預(yù)應(yīng)力錨索與混凝土框架梁復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的邊坡加固

預(yù)應(yīng)力錨索與混凝土框架梁復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的邊坡加固

1抗滑樁加固坡體預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)是近年來在加強(qiáng)邊坡上應(yīng)用的一種復(fù)合結(jié)構(gòu)。該涂層的柔性支護(hù)裝置與結(jié)構(gòu)梁的組合在實(shí)際設(shè)計(jì)中得到了良好的保護(hù)效果。在公路、鐵路和水利邊坡加固工程中，為了阻止巖土體隨潛在滑移面滑動(dòng)，多采用預(yù)應(yīng)力錨索加固坡體，預(yù)應(yīng)力錨索通過潛在滑動(dòng)體，深入基層巖體，主動(dòng)利用基層巖體來加固坡體，防止土體下滑。而表層巖土體的加固和水土保持，則主要依靠框架梁淺表護(hù)坡，框架梁不僅可以遏制滑動(dòng)體的下滑，在框架梁的框格中還可以進(jìn)行植被護(hù)坡，保持水土，提高工程的綠化率，恢復(fù)原來的生態(tài)環(huán)境。綜合考慮錨索和框架梁的邊坡加固效果，將預(yù)應(yīng)力錨索和混凝土框架梁共同應(yīng)用于邊坡工程中，既可利用錨索的深層錨固作用錨固坡體，又可利用框架梁的表層錨固進(jìn)行植被護(hù)坡，美觀大方，適用于整體穩(wěn)定性差、表層坡面需防護(hù)的高陡邊坡的整治。2預(yù)應(yīng)力錨索框架梁的確定在如圖1所示的預(yù)應(yīng)力錨索與框架梁的復(fù)合結(jié)構(gòu)中，框架梁除表層固坡作用外，還有傳力作用。單獨(dú)使用預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行邊坡加固，錨索拉力過大會(huì)引起表層坡體的變形，甚至破壞，而坡體過大的變形又會(huì)導(dǎo)致錨索預(yù)應(yīng)力的損失。將預(yù)應(yīng)力錨索與框架梁結(jié)合，框架梁起到錨墩的作用，由于框架梁與坡面的有效接觸面積大，坡體在錨索作用下的變形得到限制。因此，預(yù)應(yīng)力錨索框架梁的內(nèi)力計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮錨索對框架梁的影響。預(yù)應(yīng)力錨索框架梁上的錨索在邊坡支護(hù)過程中可劃分為兩種工作狀態(tài)：張拉狀態(tài)和工作狀態(tài)。張拉階段和工作階段均滿足以下的基本假定：(1)框架梁為彈性梁；(2)預(yù)應(yīng)力錨索的拉力視為集中荷載作用在框架梁節(jié)點(diǎn)上。在錨索的張拉階段，錨索拉力已知，為錨索的初始預(yù)應(yīng)力。如果邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，坡體不發(fā)生變形，相應(yīng)的錨索拉力也不發(fā)生變化，始終為初始預(yù)應(yīng)力iP。錨索是主動(dòng)受力的，它迫使土體變形，產(chǎn)生被動(dòng)抵抗力q(x)。根據(jù)Winkler假定，土體表面任一點(diǎn)的壓力強(qiáng)度與該點(diǎn)的沉降成正比，即式中：k為基床系數(shù)?？蚣芰旱挠?jì)算簡圖如圖2(a)所示，根據(jù)彈性地基梁法，可計(jì)算框架梁的內(nèi)力。在錨索的工作階段，坡體發(fā)生變形，土體下滑產(chǎn)生平行于潛在滑移面的滑坡推力，框架梁阻止了滑動(dòng)體的下滑，錨索處于被動(dòng)受力狀態(tài)，錨索上的拉力隨坡體的變形而變化，框架梁上的內(nèi)力也隨之發(fā)生變化。目前的設(shè)計(jì)計(jì)算方法多是根據(jù)經(jīng)典的土壓力理論或土體容重來計(jì)算作用在框架梁上的土壓力，錨索拉力按照初始張拉力計(jì)算，沒有考慮錨索的工作狀態(tài)和坡體變形對框架梁上土壓力的影響。本文建議根據(jù)滑坡推力確定作用在框架梁上的土壓力o(x)，反推錨索拉力Ei，參照圖2(b)所示的計(jì)算簡圖進(jìn)行框架梁的內(nèi)力計(jì)算。3節(jié)點(diǎn)處的豎向位移和轉(zhuǎn)角將框架梁拆分為橫梁和縱梁。為解決節(jié)點(diǎn)荷載的分配問題，通常采用文克爾地基模型，要求滿足靜力平衡條件和變形協(xié)調(diào)條件。假設(shè)節(jié)點(diǎn)i處的的力為iF，分配到x方向縱梁的力為Fix，分配到y(tǒng)方向橫梁的力為Fiy，按照靜力平衡條件有Fix+Fiy=Fi。假設(shè)縱橫梁在節(jié)點(diǎn)i處的豎向位移和轉(zhuǎn)角相同，且與該處地基的變形相協(xié)調(diào)。為了簡化計(jì)算，假設(shè)在節(jié)點(diǎn)處縱梁和橫梁之間為鉸接，即一個(gè)方向的條形基礎(chǔ)有轉(zhuǎn)角時(shí)，在另一個(gè)方向的條形基礎(chǔ)內(nèi)不引起內(nèi)力，節(jié)點(diǎn)上兩個(gè)方向的力矩分別由相應(yīng)的縱梁和橫梁承擔(dān)。因此，只考慮節(jié)點(diǎn)處的豎向位移協(xié)調(diào)條件，即w縱=w橫=w。根據(jù)靜力平衡條件和變形協(xié)調(diào)條件可以建立聯(lián)立方程組，得到縱橫梁上的節(jié)點(diǎn)分配荷載Fix和Fiy。3.1錨索抗拉t框架錨索拉力經(jīng)分配后作用在單梁上的分力為iP。根據(jù)Winkler彈性地基梁假定，土體表面任一點(diǎn)的壓力強(qiáng)度與該點(diǎn)的沉降成正比，即q(x)=ky，根據(jù)圖2(a)所示的計(jì)算簡圖，建立如下基本微分方程：式中：p(x)為作用在梁上的荷載，在框架梁節(jié)點(diǎn)處，p(x)為錨索的初始預(yù)應(yīng)力iP，對于梁上其他各點(diǎn)，p(x)=0。根據(jù)節(jié)點(diǎn)荷載作用點(diǎn)距梁端的距離，將單梁劃分為無限長梁、半無限長梁和有限長梁，求解上述微分方程即可得梁的變形和內(nèi)力。3.2框架梁土壓力錨索處于工作階段時(shí)，錨索的張力發(fā)生變化，不再是初始張拉力。不考慮錨索張力對滑體的遏止作用，根據(jù)滑坡推力確定作用在框架梁上的土壓力，采用倒梁法反推錨索張力。錨索張力的影響則通過增大安全系數(shù)的方式對下滑力進(jìn)行修正。假設(shè)框架縱梁之間的間距與邊坡范圍相比足夠小，因此可認(rèn)為框架各縱梁上的土壓力均相等，不考慮縱梁之間對土壓力的相互影響，可只計(jì)算其中一個(gè)縱梁上的土壓力。將框架梁下的土體劃分為單獨(dú)的條塊，采用傳遞系數(shù)法計(jì)算上一滑塊對該滑塊的下滑力iT:式中：Ks為安全系數(shù)；iW為條塊i所受重力；αi為條塊i滑面的傾角；?i為條塊i滑面上巖土的內(nèi)摩擦角；ci為條塊i滑面上巖土體的黏聚力；li為條塊i的滑面長度；Ti-1為條塊i-1的下滑力；ψi為傳遞系數(shù)，且有當(dāng)邊坡發(fā)生變形時(shí)，滑動(dòng)體隨潛在滑移面下滑，考慮到框架梁和錨索的阻遏作用，可通過適當(dāng)增大安全系數(shù)Ks的方式進(jìn)行修正，一般取為1.20～1.35。將下滑力iT均勻分布到深度方向，壓力強(qiáng)度為式中：ih為第i個(gè)滑體的高度。由于前部土體對滑動(dòng)體的遏止作用，在垂直于潛在滑移面的方向會(huì)產(chǎn)生側(cè)向土壓力σPi，且式中：Ka為主動(dòng)土壓力系數(shù)，根據(jù)朗金土壓力理論可知Ka=tan2(45-?i/)2，?i為第i個(gè)滑塊土體的內(nèi)摩擦角。圖3所示為根據(jù)滑坡推力確定土壓力計(jì)算圖。該側(cè)向土壓力的垂直于框架梁方向的分力即為滑塊i作用在框架梁上的土壓力oi，且式中：θ為滑移面與框架梁之間的夾角。假設(shè)框架梁上的土壓力為線性分布，只需由滑坡推力確定框架梁兩端點(diǎn)的土壓力1o,o2，線性分布于梁上即可。如圖2(b)所示的計(jì)算簡圖，單梁的受力模式為靜定結(jié)構(gòu)，梁上土壓力o(x)確定后，采用倒梁法反推錨索拉力Ei，按連續(xù)梁計(jì)算梁的內(nèi)力。4深層巖土體加固作用預(yù)應(yīng)力錨索框架梁加固邊坡時(shí)，預(yù)應(yīng)力錨索在加固深層巖土體、防止坡體下滑中起到關(guān)鍵作用。如何最大限度地利用巖土體本身的強(qiáng)度去加固坡體是預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。4.1預(yù)應(yīng)力錨索安裝的最經(jīng)濟(jì)分析錨索對巖土體提供的抗滑力受錨索的錨固角影響很大，為充分發(fā)揮錨索的錨固作用，提供最大的抗滑力，降低成本，錨固角的確定至關(guān)重要。為使錨索對巖土體提供最大的抗滑力，須以最大抗滑力錨固角β=?-α安裝預(yù)應(yīng)力錨索，其中，?為滑動(dòng)體的內(nèi)摩擦角，α為滑動(dòng)面的傾角。此時(shí)，錨索對滑動(dòng)體提供的為最大抗滑力。但錨索長度可能較長，不是最經(jīng)濟(jì)的。錨索的造價(jià)與錨索長度相關(guān)，錨索長度越長，造價(jià)越高。錨索由錨固段和自由張拉段組成，最經(jīng)濟(jì)錨固角是單位自由張拉段長度的錨索提供的抗滑力最大時(shí)的安裝角度，即β=45+?i/2-α。綜合考慮最大抗滑力和錨索造價(jià)兩方面，根據(jù)最大抗滑力錨固角和最經(jīng)濟(jì)錨固角確定預(yù)應(yīng)力錨索的最優(yōu)化錨固角。4.2錨固效果分析預(yù)應(yīng)力錨索加固深層巖土體時(shí)，錨索應(yīng)深入基層巖體足夠的錨固深度，以確保錨固效果。錨索的錨固長度受錨索直徑、錨索單束根數(shù)、錨索單束直徑、錨索設(shè)計(jì)錨固力、水泥砂漿與錨索粘結(jié)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值、水泥砂漿與孔壁巖石粘結(jié)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值、基層巖體強(qiáng)度等因素影響，確定錨固長度時(shí)應(yīng)綜合考慮上述因素。4.3錨固力的確定若錨索間距過小，會(huì)產(chǎn)生群樁效應(yīng)，減小錨索的錨固力；若錨索間距過大，會(huì)導(dǎo)致單根錨索的錨固力過大，應(yīng)力集中。錨索間距的確定相當(dāng)重要。我國規(guī)范規(guī)定，錨索最小間距不得小于1.5m。預(yù)應(yīng)力錨索框架梁中應(yīng)盡量采用較小間距、小噸位的錨索，確保坡面土體受力均勻，不會(huì)發(fā)生局部變形。建議錨固間距l(xiāng)s<π/(2λ)，λ為框架梁彈性特征。5預(yù)應(yīng)力錨索框架設(shè)計(jì)某高速公路K28+905工點(diǎn)處邊坡開挖達(dá)四十多米，共設(shè)計(jì)了6級邊坡，采用抗滑樁、預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁和預(yù)應(yīng)力錨索框架地梁加固結(jié)構(gòu)。其中，預(yù)應(yīng)力錨索框架地梁加固的邊坡坡角為24°。存在直線型天然滑移面，與水平面成21°，邊坡變形大。坡體屬于二迭系碳質(zhì)泥巖，內(nèi)摩擦角?=20°，如圖4所示。采用六節(jié)點(diǎn)錨索框架梁加固?？蚣芰杭庸虦\表坡體，錨索深入滑動(dòng)體以下的基巖，加固深層滑動(dòng)體?？蚣芰撼叽缛鐖D5所示，框架梁的6個(gè)節(jié)點(diǎn)處分別布置預(yù)應(yīng)力錨索。經(jīng)計(jì)算表明，框架梁下滑動(dòng)體的剩余下滑力為827.02kN/m。將滑坡推力產(chǎn)生的側(cè)向土壓力對垂直于框架梁的方向分解，可得點(diǎn)A處土壓力為52.92kPa，點(diǎn)B處土壓力為32.11kPa，沿縱梁長度方向線性分布。橫梁上的土壓力等于對應(yīng)的縱梁上該點(diǎn)的土壓力，土壓力集度為恒定值。采用倒梁法，計(jì)算出的錨索內(nèi)力為M1=M6=1310.68kN,M2=M5=1263.51kN,M3=M4=1152.92kN。經(jīng)過與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果的比較，誤差在允許范圍內(nèi)，土壓力和梁上內(nèi)力基本一致。該法計(jì)算錨索工作階段框架梁上土壓力準(zhǔn)確可靠，且作用機(jī)制符合實(shí)際。6框架梁預(yù)應(yīng)力錨索防護(hù)預(yù)應(yīng)力錨索框架梁是新型的邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)，本文分析了預(yù)應(yīng)力錨索框架梁的受力機(jī)制，根據(jù)框架梁和預(yù)應(yīng)力錨索之間的相互影響，得出如下結(jié)論：(1)錨索處于工作階段時(shí)，建議先不考慮錨索的作用，根據(jù)滑動(dòng)體下滑產(chǎn)生的滑坡推力確定梁上土壓力荷載分布，然后用倒梁法反推錨索拉力。