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

李艳梅1孙振磊2郑琪豫3张炜熠4

1.山东正润环境科技有限公司山东济南250101；2．临沂市环境保护局临港经济开发区分局山东临沂276624；3．临沂市环境保护局河东分局山东临沂371300；4．山东省交通科学研究院山东济南250101

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，利用数字图像处理与分析方法，对观测目标进行变形分析或特征识别的一种现代量测新技术。它在材料变形及其破坏演变过程的全程观测与宏、细观力学特性研究方面都具有突出的优越性。此外，数字照相量测是一项通用性很强的现代非接触量测新技术，近年来，在岩土、结构、采矿、桥隧、建筑、机械、林业及医学工程等多学科的实验力学研究领域中发展迅速且应用日渐广泛，同时有着巨大的发展潜力和应用推广空间。

当前该技术按照是否在研究对象的模型上布置标志点而分为标点法和无标点法。标点法是指在观测目标上设置人工标志点或描画网格，位移量测计算既可采用质心法，也可采用图像相关法，该方法适合大变形量测。无标点法是在观测目标上不使用任何人工标志点，而利用目标的自然或人工纹理在图像上形成的数字散斑来进行相关分析，该方法试验操作较简单，利用图像上的像素点作为测点，数量没有限制，可以进行精细变形分析。

3结语

本文总结了前人的研究成果，并且论述了其理论基础、介绍了数字照相变形量测技术。而通过这一系列论述我们能够较为深入的了解压力分散型锚杆与挡土墙的发展现状及两者的加固特点，希望这一认知能够为相关工程研究人员与从业人员带来一定启发。

参考文献：

[1]程良奎.岩土锚固研究与新进展[J].岩石力学与工程学报，2005，24（21）：5-13.

[2]周恒宇.锚杆挡土墙在边坡防护中力学机理的研究[D].西南交通大学，2010.

[3]赵明华，刘思思，黄利雄.基于能量原理的压力型锚杆数值模拟计算[J].岩土工程学报，2011，（4）：529-534.

[4]尤春安.压力分散型锚索锚固段的受力分析[J].岩土工程学报，2004，26（6）：828-831.

[5]曹兴松，周德培.压力分散型锚索在破碎岩体高边坡锚固性能的试验研究[J].西南公路，2005，1：75-86.

[6]姚智全，张雁.可拆芯分散承压型锚杆的受力分析[A].第十一次全国岩土锚固学术研讨会论文集[C]，2002.

[7]张坤勇.考虑应力各向异性土体本构模型及其应用研究[D].河海大学，2004.