破碎岩质边坡预应力锚固机制数值模拟研究
预应力锚索加固边坡的FLAC3D数值模拟分析
文献标识码 ： Ｃ
文章编号 ： １ ０ ０ ８— ３ ３ ８ ３ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ３— ０ １ ０ ７— ０ ２
预应力锚索支护技 术是边坡 加固的先进技术之一 ， 在 国 内外工程 中得 到广泛 应用 ， 但其 理 论研 究 还相 对滞 后。因 此， 结合工程实际 ， 利用 Ｆ Ｌ Ａ Ｃ ３ Ｄ软件 ， 对边坡 的锚 固作 用效 果及边坡稳定性状态进行数值模拟分析 ， 对边坡加固工 程具 有重 要 的 现 实 意义 。
为０ ． ２— ０ ． ６ ＭＰ ａ 。
生产 厂 家 提 供 的 出 厂 证 明 取 得 ， 具 体参 数 如 下： Ａ＝ １ ４ ０ ｍ ｍ ， Ｔ ＝ ２ ． ６ ｅ Ｎ ， Ｅ＝ １ ． ９ ５ ｅ “ Ｐ ａ ， 灌 浆体 的参数 经现场 抗拔试验 获得 ， 具体参数为 ｇ ｒ ＿ ｃ ｏ ｈ ＝ １ ０ ｅ ， ｇ ｒ ＿ ｋ＝ ２ ｅ 。 ２ ． ２ ． ３ 边界条件 以及初 始条件的设置 根据 以上建立 的模 型和 实际情 况限制模 型底部任 何方 向的位移 和右侧水平方 向的位移 ， 模型上部 与边坡部位为 自
＝２ ０ ｋ Ｎ ／ ｍ ， Ｃ＝６ ０ ｅ Ｐ ａ， ＝２ ０ 。 ， Ｋ ＝３ ． ５ ７ ｅ ７ Ｐ ａ
，
为保证贵惠高速公路区间各 路段 高边坡 的稳定 ， 坡 比采 用１ ： ０ ． ５～ １ ： １ ， 坡高 １ ０ ｍ一级 ， 采用框架式锚杆 和框架预应
Ｃ＝
２ ． ０ ８ ｅ Ｐ ａ， 锚索钢绞线 的横截 面积 、 抗 拉强度 、 弹 性模 量从
力锚 索联 合支 护 等 处 治 措施 ， 锚杆长 ６ ． ０ ｍ， 锚 索长 ６— ２ ６ ｍ， 间距 ５ ｍ ｘ ４ ｍ。预应力 锚索采用无 粘结 钢绞线 Ａ Ｓ Ｔ － Ｍ Ａ ４ １ ６—８ ７ ａ 标准 ２ ７ ０级 ７ 中１ ５ ． ２ ４ ａ ｒ ｍ。锚 固段长度 ８ ｍ， 钻 孔孔径 ‘ ｐ １ ３ ０ ｍｍ， 锚索孑 Ｌ 内 自孔底 一次性 压满水 泥浆 ， 注浆 压力为 ０ ． ３ ５— ０ ． ６ Ｍ Ｐ ａ 。锚 索 自由段采用 防护油及 塑料 管 隔离 ， 每束锚索设计施加张拉力 ８ ５ ０ ｋ Ｎ 。锚杆材料采用 ２ ５ 水泥砂浆 锚 杆 ， 施 工时 下 倾 与 水 平 夹 角为 ３ ０ 。 ， 允 许 误 差 ±１ 。 ， 锚杆注浆 的水泥浆 强度必 须保证 ９３ ０ ＭＰ ａ ， 注浆压 力
岩质边坡预应力锚杆(索)应力分布规律及工程应用研究的开题报告
岩质边坡预应力锚杆（索）应力分布规律及工程应
用研究的开题报告
摘要：
岩质边坡的稳定性是岩土工程中的一个重要问题，而预应力锚杆（索）作为一种有效的加固措施得到了广泛应用。
本文主要针对岩质边坡预应力锚杆（索）的应力分布规律及其工程应用进行研究。
在文献综述部分，我们首先介绍了国内外相关学者在岩质边坡稳定性和预应力锚杆（索）方面的研究现状和进展。
通过对相关研究的归纳总结，我们得出结论：预应力锚杆（索）作为一种有效的加固措施，其应力分布规律对于岩质边坡的稳定性具有重要影响，因此对其进行深入研究具有重要意义。
接着，我们介绍了本文的研究内容和研究方法，主要包括岩质边坡稳定性分析和预应力锚杆（索）应力分布规律分析。
在稳定性分析中，我们采用了有限元方法，对岩质边坡在不同边坡角度和不同荷载情况下的稳定性进行了分析；在应力分布规律分析中，我们通过数值模拟和理论分析的方法，研究了预应力锚杆（索）在岩体内的应力分布规律。
最后，我们提出了本文的研究意义和研究目标。
本研究旨在通过对预应力锚杆（索）应力分布规律的研究，为岩质边坡稳定性分析和预应力锚杆（索）设计提供理论基础和实践指导，以提高预应力锚杆（索）在岩质边坡加固中的应用效果。
关键词：岩质边坡；预应力锚杆（索）；稳定性；应力分布规律；有限元方法；数值模拟。
岩质边坡破坏机制有限元数值模拟分析
第22卷第12期岩石力学与工程学报22(12)：1943～1952 2003年12月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Dec，2003岩质边坡破坏机制有限元数值模拟分析*郑颖人赵尚毅邓卫东(后勤工程学院土木工程系重庆 400041) (交通部重庆公路科学研究所重庆 400067)摘要岩质边坡的稳定性主要由其结构面控制，采用有限元强度折减法对岩质边坡破坏机制进行了数值模拟分析。
计算表明，破坏“自然地”发生在岩体抗剪强度不能承受其受到的剪切应力的地带。
分析表明，根据塑性力学破坏原理，采用有限元强度折减法有助于对岩质边坡破坏机制的理解。
算例表明了此法的可行性。
关键词岩石力学，岩质边坡破坏机制，有限元强度折减法，数值模拟分类号P 642.22，O 242.21 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2003)12-1943-10 NUMERICAL SIMULATION ON FAILURE MECHANISM OF ROCK SLOPEBY STRENGTH REDUCTION FEMZheng Yingren1，Zhao Shangyi1，Deng Weidong2(1Logistical Engineering University， Chongqing 400041 China)(2Chongqing Highway Science Research Institute， Chongqing 400067 China)Abstract The stability of rock slope is mainly determined by its discontinuity and rock bridge. However，the failure mechanism of discontinuity and rock bridge has not been studied comprehensively. In this paper，the stability analysis of jointed rock slope is carried out by shear strength reduction finite element method. The elastic-perfectly plastic material is adapted in the finite element method. With the strength reduction，the nonlinear FEM model of jointed rock slope reaches instability，and the numerical non-convergence occurs simultaneously. The safety factor is then obtained by strength reduction algorithm. At the same time the critical failure surface and overall failure progress are found automatically. The numerical convergence or non-convergence is related to the yield criterion. Comparison is made of several yield criteria in common use. The Mohr-Coulomb criterion is undoubtedly the best-known criterion. But its yield surface is an irregular hexagonal cone in principal stress space. It brings difficulty to numerical analysis. For convenience the Mohr-Coulomb criterion is replaced by Mohr-Coulomb equivalent area circle yield criterion. Through a series of case studies，it is found that the safety factor obtained by strength reduction FEM with Mohr-Coulomb equivalent area circle criterion is fairly close to the result of traditional limit equilibrium method (Spencer’s method). The result shows that the discontinuity coalescence pattern is influenced by its strength，length，location，and obliquity. The failure occurs 'naturally' through the zone in which the shear strength of rock is insufficient to resist the shear stresses. Through a series of case studies，the applicability of the proposed method is clearly exhibited. This study presents a new approach for stability analysis of jointed rock slope，and it is especially available to the complicated geological condition and supported slope.Key words rock mechanics，failure mechanism of rock slope，strength reduction FEM，numerical simulation2002年12月3日收到初稿，2003年4月23日收到修改稿。
地下洞室预应力锚杆锚固机理及数值模拟分析的开题报告
地下洞室预应力锚杆锚固机理及数值模拟分析的开题报告一、研究背景地下洞室作为地下空间中重要的人工结构，其安全稳定性关系到工程的可持续发展。
预应力锚杆作为地下洞室支护用的主要设备，其贡献不可忽略。
因此，研究预应力锚杆锚固机理及数值模拟，对地下洞室的安全稳定性具有重要意义。
二、研究内容1. 预应力锚杆锚固机理研究：通过对锚杆锚固原理的分析，建立锚固机理模型，探究锚杆锚固过程中的应力变化规律。
2. 数值模拟研究：采用有限元数值模拟方法，研究预应力锚杆锚固后地下洞室的变形和应力分布情况，探究锚杆锚固对地下洞室稳定性的影响。
3. 实验研究：结合现场实际情况，建立预应力锚杆锚固的现场模型，开展相关实验研究，为数值模拟提供数据支持。
三、研究方法1. 文献分析法：通过查阅相关文献资料，掌握预应力锚杆锚固的基本原理、机理和应用情况。
2. 数值模拟法：采用ANSYS等有限元分析软件，建立预应力锚杆锚固的数值模型，进行模拟计算，探究锚固机理，分析锚杆锚固对地下洞室的影响。
3. 现场实验法：根据研究需要，采用实验室模型和现场模型相结合的方式进行实验研究，为数值模拟提供数据依据。
四、研究意义1. 为地下洞室的安全稳定提供理论依据和技术支持，为工程实践提供借鉴。
2. 对预应力锚杆锚固机理进行深入研究，为改进锚固技术提供参考。
3. 通过数值模拟和实验研究，对现有的预应力锚杆锚固技术进行验证和完善，提高地下洞室的安全稳定性。
五、预期效果1. 探究预应力锚杆锚固机理，深入了解其工作原理和应对策略。
2. 建立数值模拟模型，对地下洞室的稳定性问题进行数值计算研究，探讨预应力锚杆锚固对地下洞室的影响。
3. 结合现场实际情况，开展相关实验验证，为数值模拟提供支持。
4. 对现有预应力锚杆锚固技术进行改进完善，提高地下洞室的安全稳定性。
岩质边坡动力失稳机制及数值模拟研究
Ｓ ｉｎ ｅ ＆ Ｔｅ ｈ ｏｏ ｙ ｃｅ ｃ ｃ ｎ ｌｇ ，Ｃｈ ｎ ｓ ａ４ ０ ０ ，Ｃｈｎ ） ａ ｇｈ １０ ４ ｉａ
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓｒ ｃ ：Ｂａ ｅ ｕｍ ｍａ ｉｉ ｎ ｎ ｌ ｚ ｎ ｈｅ ｄ ｎａ ｃ ｕｎ ｔ ｂｌ ｅ ｈ ｎｉｍ ｆｒ ｋ ｓ ｄ ｏｎ ｓ ｒｚｎｇ ａ ｄ ａ ａ ｙ ｉ ｇ ｔ ｙ ｍｉ ｓ ａ ｅ ｍ ｃ ａ ｓ ｏ ｏｃ
第２ ６卷 第 ３ 期 ２ ０ １ 年 ９ ０ 月
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
交
通
科
学
与
工
程
Ｖ Ｏ ． Ｎｏ． １ ２６ ３
Ｊ ｏＵＲＮＡＬ ＯＦ Ｔ ＲＡＮＳ ＯＲＴ Ｓ Ｉ ＣＥ ＡＮＤ ＮＧ１ ＥＲＩ Ｐ Ｃ ＥＮ Ｅ ＮＥ ＮＧ
Ｓｅ ２ ０ ｐ． ０１
文章 编 号 ： ６ ４ ５ ９ ２ １ ） ３ ０ ２ － ０ １ ７ — ９ Ｘ（ ０ ０ ０ － ０ ５ ６
关键词 ： 坡 ； 边 地震 ； 力 失 稳 机 制 ； 值 模 拟 ； Ｌ ” 动 数 Ｆ ＡＣ 中 图 分 类 号 ： １ ．２ Ｕ４ ２ ２ ２ 文 献 标 识 码 ：Ａ
Ｓ ｕ ｙ ｏ ｙ ａ ｉ ｎｓ ａ ｌ ｅ ｈａ ｓ ｎｄ ｔ ｄ ｎ ｄ ｎ ｍ ｃ ｕ ｔ ｂ ｅ ｍ ｃ ｎｉｍ ａ ｎｕ ｅ ｉ ａ ｉ ｕ ａ ｉ ｎ ｆ ｒ ｒ ｃ ｌ ｐ ｍ ｒ ｃ ｌｓｍ ｌ ｔｏ ｏ ｏ ｋ ｓｏ ｅ
ｓｏ ｅ， ｈ ｅ — ｉ ｎ ｉｎ ｌ ｕ ｒｃ ｌ ｄ ｌ ｏ ｏ ｋｓｏ ｅｏ ｘａ — ａ ｊｎｈ ｇ ｗａ ｎＳ — ｌｐ ｔ ｒ ｅｄｍｅ ｓｏ ａ ｍｅ ｉａ ｎ ｍｏ ｅ ｒｒ ｃ ｌｐ ｆＬｉｉｎ Ｘｉｏｉ ｉｈ ｙｉ ｉ ｆ
岩石边坡预应力锚索锚固力的试验研究
月开始施工， ２０ 至 ０７年 ６月底全部锚索张拉完成 ， 历时约 ４ 个月。锚索的施工顺序为 ： 先依次施工高 程 ９６０ ｍ、１．０ ９ １０ ｍ、 ５０ ｍ 排锚索 ， １．０ ９９０ ｍ、３．０ ９ ．０ ４ ４
的安全监测工作 ， 对部分预应力锚索进行 试验研究 ， 重点探讨在张拉 、 锁定及运行过程中锚 固力的变化 规律及 影 响因素 ， 为类 似工程 积累 经验 。
夹具 、 载板 等为柳 州 欧 维 姆机 械 股 份有 限公 司 生 承
利用岩体的 自 身强度 和 自稳能力 ， 调整岩体的应力
状态 ， 从而控制岩体变形 ， 达到加固边坡的 目的。预 应力锚 索具有 强 度 高 、 自重 轻 、 期 短 、 价低 及 施 工 造
工方便 等优点 ， 是一 种 高效 的加 固措施 ， 边坡加 固 在 工 程 中得到 了广泛 的应用 。鉴 于岩 土工程本 身 的复
中图法分类号： Ｕ ５ Ｔ ４５ 文献标 识码： Ｂ 文章编号 ：０ ３—９０ （０ ０ ０ — ０ ６— ４ １０ ８５ ２ １ ） １ ０ ７ ０
察资料分析 ， 认为该边坡不满足稳定要求 ， 存在深层
１ 前
言
滑动 的可能 ， 需要进 行 深层支 护 。 设 计 采用 预 应力 锚 索 作 为深 层支 护措 施 ， 厂 在
产的 Ｏ ＭＩＡ一 ９系列产品， Ｖ ５ １ 千斤顶 、 钢绞线等亦 为该公司生产 。每根锚索体由 ｌ ９束 ｄ５２ １． 高强度 、 低松弛无粘结钢绞线组成。
厂房 后 边 坡 预应 力 锚 索 加 固工 程 于 ２ ０ ０ ７年 ３
杂性 ， 目前使用预应力锚索进行边坡加固的设计方 法、 计算理论还不十分完善 ， 且预应力锚索的加固效 果受施工因素影响较大 ， 存在很大的不确定性 ， 因此 有必要在施工过程中选择一定数量的锚索进行跟踪 测试 ， 以了解边 坡加 固效果 ， 验证设 计 ， 指导施 工 。
预应力锚杆及其作用机理的数值模拟
拱， 并 推 导 了该 加 固拱 厚 度 与 锚杆 长 度 的 近 似 关 系 。最 后 对 预
应力锚杆的多种作用机理进行 详细 总结 ， 可 以得 出， 高预 应力
４ 结 语
２ ） 在低 围压下 ， 围岩的强 度对围压 非常敏感 ， 较 小的 围压
即可使 围岩的强 度有较大 的提升 。尤其是巷道周 边 ， 围岩的径
为锚杆施加 的预 紧力 对于巷道 的支 护起 到的作 用非常 关 键， 本文通过数值模拟软件 Ｆ Ｌ Ａ Ｃ ３ Ｄ数值模拟 了端锚锚杆 预应
具有粗大孔的材料 因其水分不易存 留， 其吸水率 常小于孔
隙率 ； 而那些孔 隙率较 大 ， 且 具有细 小开 口连 通孔 的亲 水性材 料具有较大的吸水能力 。材料内部除了孔 隙的多少 以外 ， 孔隙 的特征状态也是影响其性 质 的重 要 因素之一 。材 料 的孔 特征
生冻融循环 的现象造成破 坏。
技 术研 发
Ｔ Ｅ Ｃ Ｈ Ｎ ０ Ｌ ｏ ＧＹ Ａ Ｎ Ｄ ＭＡ Ｒ Ｋ Ｅ Ｔ
Ｖ ０ 【 ＿ ２ ２， ０ ． ７， ２ ０ｌ ５
径 向围压 ， 使围岩的受力状态恢 复为 三 向应 力状态 ， 从 而提 高
围岩的残余强度 ， 提高了围岩的 自承载能力 。
成 了统一 的锚 固体 ， 具有一定 的承载能力 。
向应力几乎为 ０， 锚 杆群 向围岩施 加 的径 向围压 ， 使 其强度 得
到较大提升 。 ３ ） 锚杆杆体本身具有较强 的抗剪ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ用 ， 锚杆群 与围岩组 成 的锚 固体 ， 具有较大 的抗 剪切强 度 ， 减 小 了围岩切 向应力集 中
边坡预应力锚索加固的数值模拟方法研究
RESEARCH ON METHOD OF NUMERICAL SIMULATION OF PRESTRESSED ANCHOR CABLE IN SLOPE
LI Ning1 2，ZHANG Peng1，YU Chong1
，
(1. Institute of Geotechnical Engineering，Xi′an University of Technology，Xi′an，Shaanxi 710048，China； 2. State Key Laboratory of Frozen Soil Engineering，Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute， Chinese Academy of Sciences，Lanzhou，Gansu 730000，China)
(a) 两点集中力法
3
预应力锚固数值模拟方法的改进
笔者通过近几年对小湾饮水沟堆积体、拉西瓦
2 变形体、大柳树厂房上游边坡、马来西亚巴贡引 水发电系统上下游边坡、锦屏水电站坝肩边坡稳定 性分析中研究探索，先后提出过两种预应力锚固模 拟方法，这两种方法均是在原有两点集中力法的基 础上，致力于解决锚索模拟中刚度贡献问题。 3.1 后续张拉补偿法 该方法对预应力锚索的自由段模拟仍采用集中 力模型，即在锚索自由段两端节点上加一对等值反 向的作用力(或锚头处采用均布力反压)。根据开挖 台阶不断下切，预应力锚索的刚度作用采用应力补 偿方法实现，即后续补偿力通过数值仿真分析出围 岩锚固后在外荷载下的变形，然后再利用这一变形 反算出补偿力增量，在下一次施工中用“附加预应 力”来模拟它。基本假定预应力锚索对围岩刚度影 响忽略不计，则后续开挖后，锚索处的新增变形引 起的锚索预应力增加 ∆F ： ∆d EA0 ∆F = I0 3.2 集中力+杆单元方法——复合杆单元法 该方法为了克服上一方法工作量大的缺点，通 (1) 过锚索张拉阶段自由段锚杆单元不激活，在自由段 两端施加一对反向集中力或坡面锚头施作等值均布 压力；待锚索锁定下台阶开挖变形阶段，再将锚索 单元激活，使锚索刚度发挥作用约束边坡的后续变 形。 该方法借鉴了两点集中力法与只承拉不承压杆 单元法中可取之处，即吸收了两点集中力模拟锚索 应力贡献优势，同时又通过激活杆单元时间控制来 达到只承拉不承压杆单元的锚索刚度贡献的相同功
边坡预应力锚索锚固问题研究
边坡预应力锚索锚固问题研究摘要：预应力锚固技术以其先进性、经济性、可靠性等优点，在边坡加固工程中得到了广泛应用。
但边坡工程的复杂性和预应力锚索结构地下隐蔽工程的特殊性导致了边坡锚固工程失效破坏的事例屡见不鲜。
在介绍边坡预应力锚索结构作用机理、破坏机理、破坏类型的基础上，分析了影响预应力锚索结构锚固效果的主要因素，为锚索结构安全检测评估与边坡稳定性评估研究提供依据。
关键词：边坡预应力锚索破坏方式影响因素引言岩土锚固技术能充分利用岩土体自身的强度和自承能力保持稳定，在减轻结构自重，节约工程材料的同时，确保了施工安全、缩短工期、降低造价。
所以锚固技术可在岩土工程中取得的显著经济效益使其在岩土工程的各个领域得到了非常广泛的应用，边坡预应力锚索结构就是一种常见而有效的应用。
近年来，边坡加固工程中预应力锚索的应用得到了飞速的发展，形式也多种多样，如预应力锚索抗滑桩、预应力锚索钢架桩、预应力锚索地墩、预应力锚索框架梁、预应力锚索地梁等。
20世纪70年代，英国在普莱姆斯的核潜艇综合基地船坞的改建中，广泛采用预应力锚索以抵抗地下水的浮力。
纽约世界贸易中心深基坑（21m）工程中采用6排地连墙和工作荷载3000kN的预应力锚索支档结构取得了成功。
我国1964年首次在安徽眉山水库大坝基础成功的运用设计承载力2400-3200kN的预应力锚索。
1、边坡破坏机理及破坏类型1.1岩质边破坏机理坡及破坏类型岩质边坡变形与破坏的首要条件，在于坡体重存在各种形式的结构面，岩体的结构特征对边坡应力场的影响主要表现为由于岩土体的不均和不连续性，使沿结构面周边出现应力集中或应力阻滞现象。
因此，它构成了岩质边坡变形与破坏的控制性条件。
岩质边坡破坏形式十分复杂，往往是几种简单的破坏形式交织在一起。
从不同的角度进行研究，有不同的分类标准和破坏类型。
如根据实际经验，可分为圆弧破坏、块状破坏、整体岩石与非连续节理破坏、平面破坏、楔形体破坏和倾倒式破坏；根据边坡破坏规模，可以分为单台阶局部边坡破坏、几个台阶大规模楔形体破坏、多台阶风化破碎岩体的破坏；根据块体的几何形状，可分为弯曲倾倒、块状倾倒和块状弯曲倾倒；根据优势面组合破坏形式，可分为岩体松动破坏、倾倒变性破坏、崩塌、楔形体破坏、平面滑动和圆弧形滑动；根据地质基础、变性破坏方式，可分为楔形体滑移破坏、圆弧形破坏、顺层面滑动破坏、溃曲破坏。
预应力锚索锚固效应数值模拟分析
Ｔｅ ｍ ， ｉ ｎｇ ｕ Ｂｕｒ ａ ｅ ｏｇ ｎｄ Ｍ ｉ ｒ ｌＲ ｅ ｏ ｃ ｓ Ｘ ｕｚ ｏｕ， ｉ ｎｇ ｕ ２ ０ ａ Ｊａ ｓ ｅ ｕ ｏｆＧ ｏｌ ｙ ａ ｎｅ ａ ｓ ｕｒ ｅ ， ｈ Ｊ ａ ｓ ２１ ０４， Ｃｈｉ ） ｎａ
第 ｌ Ｏ卷 第 ４期
２１ ０ ０年 １ 月 ２
徐 州 建 筑 职 业 技 术 学 院 学 报
Ｊ ＯｕＲＮＡＩ ＯＦ ＸＵＺＨＯＵ ＮＳ ＴＵＴＥ ＯＦ ＡＲ Ｉ ＴＩ ＣＨＩ ＴＥＣ ＴＵＲＡＩ ＴＥ ＣＨＮＯＬ ＯＧＹ
Ｖ０ Ｊ ０ ｏ ４ ｌ １ Ｎ ．
Ｄｅ．２ １ ｃ ０ ０
预 应 力 锚 索 锚 固 效 应 数 值 模 拟 分 析
郁 浩 侯 圣 权 。 李 忠 宝。 ， ，
（１ 徐 州 市 交 通 规 划 设 计 研 究 院 ， 苏 徐 州 ２ １ ０ ． 江 ２ ０ ０；
２安徽 省 煤炭 科学 研 究 院 ， 徽 合肥 ２０ ０ ； ． 安 ３ ０ １ ３ 江苏 省地 质 矿产 局第 五地 质 大 队 ， 苏 徐 州 ２１ ０ ． 江 ２ ０ ４）
ｄ ｃ ｅ ｓ ｄ ｇ ｎｅ ａ ｌ ｎ ｔ ｇ ｔｖ — ｘｐ ｅ ｉｌｆ ｒ ， ａ ｄ ｔ ｈｅ ｉ ｔ ｅ ｓ ｔ ａ ｆ ｒ ｅ ｎ ｄ ｐ ｈ ｅ ｒ ａ ｅ ｅ ｒ ｌｙ ｉ ｈｅｎｅ ａ ｉ ｅ ｅ ｏｎ ｎｔａ ｏ ｍ ｎ ｈｅ ｓ ａｒｎｇ ｓ ｒ ｓ ｒ ｎｓ ｅ ｒ ｄ ｉ ｅ ｔ
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第25卷 第9期岩石力学与工程学报 V ol.25 No.92006年9月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Sept.，2006收稿日期：2005–05–30；修回日期：2005–07–23 基金项目：国家自然科学基金资助项目(40372118)作者简介：吕 庆(1978–)，男，博士，2001年毕业于浙江大学土木工程专业，主要从事岩土体稳定性方面的研究工作。
E-mail ：lvqing@破碎岩质边坡预应力锚固机制数值模拟研究吕 庆，孙红月，尚岳全，朱晗迓(浙江大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310027)摘要：以金华—丽水—温州高速公路破碎岩质边坡预应力锚固工程为例，对破碎岩质边坡的预应力锚固机制开展系统的数值模拟分析。
首先，依据现场实测预应力锚索张拉吨位与岩体变形的关系曲线，通过数值反分析，确定边坡岩体的力学参数，建立岩体力学计算分析模型。
结合现场监测数据和室内试验研究成果，重点分析锚索预应力的扩散方式，探讨岩体质量、锚索张拉吨位以及外锚固结构对加固坡体应力和变形分布的影响规律，揭示预应力锚索体系的应力传递规律和坡体变形响应规律，从力学机制上揭示预应力锚索加固该类破碎岩质边坡的机制。
关键词：数值模拟；岩质边坡；滑坡加固；预应力锚索；锚固机制中图分类号：O 242 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2006)09–1848–09NUMERICAL SIMULATION STUDY ON PRESTRESSED ANCHORAGEMECHANISM IN A CRUSHED ROCK SLOPELU Qing ，SUN Hongyue ，SHANG Yuequan ，ZHU Hanya(College of Civil Engineering and Architecture ，Zhejiang University ，Hangzhou ，Zhejiang 310027，China )Abstract ：Based on a case of crush rock slope reinforced by prestressed cables in Jinhua —Lishui —Wenzhou Expressway ，the prestressed anchorage mechanism in crush rock slope were systematically analyzed by FEM. First ，according to the in-situ tested relational curves of cable tension forces and rock deformation ，the physico-mechanical properties of rock mass were evaluated using numerical back-analysis method. Then ，an analytic mechanical model was developed. Combined with in-situ tested data and laboratory research result ，the stress dispersion manner of cable ′s prestress was analyzed ；the distributions of slope stress and deformation varied with influence of rock mass properties ，cable tension tonnage as well as different anchorage structures were discussed ；the rule of slope stress and deformation response under prestressed anchorage forces was studied. As a result ，the anchorage mechanism of prestressed cables in crush rock slope was discovered by the way of numerical simulation.Key words ：numerical simulation ；rock slope ；landslide reinforcement ；prestressed cable ；anchorage mechanism1 引 言在预应力锚索加固岩质边坡方面，近年来已开展了大量的研究工作，已有的研究主要集中在锚固机制研究[1～4]、锚索预应力损失研究[5，6]以及锚索框格梁受力分析研究[7～9]等方面，且研究对象多是针对一般的岩质边坡。
对于破碎岩体的锚固机制尚研究的不多。
本文以金华—丽水—温州(以下简称金丽温)高速公路K81边坡预应力锚索加固工程为例，第25卷第9期吕庆等. 破碎岩质边坡预应力锚固机制数值模拟研究 • 1849 •结合现场监测和室内模型试验资料，对破碎岩质高边坡的预应力锚固技术开展系统的数值模拟分析，揭示了预应力锚索对破碎岩质边坡加固作用的方式和效果。
2 数值模拟分析的计算模型研究区选择在浙江省境内的金丽温高速公路K81边坡上[10]，该边坡地处浙南丘陵山区，山体自然坡度为35°～42°，边坡位于公路左侧，公路右侧为山间河流。
该路段为半挖半填路段，边坡最大开挖高度约98 m，边坡区出露的地层为上侏罗统熔结凝灰岩，岩性单一。
受区域性断裂及附近次级断层的共同影响，边坡区岩体的完整性差，属于破碎岩质边坡，破碎岩体厚度最大25 m。
设计采用单独锚墩、锚墩加框格梁等多种形式的预应力锚固结构进行加固。
图1为金丽温高速公路K81边坡预应力锚固结构示意图。
(a) 坡面法向视图(b) 侧视图图1 金丽温高速公路K81边坡预应力锚固结构示意图Fig.1 Prestressed anchorage structure of slope K81 atJinhua—Lishui—Wenzhou Expressway本次研究根据不同的计算目的，分别建立不同规模和网格精度的数值模拟分析的计算模型。
计算模型总的范围为：前缘取公路路堤下的河流中心线为界，后缘以边坡开挖断面向后延伸35 m，底面以路面以下25 m为界，沿公路延伸方向取20 m。
有限元三维计算模型选择八节点六面体或六节点四面体实体单元模拟坡体和混凝土锚墩和框格梁。
通过让锚墩、框格梁底面节点和坡面节点的自由度耦合，保证锚墩、框格梁和边坡坡体的变形协调。
选择二节点杆单元模拟预应力锚索。
杆单元在外锚墩处和外锚墩表面节点自由度耦合，在内锚固段和基岩实体单元节点自由度耦合，并通过初始应变值来模拟预应力张拉。
分析采用ANSYS5.7软件。
图2为群锚数值模拟分析的计算模型。
图2 计算模型Fig.2 Calculation model计算模型涉及破碎岩质滑体、基岩、混凝土框格梁及锚墩、预应力锚索4种材料。
混凝土框格梁及锚墩和预应力锚索材料直接按照相关资料，取用这两种材料的参数；破碎岩质滑体和基岩的物理力学参数根据室内外岩石力学试验、声波探测和依据预应力锚索张拉过程中现场原位测试数据反分析等方法综合确定，具体取值见表1。
图3为825 kN张拉力下现场实测位移和反分析位移的比较。
表1 计算模型的物理力学参数取值Table 1 Physico-mechanical parameters of calculationmodel材料类型变形模量E/MPa 泊松比ν容重γ /(kN·m－3)基岩破碎岩质滑体混凝土框格梁及锚墩预应力锚索5 0006030 000195 0000.230.310.220.3023172578图3 825 kN张拉力下现场实测位移和反分析位移的比较Fig.3 Comparison between tested data and calculated values of frame beam deformation under tension force 825 kN3 预应力锚固作用下坡体响应规律按照表1确定的有限元计算参数，分别计算了几种不同锚固结构在不同预应力吨位下、不同弹性距锚墩中心距离/m• 1850 • 岩石力学与工程学报 2006年模量坡体中产生的压缩变形和附加应力规律。
重点分析了被加固坡体的压缩变形和附加应力在深度和广度两个方向上的分布规律、坡体岩体质量对压缩变形和附加应力分布规律的影响、框格梁结构对预应力锚固力的分担作用以及对压缩变形和附加应力的影响规律。
3.1 单根锚索预应力作用下的坡体响应分析 3.1.1 锚索张拉力作用下坡体应力和变形分布在锚索张拉力作用下，锚索锚墩下坡体中形成一个压应力集中区域，该区域沿坡面走向方向的范围约为4 m(见图4(a))，约为2D i (D i 为锚墩沿坡面在纵向和水平向的特征长度)；沿锚索深度方向的影响范围约为6 m(见图4(b))，约为3D i ；预应力锚索引起的附加应力随坡面深度逐渐减小(见图4(b))。
(a) 沿坡面走向方向(水平向)(b) 沿锚索深度方向图4 不同张拉力作用下坡体附加应力分布Fig.4 Distribution of subsidiary stress under different tensionforces在锚索张拉力作用下，锚墩下坡体的变形响应范围比应力响应范围要大(见图5)。
3.1.2 锚索预应力增加时坡体应力和变形响应沿坡面走向方向，预应力的增加只是增加了锚墩下的附加应力，压应力集中区域的范围基本不变，不会随着预应力的增加而增加(见图4(a))。
因此在大吨位锚索体系中，为了减小锚墩下面地基的附加应力，应加大锚墩的底面面积。
沿坡面走向方向，随着预应力的增加，坡体压缩变形的范围是相应增加的(见图5(a))。
因此，在大吨位锚索体系中，应加大锚索间距，以减少由于张拉造成的锚索预应(a) 沿坡面走向方向(水平向)(b) 沿锚索深度方向图5 不同张拉力下坡体压缩变形分布Fig.5 Distribution of compression deformation under differenttension forces力的损失。
沿锚索深度方向，随着锚索预应力值的增加，坡体的压缩变形和附加应力均相应增加(见图4(b)和5(b))。
3.1.3 坡面上附加应力集中规律坡面上附加应力主要集中在锚墩下面，而坡体中随着深度的增加附加应力在空间上向水平方向和纵向扩散，如图6所示，锚墩附近的坡体中随着深度的增加附加应力呈减少的趋势。