预应力锚索格构梁加固边坡的破坏分析

预应力锚索格构梁加固边坡的破坏分析摘要
摘要:预应力锚索格构梁是一种主动支挡结构，因其占地空间小、安全可靠、结构轻盈、施工方便等优点在边坡加固和滑坡整治工程中得到了广泛的运用。

这种加固措施因锚索受预应力作用，增加可能滑动面上的抗滑力，达到稳定边坡的目的。

同时，因格构梁有更大的整体刚度，且与地表接触面积大的优点，让滑坡面的受力更加均匀，起到很好的表层护坡作用。

因此，预应力锚索格构梁不仅保证了坡体深层的加固，而且可以作为表层护坡。

鉴于预应力锚索格构梁目前在工程中的大量应用，本文对该技术的理论基础以及优化设计方面进行了一些探讨。

本文的研究是基于芒瑞大道工程中的预应力锚索格构梁支护工程，结合理论分析和数值模拟，对该边坡的预应力锚索格构梁支护方案进行了优化设计。

首先查阅相关文献资料，分析了格构梁的作用机理与受力阶段，探讨了四种预应力锚索格构梁的破坏类型，分别为锚头处破坏、锚索破坏、框架破坏和整体破坏。

针对不同的破坏类型，提出其破坏原因及其相应的避免措施。

接着介绍了格构梁的几种内力计算模型及锚索的设计计算方法，选用连续梁法和文克尔弹性地基法分别对格构梁的简化模型进行内力计算，对比分析得出文克尔地基模型计算的弯矩、剪力值均大于连续梁法，其值更接近于实际情况。

文克尔地基模型上任意点的变形只和该点所受荷载有关，而和周围其他荷载作用基本无关，该模型通常在岩层较破碎、强度低且弹性较弱的边坡中运用较多。

根据所选边坡工程的地质工况，运用MIDAS-GTS有限元软件建立边坡土体、预应力锚索和格构梁的三维模型，对边坡在降水与地震作用下时的位移、应力状况进行模拟分析，结果表明其安全系数k值在稳定范围之内，原有设计方案比较合理。

之后用有限元对锚索参数进行优化，得出本文所选岩质边坡，锚索直径取110mm，锚索的锚入角度在22?，预应力值为110kN时，锚索对边坡的加固
效果最理想。

用理正岩土对格构梁的间距及截面尺寸进行优化后表明:格构梁间距
在3.5m、截面尺寸选取0.45m*0.45m时工程的经济效益最高。

最后用有限元对优
化后的预应力锚索格构梁进行模拟，分析在降水与地震共同作用下，边坡的整体稳定性以及岩体的位移。

结果显示通过对相关参数的优化，加固体系的稳定性得到提高。

论文通过以上研究，希望以后对此类边坡工程的预应力锚索格构梁的设计计算提供一定的参考价值。

关键词:预应力锚索格构梁设计参数有限元法优化设
Abstract
Abstract:The pre-stressed anchor of lattice beam is a retaining structure of active，they
have been widely used in slope reinforcement and landslide
remediation projects for their small footprint、safe、reliable、lightweight structure and easy construction。

Due to the
pre-stress on the anchor，the slope can keep stability by increase
the stabilizing force on the sliding surface。

Meanwhile，due to the greater overall stiffness and the advantages of a large area in contact with the surface to the lattice beam，it can play a good role in surface slope。

So that pre-stressed anchor of lattice beam can not only ensure the deep
reinforcement of the slope，but also used as the surface slope。

For the widely use of
pre-stressed anchor of lattice beam，in this paper，the theoretical basis of the technology and optimization of the design aspects are discussed。

The research of this article was based on pre-stressed anchor of lattice beam in the
and optimized the supporting scheme slope by theoretical analysis and Mangrui road，
numerical simulation。

Firstly，accessed to relevant literature，analyzed the mechanism and
force stage of lattice beam，investigated four pre-stressed anchor rope lattice beam damage types，namely anchor head at the destruction，anchor damage，frame damage and overall
damage。

For different types of damage，put forward the reason of destruction and the way of avoid the destruction。

Then introduce several internal force calculation models of lattice
choose continuous beam method beam and the design and calculation methods of anchor，
and Winkler elastic foundation method calculated lattice beam
internal force respectively，
through comparative and analysis the moment and shear values that calculated by Winkler model and continuous beam，the result shows that Winkler’s value is greater and more
close to the actual situation。

Any point deformation on Winkler foundation model is only related to that point by load，and basically has nothing to do with the road around it，this
model is usually used in the rock crushing、low strength and
flexible slope。

According to
the geological conditions of the selected slope engineering，use finite element software
MIDAS-GTS to build a three-dimensional model about soil slope、pre-stressed anchor and
lattice beam，then simulate and analysis the displacement and stress with rainfall and earthquake，the result shows that the safety factor k values in the range of stability，and
original design scheme is reasonable。

After optimizing anchor parameters of rock slope in this paper with finite element，it is concluded that anchor diameter in 100 mm，anchor
angle in 22?，and pre-stressed in 110 kN，the reinforcement effect on the slope is more ideal。

After optimizing the spacing and section size of lattice beam with Lizheng Geotechnical software，it shows that lattice beam spacing in 3.5m、section size in
II
Abstract
0.45m*0.45m，the engineering can receive the highest economic。

Finally，using the finite
element simulate the optimized pre-stressed anchor lattice beam，analysis overall stability
of the slope and the rock displacement on the rainfall and earthquake。

The result shows that
through the optimization of related parameters，the stability of reinforcing system was improved。

Based on the above research，I hope it
can provide certain reference value for the design and calculation of pre-stressed anchor lattice beam on this kind of slope engineering。

Keywords:pre-stressed anchor lattice beam design parameters finite element method optimization design
II
目录
绪论
1绪论
1.1选题的理论依据和适用价值
随着我国西部大开发战略的实施，公路、铁路、水利等相关基础设施迅速发展起来。

然而我国西部地区山多，地质条件复杂，进行边坡开挖时常常会遇到坡体病害问题。

在西南部地区由于其特殊的地形地貌条件、构造条件，强烈的新构造运动和特殊的气候环境，为崩塌、滑坡和泥石流的发生提供了条件。

据有关资料表明，云贵川等省的公路每年由于边坡坍塌和各类病害所造成的社会经济损失近亿元。

例如: 2012年9月7日在云南省昭通市彝良县、贵州省毕节市威宁彝族回族苗族自治县交界发生的5(7级地震，属于“走滑型地震”，是因为断层彼此相对水平滑移断裂而引起的地震，这次地震造成81人遇难，795人受伤，74.4万人受灾，2万多间房屋受损或倒塌，昭通517所学校受损，直接经济损失约37.04亿元，地震引起的山体滑坡使得救援工作效率大大降低。

2013年4月20日四川省雅安市芦山县发生的7.0级地震，震源深度达13公里，震中烈度9.0度，成都、重庆、云南以及陕西多地有较强震感，芦山县位于龙门山断裂带南端，龙门山断层位于青藏高原东缘，并与四川盆地相交，该断裂带长500公里，宽70公里，是我国西南地区的逆冲断层。

此次地震造成龙门乡99%以上的房屋垮塌，196人死亡，21人失踪，11470人受伤。

发生地震后的几天之内，庐山均是阴雨天气，山体滑坡给搜救工作
带来很大的困难。

因此，边坡工程地质灾害的防治已成为我国山区公路建设中，特别是西部山区公路建设中的重大工程地质问题，已引起岩土工程界的高度重视，急待去研究解决。

目前，在边坡工程中主要采取两类措施对坡体进行加固。

第一类是减滑工程，是一种被动加固的措施，该方法通过减轻边坡上方重量并增加边坡下方重量，或在滑坡后部做排水工程，使边坡的下滑力变小，但通常情况下达不到加固防护的效果，已很少被采用;另一类则是抗滑支挡结构措施，如抗滑桩、挡土墙等。

这些防护加固措施由于其见效快、效果明显、安全可靠，已成为当前处理滑坡问题的首选措施。

然而抗滑桩等加固措施因其自重大，对地基要求高，且在坡体发生位移之后才发挥作用的缺点而在使用时受到一定的限制，随着工程建设的不断发展，诸如在山区道路、铁路的路堑开挖，矿山的开挖等，像这类高度在几十米的人工高陡边坡不断出现，先前的被动抗滑措施由于不经济、工程量大、支护高度有限等缺点已不能适应高陡边坡的需要。

预应力锚索格构梁有别于其他加固措施的主要特性是，它是一种主动抗滑结
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绪论
构，同时因为它既能提高岩土自身强度，也能增加坡体的自稳能力而在边坡加固与滑坡治理中得到广泛运用。

首先，格构梁将锚索受到的预应力传到坡面上，在坡面产生的正压力和切向抗力，使可能滑动面上的抗滑力增加，从而提供边坡稳定性。

其次，预应力锚索格构梁因与地表接触面积大、整体刚度大的优点，让滑坡面的受力更加均匀，起到很好的表层护坡作用。

再在格构梁之间的土中种植草皮，这样既起到绿化环保的作用，又能抑制因雨水等因素导致的坡体岩石的风化、剥落及滑塌等破坏。

实践证明这种新型边坡支挡加固结构，由于其造价低廉、美化环境、、安全可靠、结构轻盈、施工方便等优点已开始被广泛应用。

因此本文从运用
实际出发，结合云南地区地震作用，利用理论分析、数值模拟等方法，对现有边坡稳定性进行了分析探讨，并提出边坡在地震作用下的优化方案。

1.2国内、外研究现状与发展趋势
1.2.1预应力锚索格构梁应用现状
日本最先使用现浇钢筋混凝土格构技术加固边坡，在20世纪90年代出现了
[18]P.C(Prestressing Concrete)格构锚固工法和Q&S(Quick & Strong)格构梁工法。

然而因为我国的机械化、工厂化水平低，交通运输不发达，以及开挖坡面的坡度较高并凹凸不平等因素，这两种方法在我国都没有得到推广应用。

近十年来，我国专家学者结合本国的实际情况，将预应力锚索格构梁技术相继应用于铁路、公路边坡，水利堤坝的加固等方面，并达到了良好的加固效果。

自20世纪90年代开始大量应用预应力锚索构梁这种结构。

最先取得成功的典范是1994年铁道科学研究院对深圳市罗(芳村)沙(头角)公路西岭山路堑边坡、深圳市罗芳山庄边坡、黄贝岭坡体滑坡的加固。

在这之后，他们又将预应力锚索格构梁结构运用于蛇口月亮湾别墅等边坡加固和滑坡治理中。

2000年，铁道科学研究院又将格构技术成功的用于京珠高速公路的高陡边坡加固中，京珠高速公路粤境南段K155左侧边坡总高度达40余米，主要岩土层为强风化呈砂土状的泥岩夹粉砂岩，原方案在一级平台设一排桩长20多米、臂10米的抗滑桩，由于原方案对边坡的扰动大、工期长以及造价高的原因，后将一排抗滑桩改为五排预应力锚索格构梁结构，这样不但缩短了工期而且降低了工程造价。

1.2.2预应力锚索格构梁研究现状
近年来，预应力锚索格构梁虽然得到广泛的使用，但是其受力作用机理及设
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绪论
计计算方法还不完善，理论研究远远跟不上实践运用，其设计一般采取经验法或工程类比法，具体工程下梁、土体、锚索、注浆体等之间的相互作用关系还需探索。

现阶段锚索格构梁的设计一般是先判断出原始边坡的滑动面，再根据抗滑力与下滑力之间的关系来加固边坡。

[33][30]杨明、许英姿等人提出对于格构梁的内力计算可采用Winkler弹性地基模型，将格构梁视为弹性，在格构梁节点处按受多个集中力作用来计算。

许英姿等人在有限长梁计算的基础之上，推导出简化的格构梁内力表达式，结合实验数,据得出弹性特征、格构梁的间距以及梁端悬臂长度等因素对格构梁内力计算的
[30][21][29]影响，指出格构梁设计时的初步设计步骤和方法，并将所得结论成功的
[21][1]运用于三峡工程库区巴东县太叽头的滑坡治理。

曹兴松针对软弱岩体，提出了预应力锚索格构梁内力计算的的改进方法。

通过比较预应力锚索锚固角度和格
[4]构梁等相关参数对边坡的影响，方立刚提出层理的方向性对支护结构影响的规
[22]律。

田亚护用差分法推导了锚索框架的内力计算公式,并运用静力平衡和变形
[34]协调条件对锚索力进行分配。

杨涛等提出了当锚索提供最大抗滑力时，如何合
[40]理确定锚索的锚固角。

周勇利用网格法对动态求解最危险滑移面的圆心坐标，采用 Matlab编制了预应力锚索格构梁支护边坡的稳定性分析程序。

[32]西南交通大学的杨明、胡厚田等人依托福建漳龙高速公路和溪段的边坡工程进行现场试验研究，推导出文克尔假定的格构梁内力计算模式，并利用数值模拟分析得出预应力锚索格构梁结构加固边坡的有效性。

西南交通大学的夏雄、周
[26]德培等人借助京珠高速公路的边坡工程，通过现场试验、监测，指出对于岩质边坡上格构梁的内力计算而言，应分锚索张拉阶段和工作阶段:张拉阶段纵梁的内力计算需按Winkler弹性地基模型，横梁内力则按连续梁法来求解;工作阶段纵梁内力计算优先考虑Winkler地基模型，不然就按连续梁法，对于横梁内力则
[13]同张拉阶段一样采用连续梁法。

浙江大学的尚岳全、陆锡铭等人基于金丽温高速公路高边坡加固工程，通过现场监测，得出预应力作用过程中锚索体、锚墩的变形，格构梁的应力、应变及边坡位移的数据，并利用数值模拟方法，得出锚索在张拉条件下格构梁的应力分布规律，提出了锚索张拉影响半径估算公式和格构梁截面高度的设计建议值，对格构梁的设计提供了重要的参考价值。

深圳高速公
[9]路的林国辉等人通过室内模型试验，分析了边坡坡率、锚固力等因素对格构梁
[3]的影响，对格构梁设计参数的取值具有重要的指导意义。

陈志勇，李志刚基于石太高速公路一处边坡工程，利用有限元模拟分析，得出边坡支护前后的应力、位移变化，结合现场实测数据，证明了预应力锚索格构梁防护边坡的实用价值。

[10]西南交通大学的刘小丽、周德培等人结合川藏公路前龙段滑坡进行了大型室内
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绪论
模型试验。

根据实测所得数据，提出格构梁的有限元力学计算模型及极限状态概念。

1.2.3动荷载作用下预应力锚索的研究现状
地震对边坡稳定性的影响主要分为以下两方面:一方面是余震在边坡内部引起的附加应力持续时间长，加速边坡的变形最终导致滑坡的形成;另一方面则是砂土触变液化、疏松岩石变密实以及粘性土变松散等岩体结构和强度的变化。

工程实践中，通常将附加应力的作用分为附加静力和水平地震加速度指向坡内，且地震时的边坡安全系数K值由震动时的强度来确定。

、[19][17]石玉成、秋仁东等依托甘肃安西榆林石窟的三个工程，利用动力有限元模拟出地震作用时的岩体的位移、应力变化，结合当地地震荷载的频谱特性，、[35][24]指出地震荷载的特征周期对围岩加固的动力影响效应。

王余庆等人通过对云南丽江地震后边坡的危害指数的分析研究，综合考虑岩体性质、坡脚、地震活动等因素对边坡稳定性的影响，并得出最大震中距与震级之间的关系，为指导以
[23]后的工程实践提供很大的帮助。

王浩、陈峰等人从动荷载类型和锚固系统动力响应特征的角度出发，研究锚索的内锚固段、自由段、注浆材料以及锚筋材料对锚固效果的影响，并对锚索的抗震设计提出以下建议:?动荷载作用下，在硬岩地层中锚固段设计为拉力型，在软岩中设计为压力分散型或拉压复合型，在土体中则是扩大头压力型;?锚索的预应力设计时应考虑荷载增量，对于分散型锚索应适当降低锁定拉力值;?锚索自由段应设计为全粘结型或多级反锚装置，以提高锚固系统的抵抗动荷载的能力。

发生地震时的冲击力，使得锚索受力机具增大，远超过锚索的设计荷载以及极限荷载，导致锚索的拉断破坏。

虽然锚索的自由段能发生较大的弹性变形，但是注浆材料通常是脆性材料，极易发生开裂破坏，不能很好的抵抗地震荷载的作用。

1.2.4边坡稳定性研究现状
在滑坡治理过程中，边坡的稳定性分析是核心内容。

边坡稳定性的分析一般按照实际边坡的选取、力学模型的建立、数学模型的建立、计算方法的选择以及最后的结论这样的步骤进行的，其中分析方法又是边坡稳定性研究的核心内容，目前对于边坡的稳定性分析方法主要有三类，分别是定性分析、定量分析以及不确定分析。

[31](1)定性分析包括图解法、地质分析法以及工程类比法等。

图解法能较
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绪论
直观的表示出边坡的主次结构面，便于人们快速找出所要结果;地质分析法多用于天然斜坡;工程类比法则是结合已有边坡对岩土层进行稳定性分析。

(2)定量分析又分为极限平衡法和数值分析法。

极限平衡法工程实践中应用最广泛、最经典的分析方法，首先将滑动趋势范围内的岩土体划分为一个个规则的小土条，再运用土条之间的平衡条件建立这个坡体的平衡，最后通过下滑力与抗力之间的大小关系来评定边坡的稳定性。

但该方法也有不足之处，如危险滑动面难以确定、计算模型过于简单。

最典型的有
[43] [41][45][15]Fellenius 的瑞典条分法、Bishop法、 Janbu法等;我国专家潘家铮经多年潜心研究得出边坡稳定性的最大值和最小值原理，并指出当边坡发生滑移
[20]时，其滑动面上的抗滑力最小;1984年孙君实在潘家铮的最大值和最小值原
[42]理基础上发展了极限分析法;1997年陈祖煜等人利用虚功原理得出了土条斜分条的极限分析方法。

数值分析法包括有限元法、边界元法、快速拉格朗日法、离散元法、界面元法、DDA方法、流形元法等，有限元法因其可分析各种形状几何体，既可以分
[16]析线性体也可以分析非线性体等优点而被广泛运用。

邱祥波等基于对黄河小浪底水利工程，利用西原流变模型编写有限元程序，对边坡工程的稳定性进行分析。

[2]常春等提出离散元计算和神经网络预测相结合的分析模型，用离散元法分析岩体应力与开采深度的关系，将所得结果预测评定其他开采深度的岩体应力。

聂守[14]智结合具体工程实例，利用ANSYS数值法对有限元强度折减法三种失稳判据进行分析，并且将所得数据与极限平衡法的结果进行对比，结果表明强度折减法是可行的。

目前在分析边坡稳定性时通常使用有限元法，而基于有限元的强度折减法是运用最广泛的。

(3)不确定分析法是运用概率论与数理统计的方法来分析边坡稳定性，也可称之为随机分析法，首先要调查现场样本，再统计样本的概率分布与特征参数，最后选择某一可靠性分析方法来求解坡体的可靠度，该分析方法将边坡的岩层性状(弹性模量E、泊松比v)、坡体几何尺寸(边坡边界尺寸)以及边坡所受外界荷载(地震、爆破、渗流场)等因素作为调查样本，通常因数据采集的困难而受
[25]限。

武清玺,王德信等以随机块体理论为基础，将结构面参数和荷载视为随机变量，建立了拱坝坝肩的三维分析模型，得出了坝肩的可靠度基本公式。

张智洪[39]等结合已有土坡工程，建立了可靠度分析模型，通过分析得出JC法在分析土质边坡稳定性时的可靠性和高精度，但是文中未将滑移边界、结构面产状视为随
[28]机变量。

徐建平等利用摄动随机有限元法研究了顺层岩质边坡的可靠性，解决了蒙特卡洛法计算量大的缺点，相应的计算精度便会降低，岩体材料强度的可靠性分析对于边坡可靠性分析是很重要的。

不确定分析法分析边坡稳定性时的随机
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绪论
因素太多，要想突破目前仅处于研究阶段的现状还有很多工作要做。

虽然边坡稳定性分析的方法已经得到广泛研究，但是对于解决一些具体工程实例时还存在欠缺，其理论模型的建立、计算参数的取值、本构关系的建立以及仿真方法的选用等方面的研究还有很大的提升空间。

1.3存在的问题
综合近年来关于预锚格构体系的研究成果，发现其研究思路基本上是把预锚格构体系拆分为预应力锚杆(索)和格构梁单独进行研究，它破坏了预锚格构体系的完整性，缺乏对预锚格构体系的整体性分析。

大量工程实践表明:预锚格构体系与滑(边)坡体是相互协调的，它们构成一个相互作用的完整系统。

若孤立开来进行分析，所得结果势必具有一定的局限性。

而且对于预锚格构体系进行整体的数值仿真研究也鲜有报道。

现有对预应力锚索格构梁的研究很多都忽略了降水、地震等外界因素的作用，加固后的边坡因不能抵抗外界荷载的作用往往发生失稳破坏。

1.4本课题研究内容及技术路线
本文先对边坡加固的机理和预应力锚索格构梁破坏类型进行分析，再研究了锚索与格构梁的相应设计参数的影响性，最后运用有限元软件对芒瑞大道
K6+640~K6+800段边坡加固后稳定性和地震作用下的稳定性分析，对地震作用下的预应力锚索格构梁的一些参数进行优化，以达到增加整个边坡系统稳定性的目的，主要内容如下:
(1)分析预应力锚索格构梁的作用机理及其破坏类型。

(2)分析预应力锚索格构梁加固边坡时锚索的设计参数对边坡加固的影响，以及格构梁分析时的地基模型。

(3)对某边坡的原设计方案进行分析。

(4)运用有限元分析软件MIDAS-GTS建立预应力锚索格构梁加固边坡的二维模型，对边坡稳定性进行分析。

对地震作用时的边坡稳定性进行数值模拟，提出相关的设计建议。

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预应力锚索格构梁的作用机理及其破坏类型
2.预应力锚索格构梁的作用机理及其破坏类型
预应力锚索格构梁是一种新型的支挡结构，现已在铁路、公路、水利等领域得到广泛应用。

它将锚索与格构梁这两个独立的构件组合后，使锚索、格构梁以及岩体之间相互作用形成一体，可降低滑坡的下滑力，最终达到加固边坡的目的。

根据边坡所处地形条件，格构梁可设为单级和多级，锚索的设置则与格构梁垂直，且多采用4至9股股钢绞线的形式。

2.1预应力锚索格构梁的加固机理
预应力锚索格构梁加固边坡技术是在预应力锚索加固边坡的基础之上发展起来的，其中锚索的一端置于稳定岩体深处，另一端固定在抑制构件上，格构梁相当于外锚头连接着锚索与岩层，这样不仅起到分散节点处高应力状态的作用，而且还能将被压缩土体调整为三向受压应力状态。

在运营过程中，格构梁能加强各锚索间的相互作用，保证锚索在抗滑中受力均匀性、连续性及整体性。

格构梁间的防护可根据具体情况采用浆砌片石、喷锚或者植被防护等措施。

预应力锚索格构梁加固边坡是对锚索锚固体系的扩展与提升，都采用锚索强大的预应力对边坡起到预加固的原理，边坡在预应力的作用下，其物理力学特性得到充分调动和利用。

首先高压灌浆技术将锚固段置于稳定岩层中，通过锚头将预应力传递给锚索自由段，再由锚索周围注浆体的握裹力传至水泥砂浆层中，接着锚固体周围岩体的摩擦力开始发挥作用，将所施加的预应力传递到稳定岩层中，最终使边坡产生的抗滑力足以抵抗周围土体的土压力、水压力，随着滑动面上垂直方向压力的增加，滑动面上的摩擦力也相应的增加，同时这个滑动体的下滑力跟着下降。

另外，格构梁承受并传递锚固力，与锚索共同作用，使整个锚固系统形成一个由表及里的加固体系。

通过对预应力锚索格构梁加固边坡的作用机理的分析可以看出，该。