预应力锚索桩加固滑坡机理及稳定性研究
【摘要】：随着国民经济的飞速发展,铁路、公路、水利的建设速度越来越快,出现越来越多的人工边坡,人们将越来越多地遇到滑坡治理问题。预应力锚索抗滑桩作为一种实用有效的支挡工程措施已在边坡整治工程中得到了广泛地应用,然而其理论研究远远滞后于工程应用。本文以浒家洞滑坡治理工程为背景,从现场试验、理论研究及数值模拟方面上对预应力锚索桩的锚固机理及边坡稳定性分析进行研究,主要研究内容如下:
(1) 对浒家洞滑坡整治工程进行安全监测设计。在施工及运营期间,对该滑坡的深部位移进行了长期的跟踪观测,研究了滑坡体及抗滑桩的变形规律,确定滑动面的位置,并对边坡稳定性进行趋势性分析。监测位移的及时反馈,为该工程信息化施工及安全运营提供了可靠保证。
(2) 根据预应力锚索锚固段应力的现场测试研究,得出软岩地层中锚固段轴力及剪应力分布特征。
(3) 采用灰色关联理论对锚索预应力锁定损失的影响因素进行了关联分析,研究结果表明,张拉荷载对锁定损失影响最大,其次是自由段长度。锚固段长度影响最小。
(4) 根据锚索预应力变化的现场长期监测结果,分析了软岩地层中锚索锁定后预应力的变化过程及其特征,并采用灰色不等时距GM(1,1)模型建立预应力锚索锁定后损失的预测模型。
(5) 建立了浒家洞滑坡开挖的三维数值分析模型,采用显式有限差分法进行了边坡开挖的三维弹塑性数值模拟,研究了边坡开挖引起的位移场、应力场的变化及开挖引起的塑性区,将模拟结果与现场实测结果进行了比较研究。
(6) 建立了预应力锚索桩的三维数值分析模型,考虑了桩、锚索及土体的耦合作用,采用显式有限差分法进行了预应力锚索桩的三维数值模拟,研究了锚索锚固段轴力分布特征及抗滑桩所受的弯矩、剪力及侧压力。
(7) 建立了浒家洞滑坡稳定性分析的三维数值分析模型,基于强度折减系数法,计算出边坡开挖前、开挖后及预应力锚索桩整治后的安全系数。
【关键词】：预应力锚索抗滑桩 滑坡 开挖 稳定性 监测 数值分析 可靠性分析 预应力损失
【学位授予单位】：中南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2005
【分类号】：TU473.1
【DOI】：CNKI:CDMD:1.2006.043285
【目录】：
【学位授予单位】：中南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2005
【分类号】：TU473.1
【DOI】：CNKI:CDMD:1.2006.043285
【目录】：
- 第一章 绪论12-23
- 1.1 引言12
- 1.2 预应力锚索桩的发展及应用现状12-14
- 1.3 预应力锚索桩的研究现状14-18
- 1.3.1 预应力锚索桩的试验研究现状14-16
- 1.3.2 预应力锚索桩的理论分析研究现状16-17
- 1.3.3 预应力锚索桩的数值模拟现状17-18
- 1.4 锚索预应力变化规律的研究现状18-19
- 1.5 边坡稳定性分析的研究现状19-21
- 1.6 本文研究方法和内容21-23
- 1.6.1 本文研究方法21
- 1.6.2 本文研究内容21-23
- 第二章 浒家洞滑坡整治工程及其监测系统简介23-33
- 2.1 工程概况23
- 2.2 工程地质条件23-26
- 2.2.1 地形地貌23
- 2.2.2 地质构造23-24
- 2.2.3 地层岩性24-26
- 2.3 水文地质条件26
- 2.4 岩土体力学参数试验研究26-27
- 2.5 安全监测设计27-31
- 2.5.1 监测项目27-28
- 2.5.2 深部位移监测断面布置28-30
- 2.5.3 预应力锚索锚固段应力测试测点布置30-31
- 2.5.4 锚索预应力变化监测布置31
- 2.6 本章小结31-33
- 第三章 滑坡体安全监测反馈分析33-47
- 3.1 概述33
- 3.2 BF5515型滑动式测斜仪的基本工作原理33-34
- 3.3 数据整理的基本方法34-35
- 3.4 滑动面位置的确定35-38
- 3.5 抗滑桩的变形特性38-39
- 3.6 地质情况判断39-40
- 3.7 地下水位随时间的变化40
- 3.8 施工活动及地下水位变化对滑坡体稳定性的影响40-41
- 3.8.1 地下水位变化对滑坡体稳定性的影响40-41
- 3.8.2 施工活动对滑坡体稳定性的影响41
- 3.9 滑坡体位移特征41-42
- 3.10 位移监测反馈分析42-43
- 3.11 边坡稳定趋势性分析43-45
- 3.11.1 位移速率分析43-44
- 3.11.2 回归分析44-45
- 3.12 本章小结45-47
- 第四章 软岩地层中预应力锚索力学行为现场试验研究47-56
- 4.1 概述47
- 4.2 预应力锚索锚固段应力测试与分析47-51
- 4.2.1 测试原理47-48
- 4.2.2 1860级钢绞线的力学性质试验48-49
- 4.2.3 钢绞线贴片的室内标定49-50
- 4.2.4 锚固段轴力及剪应力的分布特征50-51
- 4.3 锚索预应力变化的监测分析51-55
- 4.3.1 测试原理51
- 4.3.2 荷载位移关系51-52
- 4.3.3 钢弦受力的不均匀性52-53
- 4.3.4 锚索预应力的锁定损失53-54
- 4.3.5 锚索预应力的锁定后损失54-55
- 4.4 本章小结55-56
- 第五章 锚索预应力变化规律研究56-75
- 5.1 概述56
- 5.2 锚索预应力锁定损失的影响因素56-58
- 5.2.1 锚索锁定损失与钢绞线张拉回缩量的关系56-58
- 5.2.2 锚索锁定损失与锚索自由段长度的关系58
- 5.2.3 锚索锁定损失与张拉荷载的关系58
- 5.2.4 锁定损失与张拉工艺的关系58
- 5.3 预应力锚索锁定损失影响因素的灰色关联度分析58-62
- 5.3.1 灰色关联分析的基本原理和方法58-60
- 5.3.2 预应力锚索锁定损失影响因素的灰色关联度分析60-62
- 5.4 锁定后锚索预应力的变化过程及其特征62-63
- 5.5 锚索预应力变化的机理分析63-67
- 5.5.1 钢绞线的松弛对锁定后损失的影响64-66
- 5.5.2 岩土体的蠕变对锁定后损失的影响66-67
- 5.6 影响锚索预应力变化的其它因素67-69
- 5.6.1 降雨入渗对锚索预应力的影响67
- 5.6.2 冲击荷载时锚索预应力的影响67-68
- 5.6.3 锚孔灌浆对锚索预应力的影响68
- 5.6.4 温度变化对锚索预应力的影响68-69
- 5.7 减小预应力损失的措施69-70
- 5.7.1 设计中的控制措施69
- 5.7.2 改进施工工艺69-70
- 5.8 预应力锚索锁定后损失的灰色预测70-74
- 5.8.1 等时距的GM(1，1)模型70-72
- 5.8.2 不等时距的GM(1，1)模型72-73
- 5.8.3 浒家洞滑坡锚索预应力锁定后损失的不等时距GM(1，1)模型73-74
- 5.9 本章小结74-75
- 第六章 边坡开挖的三维弹塑性数值模拟75-96
- 6.1 概述75
- 6.2 边坡开挖的数值模拟方法75-83
- 6.2.1 三维空间离散75-76
- 6.2.2 空间导数的有限差分近似76-77
- 6.2.3 节点的运动方程77-78
- 6.2.4 节点的速度及位移78-79
- 6.2.5 本构方程与屈服准则79-83
- 6.3 浒家洞滑坡开挖的三维数值模拟83-95
- 6.3.1 计算模型及边界条件83-84
- 6.3.2 岩土体物理力学参数及初始应力场84-85
- 5.3.3 模拟方法85
- 6.3.4 边坡开挖变形85-92
- 6.3.5 开挖应力场92-94
- 6.3.6 开挖塑性区94-95
- 6.4 本章小结95-96
- 第七章 预应力锚索桩三维数值模拟及边坡稳定性分析96-120
- 7.1 概述96
- 7.2 预应力锚索的数值模拟96-103
- 7.2.1 锚索的轴向特性96-97
- 7.2.2 界面模拟97-98
- 7.2.3 灌浆体的剪切特性98-99
- 7.2.4 不同岩层中预应力锚索的数值模拟试验99-103
- 7.3 抗滑桩的数值模拟103-105
- 7.3.1 桩土界面耦合模拟103-104
- 7.3.2 切向耦合弹簧的特性104-105
- 7.3.3 法向耦合弹簧的特性105
- 7.4 预应力锚索桩加固边坡的三维数值模拟105-111
- 7.5 边坡稳定性分析的三维数值模拟111-118
- 7.5.1 FLAC3D计算结果规律性研究112-114
- 7.5.2 FLAC3D计算结果与传统极限平衡方法的比较114-116
- 7.5.3 浒家洞滑坡稳定性分析的三维数值模拟116-118
- 7.6 本章小结118-120
- 第八章 边坡可靠性的蒙特卡罗分析120-136
- 8.1 边坡可靠性分析的意义120
- 8.2 边坡可靠性分析方法120-122
- 8.2.1 蒙特卡罗方法120-121
- 8.2.2 统计矩近似法121
- 8.2.3 一次二阶矩法121
- 8.2.4 随机有限元法121-122
- 8.2.5 各种方法评价122
- 8.3 基于蒙特卡罗方法的边坡可靠性分析122-127
- 8.3.1 蒙特卡罗法(Monte Carlo Method)基本原理122-123
- 8.3.2 均匀分布随机数的产生123-124
- 8.3.3 任意分布随机变量的产生124-125
- 8.3.4 多维随机变量的产生125
- 8.3.5 模拟步骤125-127
- 8.3.6 蒙特卡罗模拟的精度127
- 8.3.7 风险评价127
- 8.4 边坡可靠度指标影响因素的规律性研究127-133
- 8.4.1 随机变量变异性分析128
- 8.4.2 计算模型对可靠度指标的影响128-129
- 8.4.3 土性参数的概率分布对可靠度指标的影响129
- 8.4.4 概率密度函数左截尾分布对可靠度指标的影响129-130
- 8.4.5 模拟次数对可靠度指标的影响130-131
- 8.4.6 土性参数的变异性对可靠度指标及破坏概率的影响131-133
- 8.5 浒家洞滑坡的Monte Carlo模拟133-134
- 8.5.1 计算断面及土层的物理力学性质133
- 8.5.2 随机量的生成133-134
- 8.5.3 计算结果及分析134
- 8.6 本章小结134-136
- 第九章 总结与展望136-139
- 9.1 全文总结136-137
- 9.2 本文主要创新点137-138
- 9.3 有待于进一步研究的问题138-139
- 参考文献139-149
- 致谢149-150
- 攻读学位期间的主要研究成果150-151
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