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由于地壳的不断运动和发展,岩体介质内呈现显著的不连续性,其体内存在大量的节理、裂隙等不连续界面,这些裂隙的规模虽然不大,没有把岩体切割成块体,但其存在却大大的改变了岩体的力学性质,从而降低了岩体的变形模量等强度参数,并且使岩体呈现出明显的各向异性,裂隙岩体在各类工程中非常普遍的,尤其在边坡工程中,其存在是影响边坡稳定的重要因素。
经过几十年的发展和经验积累,锚杆支护已成为一种非常有效的岩土工程加固手段。锚杆能够把受节理裂隙切割的岩块串在一起,增加岩体的完整性,这对于提高岩体强度、发挥岩体介质本身的自承能力能起到非常显著的效果。
但是锚杆作为一种被动的柔性加固方式,其加固作用的显现是通过被加固对象与锚杆杆体的相对位移来实现的。因此,通过锚杆加固的含节理岩质边坡将不可避免地在岩体节理面出现锚杆应力集中的现象,这是因为锚杆是一种纵向尺寸远大于横向尺寸的材料,其横向抗剪强度远小于纵向抗拉强度;此外,在设计布置锚杆时,对锚杆最大轴力的追求与对被加固的地质复合体的整体抗剪切强度的追求难以兼顾:锚杆的最大轴力要求锚杆尽量垂直于节理面布置,而要想获得边坡整体最大抗剪切强度则要求锚杆尽量平行于节理面布置;最后,由于岩石的蠕变及节理的闭合,将会导致预应力锚杆预应力的衰减。锚杆诸如此类的弊端将不利于边坡的长期稳定,给边坡工程带来较大的安全隐患。
注浆是另一种加固方式,其固结效应主要表现在胶结体对节理弱面改造效应上,一方面,浆液充填节理裂隙形成的“岩桥”和“岩锲”对弱面上下盘之间起粘结和锲阻作用;另一方面,浆液与节理弱面原有的充填物发生一系列复杂的物理化学反应,生成具有强度较高的复合胶结体。
所有的加固措施一样,注浆加固法也有其本身的弱点和相应的适用范围,注浆加固后的注浆胶结体,垂直于节理面的抗压强度很大,平行于节理面的抗剪强度也很大,但是其胶结面的抗拉强度较小。
对锚杆加固的边坡岩体进行注浆处理后,注浆形成的胶结体“缝合”了被节理切割的上下盘岩体,将被加固对象连接成一个整体,增加了边坡岩体的整体稳定性,从而大幅改善了锚杆杆体的受力状态,有利于锚杆的防腐和边坡的长期稳定。
本文在前人取得的研究成果的基础上,总结了边坡体内的应力分布特征;通过理论推导论证了注浆对锚杆单独加固的边坡岩体节理面的受力状态的改善;运用大型数值模拟分析软件 ADINA 建立了边坡开挖模型,并在此基础上建立了三种加固方式下边坡岩体应力与应变分析模型,即有注浆加固的边坡开挖模型、有锚杆加固的边坡开挖模型和注浆和锚杆联合加固的边坡开挖模型。通过对模拟结果的对比分析,得出了的应力和变形的变化规律,对边坡岩体进行注浆加固后,其应力和位移明显降低,且节理面之间的应力和位移变化更加缓和,应力的传递和扩散呈连续和渐变的趋势,无明显的变异,说明节理注浆后,岩体的整体性增强;边坡岩体设置锚杆后,由于锚杆的“销钉”作用,将节理上下盘岩体栓成一个整体,因此,边坡岩体的剪应变也有所减小,但是其减小的幅度比注浆加固减小的幅度值小,这说明锚杆是一种柔性加固方式,锚杆力的建立是由于节理面岩体上下盘之间的相对位移引起的,因此,虽然其加固后的剪切强度提高,但其剪切变形量依然较大。当采用锚杆和注浆联合加固边坡岩体后,其应力和位移值均较小,而且其变化更加缓和,云图更加连续。说明采用此方法获得了良好的加固效果。
另外其通过对比可以看出,采用锚杆和注浆联合加固边坡岩体后,其应力和位移分布云图与注浆加固的基本一致,究其原因是由于锚杆和注浆联合加固形成的地质复合体在达到其峰值强度前,主要体现为注浆体的特性,注浆加固后,边坡岩体的整体稳定性增强,未能有效的在锚杆内建立起轴向拉应力,因此,在边坡加固设计中应针对边坡岩体不同的受力部位,分别采用对应的加固方式:在边坡坡顶采用锚杆加固,从而减小坡顶的水平拉应力,限制坡顶水平拉裂缝的发育和贯通;在边坡岩体的中下部,应采用注浆加固,以削弱坡脚潜在滑动面的剪切应力。