危岩锚固计算方法研究-陈洪凯

第24卷第8期岩石力学与工程学报Vol.24No.82005年4月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringApril，2005收稿日期：2003–06–10；修回日期：2003–07–16基金项目：交通部重点科技基金项目(95060233)；交通部跨世纪人才专项基金(95050508)；高等学校重点实验室访问学者基金；西部交通项目(200332822047)作者简介：陈洪凯(1964–)，男，博士，1991年于兰州大学获地理系自然地理专业硕士学位，现任教授、博士生导师，主要从事公路泥石流及三峡库区危岩方面教学与研究工作。E-mail：[e-mail]，[e-mail]。危岩锚固计算方法研究陈洪凯1，2，唐红梅1，胡明1，李强1(1.重庆交通学院岩土工程研究所，重庆400074；2.重庆大学西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室，重庆400044)摘要：危岩是三峡库区典型的地质灾害类型之一，根据失稳类型将危岩分为坠落式危岩、滑塌式危岩和倾倒式危岩3类，其破坏机理分别属于剪切破坏、压剪破坏和拉剪破坏。支撑、锚固、充填等是治理危岩的常用技术类型，其中锚固技术使用频率最高。作用在危岩体上的荷载主要有自重、裂隙水压力和地震力，其中裂隙水压力包括天然状态和暴雨条件下的裂隙水压力，可构成3种荷载组合。按照坠落式危岩和倾倒式危岩稳定系数不小于1.5、滑塌式危岩稳定系数不小于1.3的治理目标，基于极限平衡理论并遵循每类危岩的破坏机理，建立了每类危岩的锚固计算方法，包括非预应力和预应力锚固2类技术，获得了确定每种锚固技术所需要的最小锚杆数计算式。所提出的计算方法已经在三峡库区数百个危岩体治理中得到成功应用，为重庆市有关地方标准的修订完善奠定了基础。关键词：岩石力学；危岩；锚固技术；计算方法；三峡库区中图分类号：TU457；P642.21文献标识码：A文章编号：1000–6915(2005)08–1321–07RESEARCHONANCHORAGECALCULATIONMETHODFORUNSTABLEROCKCHENHong-kai1，2，TANGHong-mei1，HUMing1，LIQiang1(1.InstituteofGeotechnicalEngineering，ChongqingJiaotongUniversity，Chongqing400074，China；2.KeyLab.fortheExploitationofSouthwesternResourcesandtheEnvironmentalDisasterControlEngineering，MinistryofEducation，ChongqingUniversity，Chongqing400044，China)Abstract：AsoneofthetypicaldisastersintheThreeGorgesreservoirregion，unstablerockcanbeclassifiedasthreetypesinviewsofunstablemode，i.e.，fallunstablerock，slideunstablerockandtoppleunstablerockwithfailuremechanismofshear，compression-shearandtension-shearrespectively.Support，anchorageandfillingetc.areusedextensivelyincontrollingofunstablerockinwhichanchorageisinmostcommonlyused.Loadsonunstablerockmassusuallyincludeweight，fissurewaterpressure，andearthquakeforce，ofwhichfissurewaterpressureexistsinnaturalconditionandrainstormconditionrespectively，andthreeloadcombinationsaremade.Takingstabilitysafetyfactorthatgreaterthan1.5tofallunstableandtoppleunstablerockand1.3toslideunstablerockascontrolobject，theauthorsestablishanchoragecalculationmethodforeverytypeofunstablerockreinforcedwithanchorageandpre-stressedanchoragebasedonequilibriumtheoryandfailuremechanismofeverytypeofunstablerock.，andtheminimumanchorsneededcanbeobtained.TheproposedmethodshavebeensuccessfullyappliedincontrolofhundredsofunstablerocksintheThreeGorgesreservoirregion，whichwillbevaluableinrevisionofthelocalstandardofChongqingcity.Keywords：rockmechanics；unstablerock；anchoragetechnique；calculationmethod；theThreeGorgesreservoirregion•1322•岩石力学与工程学报2005年1概述危岩(unstablerock)是指由多组岩体结构面切割并位于陡坡或陡崖上的不稳定岩体[1]，为三峡库区内主要地质灾害类型之一[2～6]。据不完全统计资料表明，三峡库区仅重庆境内直接威胁居民、交通干线和市政设施的危岩体即有15000余个。库区内，危岩体孕发过程具有渐进性、失稳过程具有突变性、致灾过程具有严重性。如1996年2月7日，太白岩危岩失稳崩落进入万州太白建司预制场，毁损万州丝绸厂车间，死亡1人；2000年7月天生城发生了3次危岩失稳崩落，危岩体直径3.0～6.0m，经历3次弹跳后冲入坡脚的水泥路，撞击路面后弹跳3.2m高后冲入福建小学操场，在操场中央的混凝土面上危岩体一破为三，其中一块弹跳4.5m高后将操场边教学大楼32cm厚的砖墙洞穿后进入楼道，迫使近2000人的福建小学关闭转移。三峡库区内危岩的直接及间接经济损失达数千亿元，因此，有效防治三峡库区危岩意义重大。2001年以来，三峡库区首批地质灾害防治项目启动，至2004年9月底全部竣工。以重庆为例，首批三峡库区地质灾害防治项目从设计到施工、监测均缺乏针对性较强的专门技术规范作指导，重庆市国土资源和房屋管理局于2002年5月颁布的《重庆市三峡库区滑坡及危岩防治工程设计技术规定》初步构建了危岩防治工程设计的技术规定，但是该规定比较粗糙，国土资源部颁布的《滑坡防治工程设计与施工技术规范》(DZ0240–2004)缺乏危岩设计与施工深入的相关内容。迄今，文[2]基本建立了危岩防治技术体系，包括支撑、锚固、充填、清除等，其中锚固技术的使用频率最高。近年来，国内外在锚固技术，尤其是针对边坡、洞室围岩、滑坡等的锚固取得了长足的进展，包括非预应力锚杆及预应力锚杆、预应力锚索。基于边坡破裂角或围岩松动带等运用极限平衡理论基本建立了相应的锚固计算方法，编制了相应的技术规范。但是，现有的锚固计算方法对危岩缺乏针对性，致使目前的危岩锚固计算仅仅停留在概念设计层次，为此，本文主要就危岩锚固计算方法进行分析。本文所建立的危岩锚固计算方法包括非预应力锚固和预应力锚固计算方法2类，前者仅适用于锚杆，后者可同时适用于锚杆及锚索。危岩锚固计算方法具有下述特点：考虑到了危岩失稳的拉剪破坏和压剪破坏机理；对非预应力锚杆考虑其受荷以拉为主；以危岩体稳状态的稳定系数为目标；将危岩体后部的主控结构面进行等效；充分考虑了主控结构面内的水压力。值得指出的是，针对三峡水库重庆库区由重庆市国土房管局组织编写，并由重庆市质量技术监督局颁布的重庆市地方标准《地质灾害防治工程设计规范》(DB50/5029–2004)(本文第一作者单独编撰了危岩部分内容)缺乏危岩锚固计算方法，本文成果为该规范的补充完善提供了参考。2危岩分类及破坏机理迄今，不同学者对危岩的定义及专业术语理解存在较大差异，尤其体现在崩塌[7，8]、落石[9–11]和危岩[1，2，5，6，12～15]方面。事实上，危岩的涵义更为全面，崩塌是危岩失稳的瞬间行为，而落石则是危岩失稳后的体态。目前，按照不同的标准，危岩分类系统多样[1]，但是，从工程防治的角度按照危岩失稳类型进行分类更有价值，可将危岩概化分为坠落式危岩、滑塌式危岩和倾倒式危岩3类[1，2，12](图1～3)。图1坠落式危岩Fig.1Fallunstablerock图2滑塌式危岩Fig.2Slideunstablerock主控结构面危岩体危岩体主控结构面第24卷第8期陈洪凯等.危岩锚固计算方法研究•1323•图3倾倒式危岩Fig.3Toppleunstablerock坠落式危岩的危岩体下部受结构面切割脱离母岩，上部及后部与母岩尚未完全脱离。危岩体底部临空，临空的原因或者是由于危岩体下部软岩的快速风化而成岩腔，或者是由于下部先期危岩体崩落后的渐进发育，属于主控结构面剪切滑移失稳。滑塌式危岩的危岩体后部存在与边坡倾斜一致的贯通或断续贯通的主控结构面，倾角较缓，剪出部位多数出现在陡崖或斜坡，也可能出现在危岩体基座岩土体中，危岩体沿着主控结构面剪切滑移失稳。倾倒式危岩的危岩体后部存在与边坡坡向一致的陡倾角贯通或断续贯通的主控结构面，危岩体底部局部临空，危岩体重心多数情况下出现在基座临空支点外侧，支点为中风化岩层外缘点，危岩体可能围绕支点向临空方向旋转倾倒破坏。坠落式危岩的破坏机理主要体现在主控结构面的剪切破坏方面，滑塌式危岩则是在荷载作用下主控结构面以压剪破坏为主，倾倒式危岩的破坏机理主要表现为主控结构面在荷载作用下的拉剪破坏。3计算荷载及荷载组合作用在危岩体上的荷载类型主要包括危岩体自重和主控结构面充水后产生的裂隙水压力及地震力，其中，裂隙水压力与主控裂隙内的充水度密切相关。大量统计资料表明，当主控结构面与地表贯通且裂隙宽度大于10cm时，便基本不具备储水性，而裂隙宽度小于10cm时，天然状态下充水深度较小而暴雨期间较大。将上述计算荷载进行组合，可得到3种荷载组合类型：组合一：自重+裂隙水压力(天然状态)组合二：自重+裂隙水压力(暴雨)组合三：自重+裂隙水压力(天然状态)+地震力3种荷载组合中，坠落式危岩可不考虑组合二，而倾倒式危岩则可不考虑组合一。4非预应力锚固计算方法迄今，鉴于危岩勘查精度所限，危岩锚固计算方法十分粗糙[7，9]。部分学者基于理论分析探讨了岩体的优化锚固方法[7，9，16，17]，对于勘察资料比较准确的危岩体利用优势锚固方向进行锚杆定位具有较为重要的应用价值。对于主控结构面空间分布不能准确界定的危岩体，沿着陡崖的最大坡度线布设锚杆是可行的，本文据此进行深入分析并力图构建比较完善的危岩非预应力锚固计算方法。4.1坠落式危岩坠落式危岩锚固计算模型见图4。图4坠落式危岩锚固计算模型Fig.4Anchoragecalculationmodelforfallunstablerock锚固的目的在于限制主控结构面的扩展，理论上是由锚杆的抗剪强度提供锚固力，但是由于所采用的锚固为非预应力锚杆，锚杆的实际受荷仍然为承受拉应力。治理后要求每个危岩体的稳定系数K≥1.5。令危岩体单宽所需的锚杆抗拉力为P0，则作用在主控结构面上的法向力和切向力分别为)sin(sincos0βαββ++−=PPWN(1))cos(cossin0βαββ+−+=PPWT(2)式中：W