框架锚杆加固黄土边坡的模型试验及数值模拟分析

发布时间：2020-09-17 17:35

　　随着我国改革开放和西部大开发的进一步深化,西北地区的经济建设取得了快速的发展。交通运输业作为国民经济和社会发展的重要基石,也得到了大力发展。我国西北地区大部是黄土高原,面积广阔,且多为山区丘陵地貌,所以在工程建设中会不可避免的遇到边坡工程。因此,研究黄土地区路堑边坡在开挖过程中的变形规律、影响因素、稳定性及其加固方法,对于保持黄土边坡的稳定、推进西北地区的基础设施建设有着十分重要的意义。框架锚杆支护对于提高边坡稳定性和减小边坡变形的作用效果显著,且框架锚杆锚固具有制作简单、施工方便、工期短、成本低等优点,近年来,用框架锚杆来提高边坡稳定性,控制其侧向位移的方法被越来越多的运用到工程中。我国地理环境复杂,加之我国的框架锚杆锚固支护技术的发展时间还比较短,关于许多具体工况的施工方法还没有详细的规范指导。因此,本文参照某实际工程,通过室内模型试验,从不同锚固方式和不同布锚角度两个方面研究了黄土边坡的极限承载力、土体应力分布、边坡的滑动位移、锚杆的应力分布等有关参数。然后利用MIDAS/GTS NX有限元软件进行数值模拟,并与室内模型试验的结果进行比较,得出以下结论。本文的主要内容有:(1)查阅资料,了解有关框架锚杆支护的研究现状,从理论研究方面、试验研究方面以及数值模拟研究方面对框架锚杆支护结构的作用机理及受力特征进行归纳总结。鉴于国内外学者对于黄土边坡工况下框架锚杆的作用机理的研究还比较少与框架锚杆支护技术在边坡锚固方面存在的问题,制定有关室内模型试验的方案,并提出本文研究的主要内容。(2)室内模型试验所用锚杆为直径8mm,长度为800mm的铁质螺杆。锚孔直径为25mm,灌注砂浆所用水泥为祁连山硅酸盐42.5号水泥,水灰比为0.45:1,灰砂比为1:1;所用填土为兰州黄土,并通过土工试验确定了土的最佳含水率、最大干密度以及粘聚力和内摩擦角等土体参数。通过模型试验,对未加固的、腰梁锚固和框架锚杆锚固的黄土边坡进行试验,对比分析不同坡顶荷载作用下坡体的位移、锚杆受力、框架梁的受力分布以及边坡的极限承载力等的变化规律,为今后的工程实践提供参考依据。(3)在一定的坡体密度和含水率条件下,以相同坡顶荷载进行了不同布锚角度情况下的室内锚杆拉拔试验。通过对比分析可知:锚杆的抗拔力随布锚角度的增加,呈现出先增大后减小的趋势,当锚杆俯斜40°布置时,抗拔力达到最大,即40°是最优锚固角。(4)单级边坡工况下,对边坡进行腰梁锚固下的承载力试验,探究不同腰梁锚固位置对边坡的支护效果。通过对试验结果对比分析可知,腰梁锚固位置从顶部至底部的变化过程中,边坡的极限承载力先增大后减小。当腰梁位于锚固边坡的1/2坡高处时,边坡的极限承载力最大,锚固效果最佳。通过对无支护、腰梁锚杆支护以及框架梁锚杆支护的效果进行对比分析,发现框架梁锚杆支护的效果最优。(5)利用Midas/GTS NX有限元软件,研究了边坡开挖过程中,不同锚固形式下的边坡稳定系数、坡顶沉降、坡体侧向位移以及土体的应力分布情况,分析了框架锚杆支护结构的作用机理和腰梁锚固支护的作用效果,得出的结论与室内模型试验变化趋势基本吻合,也验证了本文所建模型的正确性。研究成果可为类似黄土边坡加固提供参考。
【学位单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U416.14
【部分图文】：

分布图,分布图,黄土,高压工程

背景与意义国西部大开发的推进，西北地区的经济得到了快速发展，同时西北地如雨后春笋一般，发展迅速。我国西北地区大部是黄土覆盖的丘陵和山丘林立，地势极不平坦。在这样的自然环境中修建公路或铁路会不问题。黄土边坡是我国西部大开发基础建设程中常见的岩土构筑物形斜坡面的岩土体。由于边坡表面是倾斜的，所以在自重或外力的作用岩体中的某一部分具有从高向低滑落的趋势，如果土体内部某一个面所能提供的抗滑力，就会发生滑坡。由于黄土具有遇水湿陷性、高压工程特性，所以经常出现滑坡、不均匀沉降等灾害，不仅致使工程维车辆的正常通行，威胁人类的生命财产安全，制约运输事业的发展，谐稳定。

边坡工程,病害

框架锚杆加固黄土边坡的模型试验及数值模拟分析高达 6800 万 m3，堵塞后形成 335m 的大坝，库容 6.8 亿 m3。1981 年雨季，宝成铁共发生滑坡 289 处，损失 2.56 亿元。1983 年 3 月甘肃东乡县的洒勒发生黄土滑坡，坡体积约 5000m3，造成造 227 人死亡，4 个村庄被毁。2001 年 5 月 1 日，重庆市武县发生滑坡事件，当场死亡 69 人，一幢 9 层高的住宅楼房被毁[1-2]。据不完全统计，国每年发生的滑坡次数多达万次以上，经济损失高达百亿，另外还有许多座城市处于坡的威胁之下。滑坡灾害不仅威胁着人类的生命财产安全，还会中断交通，破坏房屋毁工程，毁坏农田。因此，保证边坡稳定，不仅关乎过往车辆和行人的生命安全，更乎国家的发展大计。

剖面图,框架锚,支护结构,立面图

（a）框架锚杆支护结构立面图（b）框架锚杆支护结构剖面图图 2.1 框架锚杆支护结构的立面图与剖面图2.2 框架锚杆荷载传递及固坡效应分析2.2.1 锚杆的类型根据锚杆端头是否施加预应力，可将锚杆分为预应力锚杆和非预应力锚杆。通常，为防止锚杆受力后在锚杆端头产生较大位移，一般采取对锚杆进行张拉处理的措施，即对锚杆施加预应力。预应力能使锚杆和地层中产生应力，与预应力锚杆相比，非预应力锚杆的力学特性有很大不同。就对位移的控制方面而言，预应力锚杆相较于非预应力锚杆的效果要好，比较适用于对较硬的岩土体的支护。相比较而言，非预应力锚杆在湿陷性黄土中的应用较为广泛。根据锚杆受力后锚固体的受力情况，可将锚杆分为拉力型锚杆和压力型锚杆。拉力型锚杆在受到荷载作用后，杆体与锚固体接触面上的剪应力由荷载端向锚固端传递且靠近受力端的锚固体很容易出现张拉裂缝，而张拉裂缝的出现也比较容易致使锚杆发生锈

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