基于失稳状态耗能最小原理的预应力锚索加固边坡稳定性上限解析

基于岩土塑性极限分析上限理论的基本原理,考虑预应力锚索的加固效应,分析了单预应力锚索加固措施条件下边坡的稳定性特性,并由此探讨了多预应力锚索共同加固边坡的稳定性能量分析方法。结合强度折减技术,采用内点迭代方法和序列二次规划优化迭代法对锚固边坡安全系数目标函数进行了能量耗散最小化意义上的优化计算。典型算例的分析计算表明：锚索加固效应可以有效地提高边坡的稳定性,预应力锚索设置位置对边坡安全系数、临界滑裂面位置和锚索长度有显著影响。综合考虑锚索设置位置对边坡安全系数和锚索长度的影响,单锚索的最优设置位置应位于边坡中下部区域。采用多排锚索加固既可以保证边坡的安全储备,也可有效避免局部稳定性问题。     

岩质边坡楔形体锚索加固方向角三维优化设计

以岩质边坡中常见的楔形体滑动为研究对象,研究其最优锚固方向角的计算方法。将锚索自由段单位长度能提供的最大抗滑增量作为目标控制变量,将坡面和两组滑动面的特征参数与锚索设计参数作为优化控制自变量,通过坐标系转换建立线性方程组对锚索的预拉力进行分解,得到用于锚固方向角三维优化的新计算方程。在该方程的基础上,借助导数法和Matlab软件中的fmincon函数分别对锚索加固方向与坡面走向垂直的二维优化方式和锚索加固方向不受限制时的三维优化方式下的锚固方向角进行了优化。最后通过算例与工程实例分析相结合,证明了推荐的最优锚固方向角计算方法的有效性与先进性。新方法可进一步提高锚索的锚固效益,减少锚索的总用量,降低边坡的支护费用。     

基于Barton-Bandis准则的锚固边坡稳定性分析

结合岩石节理面非线性Barton-Bandis破坏准则,探讨了将Barton-Bandis破坏准则参数转化为线性Mohr-Coulomb破坏准则抗剪强度参数的两种常用方法,通过实例分析了各方法的优劣。推导了加锚单岩石节理面控制的平面滑动岩体边坡抗滑稳定性安全系数计算式,开展了锚固参数分析。研究表明：相对于采用等效线性拟合法或切线等效法获取Mohr-Coulomb抗剪强度参数而言,直接应用Barton-Bandis破坏准则计算节理面控制的岩石边坡稳定性更为直观和简便;随着结构面基本摩擦角、结构面粗糙度系数和结构面壁面有效抗压强度的增大,边坡安全系数逐步提高,且结构面基本摩擦角和粗糙度系数对边坡安全系数的影响程度更为显著;锚索锚固力越大,边坡抗滑稳定性越好,而锚索设置角度越大,边坡抗滑稳定性越低,锚索角度设置不当将明显减小锚固效应的有效性。     

岩质边坡预应力锚索加固的优化设计方法

预应力锚固是改善岩质边坡稳定性的主要手段,尤其在水利水电工程建设中,通常采用预应力锚索(杆)来加固不稳定的边坡。然而,至今为止,用于确定预应力锚索长度、间距、锚孔直径及单束锚索荷载等参数的设计方法仍然是没有很好解决的问题,所用方法大多过于保守。在分析锚固系统失效模式的基础上,应用优化与决策分析的理论,提出了确定岩锚设计参数的优化方法,并分别对锚固间距、锚固角、锚索荷载及内锚段长度进行了优化分析。实践证明了该方法的经济性及可行性。     

极限平衡理论下边坡强度参数反演及加固稳定性分析

参数反演是获得较为可靠的边坡强度参数的一种有效手段。本文在对边坡临界滑动面进行判别的情况下,以瑞典法为基础,通过建立强度参数之间及其与临界滑动面一一对应的关系推导得边坡强度参数反演的显式计算公式。然后,将反演结果用于锚索加固条件下的边坡稳定性研究。经工程算例分析验证了本文方法的可行性和实用性,并得到如下结论:(1)预应力锚索能对边坡形成有效的加固作用,且锚索在坡面上的位置越靠近滑动面的滑出点时其对边坡的稳定性越有利; (2)锚索的预应力越大则计算得到的安全系数越大,而锚索水平倾角的增大对计算得到的安全系数影响微小。     

基于串联流变模型的锚拉力松弛分析方法

加固坡体的预应力锚索结构存在锚索拉力随时间松弛问题,为了合理预测分析锚索拉力松弛,基于锚索-边坡体系中滑床、锚索、滑体、坡面抑制构件之间的相互作用与锚固系统受力、变形基本机理,建立了一种采用虎克体模拟锚索或坡面抑制构件、开尔文体模拟滑床、开尔文体或广义开尔文体模拟土质或岩质滑体的锚索-滑床-滑体-坡面抑制件的四体串联式流变模型,推导了锚索拉力松弛的计算方程。实例分析表明：所提出模型的锚索拉力松弛计算值与试验或实测结果的误差小于既有模型的计算误差,计算得到的锚索拉力松弛收敛值的最大计算误差约为11%,松弛历时的最大误差约为10%;锚索拉力松弛率随锚索的直径和弹性模量的增大呈线性增大,随锚孔间距、滑床和滑体的滞后弹性模量与黏滞系数（尤其初期阶段）的增大呈非线性减弱,而滑床和滑体的瞬时弹性模量、坡面抑制构件的弹性模量均对锚索松弛效应影响很小。所建立的方法可用于定量评估预测预应力锚索加固坡体的锚拉力松弛效应,进而可用于分析锚固边坡长期稳定性。     

预应力锚索加固高陡边坡机制探讨

预应力锚索加固边坡是提高边坡稳定性的重要手段。弄清预应力锚索加固边坡的机理对于指导边坡加固设计有重要的理论意义。通过建立高陡边坡计算模型,不断提高边坡岩土体强度折减系数,得到了边坡坡脚位移及预应力锚索内力变化规律,并结合预应力锚索加固岩体应力分布规律,得到了有益的结论:(1)边坡岩土体强度折减系数超过边坡安全系数后,预应力锚索内力开始迅速增加,越靠近坡脚的预应力锚索,内力增加越明显,可以监测坡脚处锚索内力变化,评价边坡稳定状态;(2)对于高陡边坡,绝大部分预应力锚索并不能提高潜在滑动面上的压应力,不能提高滑动面的抗剪强度;(3)预应力锚索加固高陡边坡的主要机理在于限制边坡潜在滑动体的位移。     

锚固力作用下的边坡临界滑动场法研究与应用

极限平衡方法计算锚固力作用下边坡稳定性时,通常将锚固力作为集中力处理,得到的滑面正应力和条间力分布曲线极不合理。除此之外,若按常规方法处理锚固力的作用,采用临界滑动场法分析锚固边坡稳定性时,搜索的滑动面会产生突变。为克服以上固有缺点,将半无限体受法向力作用的弹性力学解答近似作为锚固力在边坡体内产生的附加应力等效模型,并在此基础上建立了锚固力作用下的边坡临界滑动场计算方法,且通过算例分析表明了这种集中力近似等效处理方式的合理性,进一步丰富了锚固边坡稳定性分析方法。算例分析与工程应用表明,锚固力的作用会改变边坡临界滑动面位置,该方法能够搜索到锚固力作用下的合理临界滑动面,且滑面正应力和条间力分布曲线也较合理,相应的安全系数也较可靠。同时,该法能够全面评价边坡的整体和局部稳定性,可为实际边坡工程提供欠稳定区域的空间分布情况,使其得到有效的治理。     

三维滑体锚固力计算方法及工程应用

基于恰当的假设,构造了锚固边坡的三维滑面正应力分布,建立了一种三维滑体锚固力计算方法。首先通过类比经典土压力理论和Spencer的条间力假定,提出了条柱间作用力假设模型,并由典型条柱的平衡条件构造了滑面正应力的分布函数(含3个待定参数),再根据整个滑体的4个主要平衡条件,建立了关于3个待定参数及1个锚固力系数的线性方程组,可直接求解出预定安全系数下的锚固力系数。这种新的三维滑体锚固力计算方法的优点是计算过程简单,易于实现;满足4个主要平衡条件,精度较高。该方法已用于乌江银盘重力坝左岸边坡三维滑体的加固设计,取得了令人满意的效果,具有进一步推广应用的价值。     

江坪河水电站进水口顺层岩体边坡支护结构受力特性及稳定性研究

江坪河水电站进水口边坡断层、层间错动以及泥化夹层等软弱结构分布众多,构成了顺坡向的潜在滑动组合体。为确保边坡的安全稳定性,采用了预应力锚索和大截面抗滑桩对边坡进行加固处理。边坡施工过程中,部分预应力锚索轴力监测值出现超过设计吨位的现象。为分析边坡锚索和抗滑桩支护系统的可靠性,采用三维数值分析方法对锚索和抗滑桩等支护结构的受力性态进行了系统研究。三维数值分析结果表明顺层岩体结构边坡中支护结构部件空间受力特性存在较大的差异性:局部预应力锚索轴力长期超限失效可能引起支护系统其它构件内力增加,危及边坡稳定性;抗滑桩的内力分布与岩体层间错动和泥化夹层的空间展布密切相关。受岩体结构面影响,抗滑桩内力分布类似于连续梁受力分布特点。支护结构的空间受力特点表明支护系统设计时应该考虑边坡及支护结构的整体空间效应影响,以保证支护结构自身的安全性。     

预应力锚索加固高陡边坡机制探讨

预应力锚索加固边坡是提高边坡稳定性的重要手段。弄清预应力锚索加固边坡的机制对于指导边坡加固设计具有重要的理论意义。通过建立高陡边坡计算模型,不断提高边坡岩土体强度折减系数,得到了边坡坡脚位移及预应力锚索内力变化规律,并结合预应力锚索加固岩体应力分布规律,得到了有益的结论：（1）边坡岩土体强度折减系数超过边坡安全系数后,预应力锚索内力开始迅速增加,越靠近坡脚的预应力锚索,内力增加越明显,可以监测坡脚处锚索内力变化,评价边坡稳定状态;（2）对于高陡边坡,绝大部分预应力锚索并不能提高潜在滑动面上的压应力,不能提高滑动面的抗剪强度;（3）预应力锚索加固高陡边坡的主要机制在于限制边坡潜在滑动体的位移。     

三维加筋边坡地震稳定性上限分析

基于极限分析上限定理,考虑均匀加筋和三角形加筋两种加筋模式,采用拟静力分析方法推导了一定边坡高度条件下的三维加筋边坡临界加筋强度的计算公式。通过与已有文献结果的对比,验证了所提方法的正确性,并讨论了边坡宽高比、水平和竖向地震力系数对三维边坡稳定性的影响。结果表明:地震力作用下边坡临界加筋强度随边坡宽高比的增大而增加,但其变化速率逐渐减小,当边坡宽高比大于10时,三维边坡加筋强度与二维情况相近;随着水平地震作用的增大,三维边坡临界加筋强度呈非线性增大;随着竖向地震作用的增大,临界加筋强度大致呈线性增加,且随着坡角的增大,竖向地震作用对临界加筋强度的影响更加显著;两种加筋模式下的边坡临界加筋强度值变化规律一致,且三角形加筋模式所需的加筋强度较小,效果较优。最后,针对实际工程提出了一些工程建议。     

边坡加固中预应力锚索失效机制与失效效应研究

预应力锚索已广泛应用于边坡加固工程中,由于其承受高拉应力作用,并长期埋置于潮湿的岩土环境中,在综合因素的作用下存在失效的可能性。结合实体工程中的大量监测数据,对预应力锚固系统长期稳定性的影响因素进行了深入分析,提出了预应力锚固系统的失效机制;为了分析锚索失效效应,确定合理的处理时机,分别进行了现场卸载试验及数值模拟,研究了单锚及群锚失效效应,提出了边坡局部失稳的判据,其结果可为类似工程提供借鉴。     

顺层岩质边坡预应力锚索抗震加固机制研究

将顺层岩质边坡的层面考虑为弱面,将其等效为等间距共线多节理的力学模型。预应力锚索加固边坡的锚固模型等效为平面有限宽度岩体节理问题。并将初始应力和地震荷载引起的附加动应力视为远场作用,锚固边坡的受力问题视为远场作用效果和节理面集中力作用效果的叠加。根据叠加原理计算地震荷载作用下裂纹端部应力强度因子,发现位于裂纹端部的预应力锚索能大幅度降低I型裂纹的应力强度因子。以应力强度因子作为岩体的压剪破坏判据解释顺层岩质边坡预应力锚索的抗震加固机制,能很好地解释汶川地震边坡破坏特点。     

基于GIS的边坡稳定性计算方法研究

结合GIS（地理信息系统）的空间分析能力和滑动面正应力分布假定模型,建立了基于栅格单元的三维边坡极限平衡模型,提出了基于GIS的边坡稳定性计算方法。该方法首先建立了基于栅格柱体单元的三维边坡稳定性分析模型,给出了模型参数在GIS中的空间表达式;其次,在极限平衡条件下,推导出滑体在GIS中的3个力平衡方程式和1个力矩平衡方程式,形成了用于求解三维安全系数的方程组;最后,基于摩尔-库仑强度准则,以及滑动面正应力分布的假定,求解三维安全系数。同时利用COM（组件对象模型）技术开发出一个基于GIS的三维边坡稳定性分析扩展模块,该模块可实现复杂的算法计算以及多种组合荷载下的稳定性计算,并通过算例验证了该模块的正确性和便利性。