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1、群锚对岩质边坡稳定性影响的数值模拟研究第35卷第2期2011年4月武汉理工大学(交通科学与工程版)JournalofWuhanUniversityofTechnologyfTransportationScience&Engineering)VoI.35NO.2Apr.2011群锚对岩质边坡稳定性影响的数值模拟研究*郑筱彦夏元友(武汉理工大学土木工程与建筑学院武汉430070)摘要:针对李家峡双滑面岩质边坡,利用有限差分软件对预应力群锚加固岩质边坡稳定性进行数值模拟研究.从预应力对岩体应力状态的改善,锚索预应力随计算时步的变化情况,锚索锚力以及锚索失效对其他
2、锚索以及边坡稳定性影响3个方面阐述了群锚作用机理.数值模拟结果表明:在多根预应力锚索作用下,单根锚索压应力集中区相互叠加后形成一个完整的压缩带,群锚效应抑制了边坡体的大变形,可使边坡整体性加强;由一级坡第一排锚索的预应力值变化规律可知锚索张拉会对相邻锚索预应力有一定影响;锚索锚力改变,对相邻锚索的影响较小,同时对增强锚固力作用不大;部分锚索失效,会引起锚索承担的荷载在群锚中发生转移,从而导致边坡稳定性降低.关键词:预应力锚索;岩质边坡;群锚作用机理;数值模拟;失效中图法分类号:TU452DOI:l0.3963/j.issn.1006—2823.2O11.02.0l
3、4锚固技术已成为一种不可替代的岩土工程安全加固措施,边坡岩体经过开挖卸载后,表层失衡的自重应力场通过群锚作用得到适当恢复,主要作用为对表层卸荷岩体的压实压密,增韧止裂,提高岩体整体性与变形均匀性,降低了局部破坏的机率,对加固层岩体起到了锚索自由段两端加压,加固,形成了新应力状态的良性调整【l.j.本文采用有限差分软件对李家峡岩质边坡预应力群锚加固效应进行数值分析,以期能为类似的边坡工程提供借鉴和指导作用.基本原理和计算单元采用有限差分程序FLAC3D中静力模式下动态松弛方法分析了预应力锚索加固边坡效应,其中,通过对区域应力置零方法的零模型模拟开挖掉的材料.岩质边坡
4、体模拟使用霍克一布朗本构模型,其破坏准则为dl一①+L6(/.)+s].(1)式中,.分别为岩体破坏时最大与最小主应力;.为完整岩石单轴抗压强度;m一m×expE(GsJ一100)/28—14D3;S—exp[(GSI一100)/(9—3D)],其中:GSI为地质强度指标;D为扰动系数.a一0.5+(exp(一GSI/15)一exp(一20/3)),具体数值可以通过RockLab软件计算得到.通过水泥浆加固环的剪切刚度K,粘结强度C,摩擦角仇,外圈周长P和有效应力描述锚索单元的轴向效应,其数值均可以通过拉拔试验和计算获得K一2G/[10×ln(1+2t/D)](2
5、)S一兀(D+2t)rlQB(3)式中:G为水泥浆的剪切模量;t为环带厚度;D为锚索直径;r约为水泥浆单轴抗压强度的一半;Q为水泥浆与岩体粘结程度参数.断裂带及裂隙面采用接触面分析滑移和分离情况,其刚度参数计算如下式k一k一10max{(K+4G/3)/Az…)(4)式中:K为体积模量;G为剪切模量;△为接触面法向方向上连接区域上的最小尺寸.收稿日期:20101卜3O郑筱彦(1979):女,博士生,主要研究领域为边坡工程,岩石力学国家自然科学基金项El(批准号:50874085),广东省科技计划项El(批准号:63l23)资助?276?武汉理工大学(交通科学与工程
6、版)2Ol】年第35卷2计算模型,力学参数及模拟步骤考虑到边坡体内有断层F和裂隙面T交叉形成2个双滑面楔体,边坡构造及锚索布置方案见图l,根据边坡三维设计图在AUTOCAD软件中完成实体剖分并对计算模型划分网格,并利用接口程序以点,单元和组的数据格式保存,实现三维模型网格的导入.数值计算不涉及地震和水对边坡稳定性的影响以及岩体,锚索材料的流变特征,只考虑岩体自重和附加荷载的作用.沿边坡走向典型地段(含双滑面楔体),切取长20m,高65IT/一段作为模拟对象,计算网格如图Z所示.计算中材料力学参数见表I.】)lL234I5'-6.了:r8joI】t1"13l4:15
7、'6''.20'至l223]:5:粕丁:≥"28129"134I35'6'7389.40一,r1,A一(锚杆编号)图l边坡构造及锚索布置方案示意图表1计算模型相关参数图2锚固边坡模型构造图数值模拟过程分3步组成:(1)通过对所有岩体单元赋予重力来实现初始地应力后,模拟边开挖边锚固施工过程,并在坡顶施加建筑荷载;(2)取第一级边坡为研究对象,改变第一排锚索的拉拔力;(3)分别使第一级边坡上部分锚索失效,即去除该部位锚索结构单元.3计算结果分析3.1预应力对岩体应力状态的改善以第一级边坡为研究对象,研究坡面,锚固段内端点和外端点剖面处位移变化情况.由图1可知第一级边坡
8、锚索的长度
