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我国是个多山国家,特别是西部和东南部山区,崩塌落石、泥石流、溜坍、塌落和风化剥落等斜坡坡面地质灾害常有发生。长期以来,在斜坡坡面地质灾害防治方面,广大岩土工程技术人员积累了大量经验,建立了以护、顶、锚喷、拦为主,以排水、土石体改良、植被绿化等为辅的工程防治措施,尤以浆砌片石或喷砼护坡、锚固、浆砌片石拦石墙和简易钢结构栅栏等最为常见。然而,由于地质灾害本身的复杂性、随机性、区域差异性和多发性,上述以刚性圬工结构为主的传统技术措施还不足以经济而有效地解决各种复杂的坡面地质灾害问题。SNS(Safety Netting System)系统是以高强度柔性网(钢丝绳网、环形网、高强度钢丝格栅)作为主要构成部分,并以覆盖(主动防护)和拦截(被动防护)两大基本类型来防治各类斜坡坡面崩塌落石、风化剥落等地质灾害和雪崩、岸坡冲刷、爆破飞石、坠物等危害的新型柔性防护结构,它是一种集构件设计与加工、系统配置设计与定型、现场设计选型、现场布置与施工设计的系统化技术。SNS柔性防护系统具有良好力学特性,结构轻便、地形适用性好、施工快速方便,施工干扰小,系统开放不妨碍植被生长等一系列优势,在坡面地质灾害防治中得到了广泛的应用。按其作用机理分可为主动防护系统和被动防护系统。目前,由于柔性结构受力的复杂性,SNS柔性网主动防护系统的理论研究远落后于工程实践,因此有必要对该技术的工作原理做进一步的研究与探讨。
本文在系统总结现有柔性网主动防护系统设计方法的基础上,结合工程实例,通过理论分析、数值模拟计算等方法,对岩质边坡SNS柔性网主动防护系统的作用机理进行了较为全面、深入的研究。主要研究成果如下:
1、阐述了SNS柔性网主动防护系统的基本构成及其主要特点,对其基本防护原理和设计计算原理与方法进行了系统的归纳总结。在前人研究成果的基础上,对锚杆抗剪安全检算计算方法提出了具体可行的局部改进。
2、在对柑子沟Ⅲ危岩体基本工程地质条件分析的基础上,对该处危岩进行了稳定性分析,并完成该工程SNS主动防护系统的设计,总结了SNS主动防护系统在高陡岩质边坡坡面防护中应用的技术思路。
3、利用FLAC软件对GPS2型柔性网主动防护系统的作用机理进行了数值模拟研究,主要结论如下:
(1)GPS2主动防护系统在限制危岩体位移方面有一定作用,但这个作用是有限的,GPS2主动防护条件下,局部稳定性较差的危石仍可能发生数十厘米级别的位移,但是由于钢丝绳网的包裹作用不会发生落石危害,即使边坡发生表层整体破坏,柔性防护系统对边坡表层破坏区的位移发展仍有一定的阻滞和延缓作用。
(2)钢丝绳网的张力以在边坡表面传递为主,在表层整体稳定状态下,有无钢丝绳网对钢丝绳锚杆的轴向应力影响不大。
(3)当发生局部失稳破坏时,表层钢丝绳网的轴向拉力在局部显著增加,并通过向上传递达到“局部受载,整体作用”的效果,即使局部锚杆发生失效破坏,荷载仍可通过表层钢丝绳网向周围锚杆传递,局部破坏带来的荷载由周围尤其是上部的锚杆来共同分担。柔性防护系统局部破坏,整体作用的受力特性,是柔性防护系统一般采用较短钢丝绳锚杆的重要依据。
(4)当发生表层整体失稳破坏的时候,即使边坡破坏深度超过了锚杆的长度,锚杆内部仍有拉力存在,这种拉力有利于增加破坏体的整体性,此时锚杆仍可发挥一定的加固作用。钢丝绳网的荷载自下而上逐渐增大,表层的钢丝绳网轴向荷载以向上传递为主。中下部锚杆首先达到轴向拉伸屈服极限发生拉伸破坏,荷载不断向上传递,项部稳定地层中的锚杆受到表层钢丝绳网传来的荷载发生拉伸破坏,最后整个支护结构失效。
4、利用FLAC软件对GTC-65A型柔性网主动加固系统的作用机理进行了数值模拟研究,主要结论如下:
(1)对GTC型高强度钢丝格栅主动防护系统,是否施加预应力对边坡表面的最大位移有着显著的影响。在一定范围内,边坡表面最大位移随锚杆预应力的增大而逐渐减小。但是受锚垫板和锚杆承载能力的限制,预应力不可能过大。锚杆端点和锚杆间部位的水平和竖向位移均随预应力的增大而逐渐减小;锚杆端点和锚杆间位置的位移差距不大,说明GTC-65A主动加固系统与坡面碎石土有良好的整体性,锚杆间土体亦得到了有效地加固。
(2)在无预应力状态下,锚杆轴向拉力差异较大,荷载存在局部集中情况;在一定范围内,随着预应力的增加,锚杆轴向拉力分布趋于均匀,锚杆最大轴向拉力值减小;当预应力对锚杆轴向拉力的贡献超过被加固土体的荷载时,锚杆轴向拉力随预应力增加而逐渐增加;因此,锚杆预应力应控制在一个合理的范围内,避免过大预应力带来锚固结构承载能力的浪费。
(3)表层钢丝格栅最大轴向拉力的出现位置,随锚杆预应力的增加而逐渐下移,锚杆预应力大小对钢丝格栅的最大轴向拉力无明显影响。