岩质边坡注浆型锚杆锚固作用机理分析

在前文的论述中，笔者提出了两种推导锚杆锚固段表面剪应力表达式的数值求解方法，各有其特点，为了进一步论证其合理性，还需将这两种方法与其它方法对比分析。本章将以沪蓉国道湖北省境内宜昌到恩施路段钟家湾边坡[51]作为工程背景，使用 FLAC3D 软件对该岩质路堑边坡锚杆进行数值模拟分析，随后将相同的参数代入笔者的两种算法及前人所研究的一种方法求解，最后对这 4种方法进行综合对比分析。
第 1 章 绪论

1.1 研究背景及意义

我国是一个陆地面积广大、地质环境特别复杂的国家，在工程建设中经常会涉及到断层风化破碎带、软弱地层等诸多不良地质条件。事实证明，在这些稳定性较差的复杂地质环境中，人工活动或地震、降雨等自然因素都很容易引发边坡崩塌、滑坡以及隧道围岩失稳等地质灾害，给工程建设带来很大的安全隐患。为了减小这些隐患，需要对其采取有效的防治措施，锚固技术便是防治此类地质灾害的重要方法之一。在推出―十三五‖计划以来，随着持续发展的现代化建设，政府对基础建设的投入日益增大，把基础建设的重点逐渐转向中西部地区，准备筹建―八纵八横‖的公路、铁路交通运输网线。就目前的形势来看，基础建设规模将持续扩大，同时环境复杂的山区和丘陵地带会迎来很多高、大、难、新工程的不断进入，届时将会广泛地开发和应用岩土边坡和山体。不过，崇山峻岭、沟谷纵横是我国中西部复杂地形的重要特征，铁路和公路大部分都建设在边坡处、桥梁上以及隧道内，所面临的岩土工程问题复杂多变且层出不穷，有一些位于稳定性差、存在结构面或者软弱夹层的岩土体区域对外界扰动极为敏感，因此非常容易触发山体滑坡、隧道围岩和边坡岩土体的失稳破坏等地质灾害。若是没有设置有效合理的岩土防护加固措施，将会引起重大的人员伤亡问题，并且造成不可挽回的大量经济损失。为了防止上述的各种破坏变形并确保工程的安全性，应在建设过程中对岩土体合理采用加固措施，并对岩土体的加固技术进行全面深入的开发与研究，这就对岩土体的锚固理论和施工技术提出了更高的要求。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 锚固技术的发展概况

在岩土体施工的过程中，往往会伴随着对岩土体的开挖，在土体卸载后其内部应力将会重新分布，这是应力场变化后内力要达到重新平衡必经的过程，其结果就是引发岩土体的变形，或者是由于岩土体内部应力重分布后岩土体单元的应力圆达到破坏线而导致坍塌。工程上产生的地面沉降、岩崩、滑坡等地质灾害均是由于岩土体内力场的不利分布而导致的。为了防止产生上述的诸多不良后果，在岩土工程中人们对岩土锚固技术的应用越来越多，主要是使用锚杆锚固。为了防止土体的变形，人们常采用钢筋或者钢绞线来作为抗拉材料，将其一端固定在岩体表面，另一端锚固在岩层深处，以此来抵抗岩土体的变形，从而达到维持岩土体稳定的目的。人们将这些用来加固岩土体的抗拉杆体称为锚杆。岩土工程中的一个重要分支就是锚杆锚固技术，这项技术在近些年来迅速发展，学者和工程技术人员也越来越对其重视。锚杆锚固技术的最大优点就是能够通过抗拉材料来增强岩土体本身的稳定性。将锚杆锚固技术与传统的衬砌结构比较，它属于一种主动控制措施，能够保证岩土体内部的应力场不受干扰，是一种较为先进的技术手段。

第 2 章 注浆型锚杆锚固岩质边坡作用机制

岩土工程因为岩土体本身性质复杂，同一种岩土体在因为所处地理位置不同沉积方式不同等原因在力学性质上有着相当大的差别而且确定起来也比较困难，而岩土体作为一个整体其内部应力环境是多变的例如同一边坡在不同的天气下其内部应力都是有变化的。在这种情况下研究边坡中锚杆工作性能和作用机制是有较大的难度的。

2.1 锚杆的组成

锚杆是一种主要承受拉力的杆状构造，它常用钢筋或钢绞线来作为抗拉材料，将其一端固定在岩层深部，另一端锚固在岩土体表面，来抵抗岩土体的变形，维持岩土体稳定。其最大特点是能够充分利用岩土体自身强度和自承能力，减轻结构自重，节省工程材料，是高效和经济的加固技术。工程上使用的锚杆一般由锚头、自由段和锚固段三部分组成。锚杆的结构组成一般如图 2-1 所示：

2.2 锚杆的锚固机理

锚杆的抗拔力是指锚杆、注浆体以及岩土体三者紧密结合后抵抗外力的能力，其除了与锚固体和孔壁的粘结力、摩擦角、挤压力有关外，还与地层岩土体的结构、强度、应力状态、含水量以及锚固体的强度、外形、补偿能力和耐腐蚀能力有关。许多资料表明，锚杆孔壁周边的抗剪强度由于地层性质不同，埋深不同以及灌浆方法不同而有很大的变化和差异。对于锚杆抗拔的作用机理可从其受力状态进行分析。对于利用灌浆体与孔壁摩擦力起锚固作用的拉力型锚杆，它是利用锚固体将钢筋锚固在地层内部的钻孔中，中心受拉部分是钢筋，而钢筋所承受的拉力首先通过锚杆周边的锚固体粘结力传递到灌浆体中，然后通过锚固段周边地层的粘结力传递到锚固区的稳定地层中，如图 2-2 所示：

第 4 章 考虑剪切错动的位移协调方法.....................................................................................32

4.1 概述................................................................................................................................32

4.2 锚固段剪切错动机制与受力模式................................................................................32

4.3 锚固体表面剪应力分析推导........................................................................................33

4.4 锚固体应力分布特征....................................................................................................37

第 5 章 综合对比分析.................................................................................................................44

5.1 概述................................................................................................................................44

5.2 岩质边坡注浆型锚杆数值模拟....................................................................................44

5.3 综合对比分析................................................................................................................52

5.4 本章小结........................................................................................................................55

第 5 章 综合对比分析

5.1 概述

在前文的论述中，笔者提出了两种推导锚杆锚固段表面剪应力表达式的数值求解方法，各有其特点，为了进一步论证其合理性，还需将这两种方法与其它方法对比分析。本章将以沪蓉国道湖北省境内宜昌到恩施路段钟家湾边坡[51]作为工程背景，使用 FLAC3D 软件对该岩质路堑边坡锚杆进行数值模拟分析，随后将相同的参数代入笔者的两种算法及前人所研究的一种方法求解，最后对这 4种方法进行综合对比分析。
5.2 岩质边坡注浆型锚杆数值模拟

FLAC3D 有限差分软件已广泛应用于岩土工程问题分析中，该软件能够较合理地模拟岩土材料的塑性破坏和流动状态。因此，本文采用 CAD 绘制平面图，通过 ANSYS 软件建立三维模型并划分网格，利用 FLAC3D 软件进行数值模拟计算。通过数值模拟，得到岩质边坡注浆型锚杆锚固段的剪应力分布。

5.2.1 工程概况

钟家湾边坡处于沪蓉国道干线上宜昌至恩施段的宜昌市长阳县贺家坪镇钟家湾村，该路段地理环境复杂多样，地质环境较为复杂，有各地质年代地层分布且发育完整出露齐全，路段所在地形复杂，高低相差悬殊多为山地。选取宜昌至恩施路段白氏坪~榔坪段K55+260处钟家湾边坡作为工程背景进行分析，该原始边坡坡面平缓自然坡度为 18~22°，如图 5-1 为原自然边坡横断面图。该边坡区域露出层主要是由灰岩、泥灰岩风化碎屑和部分粘土构成，露出层厚度在 2m 至 4m 之间。露出层下为大约 6m 厚的强风化泥岩层，该层岩溶发育，风化强烈。其下为微晶灰岩，有裂隙发育和风化迹象。

第 6 章 结论与展望

6.1 结论

本文针对岩质边坡注浆型锚杆，基于锚杆锚固作用的基本原理，采用 Mindlin位移解和剪应力解，推导得到两种计算锚杆锚固段表面剪应力的方法，并分析了锚固段表面剪应力的分布特征，给出了锚固段长度的确定方法。同时，对岩质边坡注浆型锚杆进行了数值模拟分析，并将数值模拟的结果和理论分析的结果进行对比分析，论证了本文方法的合理性。主要结论如下：

（1）基于 Mindlin 剪应力解，并考虑锚固段前、后端的边界条件，提出了一种非全长粘结型锚杆锚固段表面剪应力的求解方法，即 Mindlin 修正法，可定量反映锚杆轴向拉力 P、锚固体半径 r 和岩体泊松比 μ 对锚固体侧表面剪应力的影响。其中，对剪应力分布影响最大的是锚固体半径 r，锚固体半径 r 的增大会导致剪应力峰值减小，且峰值位置逐渐向远端移动，但还是在离起点位置较近处。

（2）基于 Mindlin 位移解，考虑锚固段前、后端的边界条件，并考虑锚固体与周围岩体存在位移差的情况，提出了一种非全长粘结型锚杆锚固段表面剪应力的求解方法，即 Mindlin 位移协调法。实例分析表明，锚固段表面剪应力的峰值位置在靠近锚固段起点一侧，但与 Mindlin 修正法相比距锚固段起点处较远。

（3）本文提出的简易修正法和剪切错动法所得到的锚固段侧表面剪应力分布模式均为初始值大于 0 的单峰曲线，锚杆轴力分布模式均为锚固段起点处为最大值的单调递减曲线，在锚固段底端处轴力会减小至 0。

（4）在轴向拉力 P、锚固体半径 r、锚固体等效弹性模量 Ea、岩体弹性模量 E 和岩体的泊松比 μ 等众多影响因素中，对锚固段表面剪应力影响最大的也是锚固体半径 r：剪应力的峰值随着锚固体半径 r 的增大而减小。

（5）基于所提出的锚固段侧表面剪应力计算表达式，按照最大剪应力控制法，给出了确定锚固段长度的计算表达式。