錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算的探討

錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算的探討

0在土體層面存在著本底的問題當(dāng)錨桿加固邊緣時(shí)，它依賴于周圍土壤之間的相互作用，傳遞錨桿的力，改善土壤肥力參數(shù)和應(yīng)力狀態(tài)，減少梯度位移，保持穩(wěn)定性。對(duì)于錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性計(jì)算,尚沒有有效的方法,尤其是采用圓弧滑移面計(jì)算支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性時(shí),都是將錨桿當(dāng)作土釘,采用規(guī)范中計(jì)算土釘墻的方法計(jì)算安全系數(shù)。這就存在兩個(gè)問題:一是雖然錨桿的自由段設(shè)計(jì)時(shí)穿過滑移面,但是與土體是無黏結(jié)的,并不能等效成土釘;二是忽略了自由段預(yù)應(yīng)力的作用。其實(shí)錨桿的主要作用是將預(yù)應(yīng)力傳遞到土體中。對(duì)于穩(wěn)定性的評(píng)價(jià),準(zhǔn)確的方法需要計(jì)算出邊坡土體的應(yīng)力及變形,但目前很難實(shí)現(xiàn)這一方法,且多采用大型有限元軟件數(shù)值模擬,不利于工程應(yīng)用。實(shí)際工程中常用搜索潛在滑移面的方法評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性。對(duì)于預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu),根據(jù)摩爾–庫侖破壞理論:若sσ增大,則抗剪強(qiáng)度tf將增大,而預(yù)應(yīng)力在潛在滑移面處引起附加應(yīng)力,正是增加了σ,因此提高了土體的抗剪強(qiáng)度。分析表明,預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)中的預(yù)應(yīng)力能夠提高邊坡的穩(wěn)定性。1單根臂關(guān)節(jié)對(duì)滑翔的影響分析1.1抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算對(duì)于土釘墻,假定潛在滑移面是圓弧面,計(jì)算該面上土體達(dá)到抗剪極限,同時(shí)土釘達(dá)到拉伸極限時(shí),抗滑力矩與滑力矩的比值作為安全系數(shù)。但是對(duì)于預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu),由于錨桿自由段與土體無黏結(jié),又由于預(yù)應(yīng)力引起的滑移面處的附加應(yīng)力,提高了土體的抗剪強(qiáng)度,為此本文假設(shè):(1)潛在滑移面為圓弧面,計(jì)算該面上土體達(dá)到抗剪極限時(shí),抗滑力矩與滑力矩的比值作為安全系數(shù),保守計(jì)算,此時(shí)錨桿自由段軸力仍取預(yù)應(yīng)力值。(2)為簡(jiǎn)化計(jì)算,將滑體看作剛體作用在彈性地基上。1.2基于幾何關(guān)系的反力qdi根據(jù)假設(shè)(1)本文將預(yù)應(yīng)力作為一集中力P作用在滑體上,根據(jù)假設(shè)(2)將滑體看作剛體作用在彈性地基上,取錨桿間距為計(jì)算寬度,采用圓弧滑移面,并采用條分法計(jì)算安全系數(shù),如圖1所示。根據(jù)彈性地基梁及土力學(xué)與地基基礎(chǔ)中的相關(guān)理論,集中力F作用在彈性地基上的剛體受到地基反力如圖2所示,則式中,b為計(jì)算寬度,M為偏心力矩,M=Fe,e為偏心距,以x向?yàn)檎?Iz為剛體繞垂直紙面的z軸截面慣性矩,Iz=bl3/12。集中力只引起地基中的附加應(yīng)力,不影響自重應(yīng)力,因此,邊坡滑體受到的地基反力qp如圖3所示,圖中l(wèi)、Li、lp均可根據(jù)幾何關(guān)系求得。根據(jù)式(2)得式中,S為圓弧長(zhǎng)度,b為錨桿水平間距,e為偏心距,e=l/2-lp,lie為qpi到中心線的距離,lie=li-l/2,由于土體不能提供拉力,因此,若qpi＜0,則取qpi=0。由于滑移面是個(gè)圓弧,因此將反力qpi按照對(duì)應(yīng)的圓弧段分解成沿圓弧切向的ti和沿徑向的σi,則式中,θi為第i弧條切線水平傾角,β為錨桿水平傾角。將所有力對(duì)圓弧圓心O取矩,如圖4所示,根據(jù)力矩平衡,則式中,si為弧條長(zhǎng)度,hp為P對(duì)圓心O的力臂,R為圓弧半徑。根所式(4)、(5)及圖5,由作用力和反作用力的關(guān)系,預(yù)應(yīng)力P對(duì)滑體的作用可以等效成沿圓弧切向的tip=ti和沿徑向的σip=σi的共同作用,如圖5所示,且2全系數(shù)式的計(jì)算由以上分析可知,集中力對(duì)滑體產(chǎn)生積極的抗滑作用。條分法計(jì)算無支護(hù)邊坡安全系數(shù)簡(jiǎn)圖如圖6所示,安全系數(shù)式中,Ni=Wicosθi,Ti=Wisinθi,Wi為第i土條重力,ji為第i土條處土體的內(nèi)摩擦角,ci為第i土條處土體的黏聚力。因此,有預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)邊坡,除了自重應(yīng)力分力Ni作用下的抗滑作用,還應(yīng)該在式(8)中增加tip、σip的抗滑作用,即安全系數(shù)根據(jù)式(6)并化簡(jiǎn),則得3各錨桿預(yù)應(yīng)力疊加對(duì)于m根錨桿作用,忽略后施工的錨桿在施加預(yù)應(yīng)力后對(duì)之前的錨桿預(yù)應(yīng)力造成的損失,因此,只需將各錨桿分別作為集中力計(jì)算其tipj、σipj,然后疊加,則式(10)變?yōu)?geastudioslope錨桿加固算法驗(yàn)證本文的方法為簡(jiǎn)化計(jì)算方法,手算與機(jī)算均可,本文已將上述算法采用MATLAB編制成程序。目前用以分析或設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)的軟件不是很多,已有的大型有限元分析軟件如ANSYS、ADINA等,對(duì)于分析預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)不是很理想,尤其是對(duì)錨桿自由段的建模以及自由段預(yù)應(yīng)力的加載非常困難,本文采用的GEOSTUDIO＿SLOPE軟件可以很好解決以上問題,事實(shí)上該軟件是將預(yù)應(yīng)力作為集中力作用滑移面與錨桿的交點(diǎn),與本文方法具有可比性,因此采用此軟件對(duì)本文算法進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。算例:某邊坡土體參數(shù)見表1,錨桿布置見圖7。該工程處于厚度約17m黃土層。采用GEOSTUDIO＿SLOPE建模分析,將所有錨桿施加相同的預(yù)應(yīng)力,分別從10kN增加到60kN,算得安全系數(shù)見表2和圖8。由表2及圖8可以看出,本文算法雖然是簡(jiǎn)化算法但與GEOSTUDIO＿SLOPE所得結(jié)果較為接近。圖9和圖10所示同為30kN預(yù)應(yīng)力時(shí),滑移面搜索結(jié)果(編程時(shí)未將錨桿在圖形中輸出,但計(jì)算時(shí)已考慮)。實(shí)際上筆者對(duì)比了三個(gè)算例,結(jié)果都是二者計(jì)算的安全系數(shù)較為接近,限于篇幅,未將其它算例列出。盡管如此,由于本文算法是基于自由段穿過滑移面的,GEOSTUDIO＿SLOPE計(jì)算時(shí)考慮了滑移面穿過錨桿錨固段的情況,所以若滑移面穿過自由段,兩者結(jié)果較為相近,若滑移面穿過錨固段,則相差較達(dá)。5預(yù)應(yīng)力的作用(1)對(duì)于預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性計(jì)算,將錨桿當(dāng)作土釘計(jì)算是不合理的,且忽略了預(yù)應(yīng)力的作用。采用