边坡加固新技术及研究方法展望

边坡加固新技术及研究方法展望

摘要：随着社会和经济的飞速发展，加快公路建设己成为必然要求，压力（分散）型锚杆与挡土墙联合加固结构由于其具有结构受力合理、施工便捷、节约用

地等突出优点而被越来越多的应用于公路大型边坡治理工程中。该联合加固结构

通过在同一高度施加多个锚定板，提供侧向约束，提高锚杆预应力的同时还能提

升挡土墙设计高度，兼具了薄壁式挡土墙与锚定板挡土墙的优点。但作为一种新

型支挡结构，其相关理论研究尚不完善，特别是在挡土墙与墙后土体相互作用机理、结构内部荷载传递以及结构稳定性影响因素等方面，这也限制了该类结构的

进一步发展。

关键词：压力分散型锚杆；数值模拟；离散单元法

前言

伴随着我国“一带一路”战略部署的进一步开展，加快公路建设己成为必然要求，压力分散型锚杆与挡土墙联合加固结构因其具有结构受力合理、施工便捷、

节约用地等优点，在加固公路沿线边坡及治理高边坡路基等方面具有广阔发展前景。但作为一种新型支挡结构，该联合加固结构在相关理论研究方面存在诸多不足。

1 国内外研究现状

1.1挡土墙发展现状

挡土墙是指支承路基填土或山坡土体、防止填土或土体变形失稳的构造物，

在公路、铁路、桥梁、水利等工程建设中均并且广泛应用于在公路、铁路、桥梁、水利等工程建设中。

重力式挡土墙靠自身重力平衡土体，一般型式简单、施工方便，对基础要求

也较高。重力式挡土墙常做成简单的梯形，其依靠自身重力平衡土体，维持结构

在土压力作用下的稳定。这种形式的挡土墙的缺点是圬工量大、对基础要求高，

也因此重力式挡土墙在工程上的应用逐渐减少。

近年来，国内学者从结构方面对新型挡土墙做了许多相关研究[1]。黄晓华等

曾研究将预应力锚索格构梁、挂网喷浆技术等轻型挡土墙用在公路边坡治理和改

造工程中。此外一些学者还相继研究开发出U形挡土墙和倒Y形挡土墙等新型结

构形式[2]，这些类型的挡土墙能够满足不同地质条件下地基对承载力的要求。

伴随着新型结构形式挡土墙的发展，杨广庆、彭云琴、李颖等学者从锚固及

支挡技术等方面出发，对复合类型挡土墙的结构设计与施工工艺等展开研究。未

来较长一段时间内，挡土墙的主流发展方向会主要集中在施工工艺及结构形式等

方面。

1.2压力分散型锚杆理论分析研究现状

在高边坡支护处理工程中，预应力锚杆（索）是一种有效的支护措施，已在

国内外得到广泛应用。预应力锚杆（索）的结构形式多种多样，根据锚杆（索）

内锚固段受力状态的不同，其基本可分为拉力分散型锚杆（索）、压力分散型锚

杆（索）、拉压分散型锚杆（索）、拉力型锚杆（索）及压力型锚杆（索），其

中压力分散型锚杆（索）在高边坡加固领域相较其他类型结构具有显著优势。这

主要体现在：（1）压力分散型锚杆（索）能够改善内锚固段应力分布，消除锚

固段上部拉应力集中导致的渐进性失稳；（2）压力分散型锚杆（索）可充分提

高围岩及接触面的抗剪强度，改善可能存在的软弱夹层的力学性质；（3）压力

分散型锚杆（索）具有更好的防腐性能；（4）压力分散型锚杆（索）能够将一

个集中力转化为数个分散的力，降低了有效锚固段单位面积上的剪应力，缩短了

锚固段长度，降低工程成本。

赵明华等[3]根据能量原理，结合算例分析了压力型锚索在各级荷载下的轴力、位移以及剪应力分布情况，得到了压力型锚索的荷载-位移曲线。作者提出压力型锚索在大部分荷载下都处于弹性工作阶段，一旦进入塑性状态，就表明即将达到

承载力极限。

尤春安等[4]利用弹性力学理论推导了锚索锚固段接触面剪应力及浆体轴向压力，发现二者均服从指数函数分布，且剪应力在承载单元附近出现应力集中，同

时分析了各参数，诸如岩土体弹性模量、锚固体直径等对锚固段受力特性的影响。

曹兴松、周德培等[5]借助二康公路相关工程，采用Winkler假设，研究了破

碎岩体中压力分散型锚杆受力特性，提出了一种设计计算方法，适用于破碎岩体

边坡加固工程，并对该种新型结构的锚固机理、锚固性能等进行了分析。

姚智全等[6]借助半无限体内的Mindlin解，分别建立关于压力分散型锚索和

拉力型锚索的平衡方程，对不同参数条件下两种锚索的应力进行了对比分析，得

到以下结论：（1）当两种锚杆（索）位移大小相同时，压力分散型锚杆（索）

的承载力较大，约为拉力型锚杆（索）承载力的2倍，且压力分散型锚杆（索）

最大剪应力较小；（2）当两种锚杆（索）承受外部荷载大小相同时，拉力型锚

杆（索）的粘结应力和位移较大，约为压力分散型锚杆（索）位移和粘结应力的

2倍。且压力分散型锚杆（索）应力分布较为平均，避免了拉力型锚杆（索）结

构中常出现的应力集中现象，从而可以更加充分的发挥土体的抗剪强度。

综上所述，国内外学者对压力分散型锚杆进行了理论分析，推导了压力分散

型锚杆在受力作用下的应力、应变分布规律。但目前关于压力分散型锚杆应用于

岩土体加固工程的作用机理及相关设计参数的研究仍然较少。

1.3压力分散型锚杆数值模拟研究现状

现阶段对压力分散型锚杆进行现场试验研究，往往受到研究经费不足、工程

地质恶劣等各方面的限制。而数值模拟试验受客观因素影响较小，作为对现场试

验以及室内模型试验的一种方法补充，目前已经得到了广泛的应用。

张四平等通过有限元数值模拟的方法，结合位于软弱岩层中的现场试验，总

结出压力分散型锚杆剪应力的分布规律，同时通过观察位于软弱岩层中的锚杆的

极限承载力变化规律，分析压力分散型锚杆的破坏机理及影响其破坏的外部因素，进而为压力分散型锚杆在工程中的应用提供参考。

2理论基础以及相关技术简介

2.1离散单元法基本理论

离散单元法是自20世纪70年代初开始兴起的一种数值计算方法，该方法的

基本原理是基于牛顿第二定律基础建立起来的。该方法因可模拟离散颗粒组合体

系及离散块体系统，因此适合解决非连续介质的破损、断裂及大变形等问题，在

分析岩土体的应力应变关系方面有着很大优势，在边坡工程方面应用广泛。

离散单元法同有限单元法一样，在进行运算前需将某一区域划分为若干单元[7]。不同的是，在离散单元法中，各单元在力的作用下可以实现相互分离，从而

模拟非连续介质。单元之间的作用力可以根据力与位移的关系求得，某一单元的

运动依据所受的不平衡力及不平衡力矩按牛顿运动定律确定。

2.2数字照相变形量测技术简介

数字照相量测技术可理解为是利用数码相机、CCD摄像机、视频显微仪及其

他照相设备等作为图像采集手段，获得观测目标的数字图像，然后，利用数字图