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《西南交通大学》 2003年
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岩石高边坡开挖松驰区及加固支挡结构研究

肖世国  
【摘要】: 本项研究是以京珠高速公路粤境北段岩石高边坡开挖工程作为工程背景的。在介绍了坡体结构概念并提出建立坡体结构方法的基础上,根据对京珠高速公路粤境北段路堑高边坡工程中百余处岩石高边坡的调查总结,选择了其中较为具有代表意义的厚层砂岩、煤系地层、红土地层及残坡积层路堑高边坡共4类岩石高边坡作为研究对象,为对岩石高边坡开挖松弛区的分析打下了坚实的实际地质力学模型基础。在对坡体受开挖卸荷作用而产生的应力场与位移场分析的基础上,分析了坡体的开挖影响范围,提出了描述坡体开挖松弛区的一种定义。阐明在坡体开挖影响范围内,不同的稳定系数对应不同的松弛区。判断一定稳定系数下开挖松弛区的过程实际上也是搜索该稳定系数下开挖坡体潜在滑面的过程。提出均质边坡开挖松弛区可以用弹性理论中的楔形体理论分析,在平面应变问题的基础上得到开挖坡体的三向应力场之后,可运用考虑安全储备后的强度条件(主要为摩尔—库仑或德鲁克—布拉格强度准则和单轴抗拉强度准则)解析坡体分步开挖过程中的松弛区范围,给出了具体的计算步骤,并通过算例较详细地说明了操作过程。同时,提出了确定岩石高边坡开挖松弛区范围的数值分析方法,并通过工程实例较详细地叙述了用应力分析法和位移分析法搜索确定开挖松弛区的过程,给出了所选的4类研究结构相应代表性工点的分析结果。在开挖松弛区理论分析的基础上,讨论了作用于预应力锚索地梁及抗滑桩这两类加固支挡结构上的坡体压力的确定方法。对于桩在滑面以上段所受的坡体荷载,提出可按形心偏下的抛物线型分布模式计算,并在满足力的平衡条件的同时还满足力矩平衡条件;对于地梁上作用的坡体荷载,提出在锚索张拉阶段可按均布或温克尔(Winkler)地基假定或弹性半无限体地基假定来计算,在工作阶段则一般可以近似按库仑主动土压力理论计算。通过地质力学模型试验研究了岩石高边坡开挖松弛区范围以及作用于加固支挡结构上的坡体压力,经过比较,试验结果与与相应的理论分析结果基本吻合,较好地验证了所提出的理论分析方法。提出了预应力锚索地梁(包括单片型和框架型)的内力分析方法,指出地梁内力应该分锚索张拉阶段与工作阶段分别进行计算,取二者的最不利组合来作为地梁设计的依据。对于框架型地梁,计算时宜拆成单片梁的形式分别计算。在张拉阶段,对于单片型地梁,可以采用温克尔假定计算破碎软弱岩体上的地梁内力;有较好弹性性质的地层,可按弹性半无限体地基计算地梁内力;对于框架型地梁,可按温克尔地基模型计算其各单片梁的内力。在工作阶段,单片型和框架型地梁均可按在线分布力作用下倒置于坡面上 的连续梁来计算地梁内力。通过工程实例较详细地说明了单片型和框架型地梁 的计算过程。对于预应力锚索桩结构,着重强调了锚索自由段长度对锚索桩内 力的影响这一较为重要的因素,并用工程实例说明了其影响特点,指出在同一 加固工程中,若锚索自由段长度减小,则锚索拉力增大,桩身内力减小,对于 桩体发挥其承载能力有利。分析了非全长粘结型锚索锚固段的受力特点,提出 了锚索锚固段剪应力沿长度的一种分布模式,得到了锚固段剪应力沿长度分布 为在靠近锚固段顶端有最大值而其两侧则逐渐减小的单峰曲线,提出了一种确 定锚固段长度的比较合理的方法,即以锚固段最大剪应力不超过经过安全储备 后的地层与注浆体间的粘结强度作为控制条件,并以工程实例详细说明了锚固 段长度的计算方法。最后,在说明了岩石高边坡开挖工程中最下一级坡通常采 用的悬臂式抗滑桩结构的一些弊端的基础上,提出在桩前仍可适当地保留部分 岩土体而形成埋入式抗滑桩结构,以改善桩身受力状况。对比分析了埋入式与 悬臂式抗滑桩的优缺点,阐明埋入式抗滑桩应用的经济合理性。以工程实例说 明了埋入式抗滑桩与悬臂式抗滑桩的具体比较情况,实践表明在许多岩石高边 坡开挖工程中埋入式抗滑桩的应用有较好的效果,具有比较好的经济效益。本 文的主要研究成果在京珠高速公路粤境北段岩石高边坡开挖工程中得到了充分 的应用,取得了较好的效果,不仅具有较新的理论意义,而且还具有较佳的社 会经济意义。
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