順層巖質(zhì)邊坡軟弱結(jié)構(gòu)面加錨索剪切特性研究.pdf

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1、第26卷第1期石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)Vo1．26N。．12013年3月JOURNALOFSHIJIAZHUANGTIEDAOUNIVERSITY(NATURALSCIENCE)Mar．2013順層巖質(zhì)邊坡軟弱結(jié)構(gòu)面加錨索剪切特性研究李阿敏，黃楊程，何兆益，馮彥彥(1．重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶400074；2．重慶交通大學(xué)圖書館，重慶400074)摘要：采用數(shù)值模擬的方法建立三維模型，探討在加預(yù)應(yīng)力錨索情況下軟弱面的剪切特性。通過改變錨索單元的參數(shù)，討論軟弱面變形特性以及剪切強(qiáng)度的變化規(guī)律。研究表明：在加預(yù)應(yīng)力

2、錨索后軟弱面的剪切強(qiáng)度有所提高，并且加預(yù)應(yīng)力錨索主要影響軟弱面的粘聚力，而對(duì)內(nèi)摩擦角的影響不大；當(dāng)錨索傾角增大時(shí)，軟弱面的粘聚力先增大而后減小。預(yù)應(yīng)力錨索長(zhǎng)度增加會(huì)導(dǎo)致軟弱面粘聚力增大，但是存在一臨界錨索長(zhǎng)，當(dāng)預(yù)應(yīng)力錨索長(zhǎng)大于此臨界長(zhǎng)度后，預(yù)應(yīng)力錨索長(zhǎng)對(duì)軟弱面粘聚力的影響逐漸變小。在錨索無預(yù)應(yīng)力情況下，軟弱面的剪切應(yīng)力位移曲線主要呈現(xiàn)出應(yīng)變軟化特性，在錨索有預(yù)應(yīng)力情況下，則呈現(xiàn)出應(yīng)變強(qiáng)化特性。關(guān)鍵詞：錨索單元；軟弱面；數(shù)值模擬；剪切特性；內(nèi)摩擦角；粘聚力；剪切位移；剪切應(yīng)力中圖分類號(hào)：U416．1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：20

3、95—0373(2013)01—0067—050引言軟弱結(jié)構(gòu)面對(duì)順層巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性起控制作用，大多數(shù)順層巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)是因?yàn)檐浫踅Y(jié)構(gòu)面，因此研究順層巖質(zhì)邊坡軟弱結(jié)構(gòu)面的變形特性和剪切強(qiáng)度具有重要意義。國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者用理論分析或室內(nèi)試驗(yàn)方法對(duì)軟弱面的剪切特征進(jìn)行研究，如杜守繼等?研究得出不同變形歷史時(shí)期巖石節(jié)理力學(xué)性質(zhì)的變化趨勢(shì)。周文等對(duì)復(fù)雜節(jié)理面的變形特征和剪切強(qiáng)度進(jìn)行了數(shù)值分析，并提出復(fù)雜的巖石節(jié)理面的峰值。工程應(yīng)用中，由于軟弱結(jié)構(gòu)面使順層邊坡巖體性質(zhì)弱化，通常采用一些措施進(jìn)行加固。其中，預(yù)應(yīng)力錨索是邊坡工程中應(yīng)用廣泛的

4、一種錨固措施；在之前的研究中，軟弱結(jié)構(gòu)面處于自然狀態(tài)的較多，預(yù)應(yīng)力錨索加固下軟弱結(jié)構(gòu)面的變形和力學(xué)效應(yīng)的研究還不多見。結(jié)合昭通-巧家項(xiàng)目區(qū)百崖子順層邊坡，主要采用數(shù)值模擬的方法運(yùn)用FLAC如分析刮錨索單元與軟弱結(jié)構(gòu)面的相互作用，探討了不同錨索單元參數(shù)對(duì)軟弱面變形特性和剪切強(qiáng)度的影響。1工程概況昭通．巧家項(xiàng)目區(qū)合同段K70+780一K70+820段右側(cè)為百崖子順層邊坡，自然坡度為3O。一60。，地形總體形勢(shì)較陡，屬于比較淺層的潛在滑移體。地層為強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、中間夾薄層頁巖和泥巖，屬于軟質(zhì)巖石。節(jié)理裂隙發(fā)育，風(fēng)化破

5、壞比較嚴(yán)重，順層邊坡巖體整體性及邊坡穩(wěn)定性較差。2FLAC3D數(shù)值模擬分析2．1錨索單元的基本特征錨索單元主要由3個(gè)彈簧單元_6構(gòu)成，其中有兩個(gè)提供軸力和剪力的彈簧單元與錨索軸線平行，而另一個(gè)提供橫向抗力的彈簧單元與錨索軸線垂直。這些錨索單元被切割成很多小段，這些小段通過結(jié)構(gòu)單元中的節(jié)點(diǎn)建立連接，通過連接實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與其他結(jié)構(gòu)或與巖體發(fā)生相互作用。而這些小段和節(jié)點(diǎn)的積分就是錨索的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。預(yù)應(yīng)力錨索的橫向抗剪力F與剪切剛度和橫向位移“之間的關(guān)系"如下：收稿日期：2012—10—05作者簡(jiǎn)介：李阿敏女1986年出生碩士研究生基

6、金項(xiàng)目：重慶市科技攻關(guān)項(xiàng)目(2009GG0694)石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)第26卷F=H2．2計(jì)算參數(shù)在數(shù)值計(jì)算過程中，順層巖石邊坡坡面施加法向荷載，采用系統(tǒng)默認(rèn)的收斂原則。邊界條件：邊坡模型的頂面無約束，側(cè)面為法向約束，底面固定。用摩爾庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算。其物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。表1順層邊坡物理力學(xué)參數(shù)表2．3計(jì)算模型該邊坡高50m，傾角45。，以此建立模型如圖1所示，由于FLAC。建模時(shí)比較復(fù)雜引，主要采用AN．SYS建立順層邊坡的三維模型，劃分網(wǎng)格，轉(zhuǎn)化后導(dǎo)入FLAC。。得到邊坡網(wǎng)格單元，然后進(jìn)行計(jì)算。在F

7、LAC。。模擬過程中，利用cable單元模擬錨索單元，以討論軟弱結(jié)構(gòu)面加入錨索情況下的應(yīng)力和應(yīng)變特性。在工程應(yīng)用中，軟弱面傾角通常是多種多樣，為了建模方便，設(shè)置軟弱面的起伏角=13。。為了詳細(xì)地研究錨索傾角對(duì)順層邊坡剪切強(qiáng)度的影響，主要改變預(yù)應(yīng)力錨索傾角，而軟弱面的傾角保持不變。取預(yù)應(yīng)力錨索的長(zhǎng)度L為20m，錨索傾角0分別為10。，25。，4O。，55。，70。和85。。為了研究錨索長(zhǎng)度對(duì)順層邊坡剪切強(qiáng)度的影響，使錨索傾角保持不變。改變預(yù)應(yīng)力錨索的長(zhǎng)度，錨索長(zhǎng)度分別為15m，20m，25rn，30m和35m?？梢缘贸鲈诓煌^

8、索長(zhǎng)度下軟弱面正應(yīng)力與剪切強(qiáng)度之間的關(guān)系。最后探討錨索在有預(yù)應(yīng)力和無預(yù)應(yīng)力兩種情況下剪切位移和剪切應(yīng)力之間的關(guān)系。預(yù)應(yīng)力錨索的力學(xué)機(jī)理見圖2圖1邊坡數(shù)值模型強(qiáng)度)圖2預(yù)應(yīng)力錨索的力學(xué)機(jī)理2．4計(jì)算結(jié)果分析2．4．1錨索傾角對(duì)其剪切強(qiáng)度的影響不同的錨索傾角0下，軟弱面正應(yīng)力與剪切強(qiáng)度的關(guān)系見