析或特征識別的一種現(xiàn)代量測新技術(shù)。它在材料變形及其破壞演變過程的全程觀測與宏、細(xì)觀力學(xué)特性研究方面都具有突出的優(yōu)越性。此外，數(shù)字照相量測是一項(xiàng)通用性很強(qiáng)的現(xiàn)代非接觸量測新技術(shù)，近年來，在巖土、結(jié)構(gòu)、采礦、橋隧、建筑、機(jī)械、林業(yè)及醫(yī)學(xué)工程等多學(xué)科的實(shí)驗(yàn)力學(xué)研究領(lǐng)域中發(fā)展迅速且應(yīng)用日漸廣泛，同時(shí)有著巨大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用推廣空間。當(dāng)前該技術(shù)按照是否在研究對象的模型上布置標(biāo)志點(diǎn)而分為標(biāo)點(diǎn)法和無標(biāo)點(diǎn)法。標(biāo)點(diǎn)法是指在觀測目標(biāo)上設(shè)置人工標(biāo)志點(diǎn)或描畫網(wǎng)格，位移量測計(jì)算既可采用質(zhì)心法，也可采用圖像相關(guān)法，該方法適合大變形量測。無標(biāo)點(diǎn)法是在觀測目標(biāo)上不使用任何人工標(biāo)志點(diǎn)，而利用目標(biāo)的自然或人工紋理在圖像上形成的數(shù)字散斑來進(jìn)行相關(guān)分析，該方法試驗(yàn)操作較簡單，利用圖像上的像素點(diǎn)作為測點(diǎn)，數(shù)量沒有限制，可以進(jìn)行精細(xì)變形分析。3結(jié)語本文總結(jié)了前人的研究成果，并且論述了其理論基礎(chǔ)、介紹了數(shù)字照相變形量測技術(shù)。而通過這一系列論述我們能夠較為深入的了解壓力分散型錨桿與擋土墻的發(fā)展現(xiàn)狀及兩者的加固特點(diǎn)，希望這一認(rèn)知能夠?yàn)橄嚓P(guān)工程研究人員與從業(yè)人員帶來一定啟發(fā)。參考文獻(xiàn)：[1]程良奎.巖土錨固研究與新進(jìn)展[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24（21）：5-13.[2]周恒宇.錨桿擋土墻在邊坡防護(hù)中力學(xué)機(jī)理的研究[D].西南交通大學(xué)，2010.[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