預應力錨索在邊坡加固中的應用

預應力錨索在邊坡加固中的應用

預測錨定義是解決巖體滑坡的有效方法。這是一種積極的抗滑結(jié)構(gòu)，利用巖體自身的強度加固水體。當錨索受到支撐時，將力通過邊緣的格構(gòu)向邊緣傳遞，使斜坡受到影響，產(chǎn)生抗滑力，從而達到加固和穩(wěn)定斜坡的目的。同時，預埋夾的施工簡單、成本低，并且不破壞現(xiàn)有傾斜的完整性。因此，預緊夾廣泛應用于滑動控制中。預應力錨固使巖土體直接受到人為施加的外力作用,從而使不穩(wěn)定滑動體處于較高圍壓的三向應力狀態(tài)下.一方面,巖體強度比加固前得到了提高,并且變形特性也得到了改善;另一方面,由于預應力的作用,使巖體結(jié)構(gòu)面呈壓緊狀態(tài),從而顯著提高受壓巖體的整體穩(wěn)定性.同時錨索的錨固力改變了滑動面上的受力狀態(tài),提高了滑動面上的抗滑力,增加了邊坡的穩(wěn)定性.1錨固力的確定預應力錨索加固邊坡受力如圖1,沿邊坡走向取單位長度,根據(jù)極限平衡原理,邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs為Fs=抗滑力/下滑力=CL+[Wcosα?U1?U2sinα]tgφWsinα+U2cosα.(1)CL+[Wcosα-U1-U2sinα]tgφWsinα+U2cosα.(1)由此可求得達到許用穩(wěn)定性安全系數(shù)值[Fs]時所需施加的錨固力T={W(sinα[Fs]-cosαtgφ)+U1tgφ+U2(cosα[Fs]+sinα)?CL}/{cos(α+β)[Fs]+sin(α+β)tgφ},(2)φ+U2(cosα[Fs]+sinα)-CL}/{cos(α+β)[Fs]+sin(α+β)tgφ},(2)式中,C及φ為滑動面內(nèi)巖體的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角;W為滑坡體的重量;L為滑坡面長度;P為作用于滑坡體的錨固力;θ為邊坡傾角;α為滑動面傾角;β為錨索與水平面的夾角;U1為作用在滑塊底面上的水浮托力;U2為張拉裂縫中的水壓力.根據(jù)錨索的水平間隔ΔH及錨索排數(shù)m計算單根錨索的設(shè)計錨固力,則Td=ΔH·T/m.(3)2預應力錨索最優(yōu)設(shè)計錨固角對錨索錨固力的大小有直接影響,錨固角的確定依賴于滑動面的產(chǎn)狀、粗糙程度及力學性能.在設(shè)計和施工中,將錨索布置在與滑動面走向垂直的平面內(nèi),選取合理的錨固角,這樣可防止預應力在滑動面走向上產(chǎn)生分力,使施加的預應力全部用于增加滑動面上的抗滑阻力.圖2中,由預應力錨索的錨固力引起的抗滑力增量P為P=Tntgφ+Tv=Td[sin(α+β)tgφ+cos(α+β)],(4)式中,Tn及Tv分別為Td沿滑動面的法向分力和切向分力.令dP/dβ=0,便可得到單根預應力錨索提供最大抗滑力時的錨固角β=φ-α.以此來安設(shè)預應力錨索時,可以使施加的預應力提供最大的抗滑力,這是從抗滑力大小方面求得的理論最優(yōu)錨固角,但并不是最經(jīng)濟的.若從經(jīng)濟方面考慮,則錨固角的設(shè)計還應考慮錨索的長度.錨索的造價決定于鉆孔、灌漿和錨固體,而這些都與錨索長度成正比.錨索長度由外錨固段、自由張拉段和內(nèi)錨固段組成.其中外錨固段長度由張拉設(shè)備和錨具決定,為常量;內(nèi)錨固段由錨固體與巖土間的粘結(jié)性質(zhì)決定,為定值;而自由張拉段長度與錨固角度有關(guān),因此從經(jīng)濟上評價錨索時,可以將張拉長度作為目標函數(shù)(或經(jīng)濟指標),使單位自由張拉段長度的錨索提供的抗滑力最大.滑動體厚度B與自由張拉段長度L1的關(guān)系為L1=B/sin(β+α).令γ=β+α,則有L1=B/sinγ.經(jīng)濟錨固角就是單位自由張拉段長度的錨索提供的抗滑力p最大,由上式得p=P/L1=Tdsinγ(cosγ+sinγtgφ)/B.令dpdγ=0dpdγ=0,即dp/dγ=Td(cos2γ+sin2γtgφ)/B=0.有γ=45°+φ/2,并且d2pdγ2=2TdB(cos2γtgφ?sin2γ)＜0d2pdγ2=2ΤdB(cos2γtgφ-sin2γ)＜0,此時,p取得最大值,此時的錨索是最經(jīng)濟的.由此可得出經(jīng)濟錨固角為β=45°+φ/2-α.在工程應用中,應根據(jù)具體條件,從加固效果和經(jīng)濟等方面綜合考慮,進行錨固角的優(yōu)化設(shè)計,一般β=15°～30°.3錨索抗剪應變力學分析錨固長度可按現(xiàn)有的GBJ86-85《錨桿噴射混凝土支護技術(shù)規(guī)范》(簡稱《規(guī)范》)計算確定.但是《規(guī)范》中的錨固長度計算是基于剪應力均勻分布的,實際上,錨固體與孔壁巖石間粘結(jié)剪應力并非均勻分布,因此,有必要分析錨固段的應力分布和破壞過程,確定合理的錨固長度.根據(jù)現(xiàn)場錨索抗拔試驗及數(shù)值分析結(jié)果,作者認為:a.最終破壞形式為灌漿體破裂或錨索拉斷;b.錨固段表面剪應力分布為單峰狀;c.在剪應力τ未達到剪切強度τs時,錨索與灌漿體間的粘結(jié)為彈性粘結(jié);在剪應力τ達到剪切強度τs時,錨索與灌漿體間發(fā)生粘結(jié)破壞,粘結(jié)力消失.據(jù)此,在分析計算錨固長度時,假定如下.a.錨索與灌漿體間、灌漿體與圍巖間均為彈性粘結(jié),不發(fā)生粘結(jié)破壞;b.錨索橫截面上的剪應力沿軸向均勻分布;c.錨索、水泥砂漿灌漿體及圍巖均為理想彈性體;d.灌漿體和圍巖內(nèi)的軸向位移隨遠離軸線分別按對數(shù)和負指函數(shù)減小;e.錨固段內(nèi)徑向位移ur=0.根據(jù)圖3所示,由彈性力學的軸對稱方程并應用基本假定,可建立方程d2Sdz2=?2πd(1+μ)(1?2μ)EA(1?μ)?τ(z),(5)d2Sdz2=-2πd(1+μ)(1-2μ)EA(1-μ)?τ(z),(5)式中,S為錨索錨固段軸向位移函數(shù);τ為錨索表面剪應力分布函數(shù);A為錨索的截面積;d為錨索的直徑;E為錨索材料的彈性模量;μ為錨索材料泊松比.在錨固段上任一垂直截面上選擇三點(圖4):1及2點分別在錨索與灌漿體以及灌漿體與圍巖間的粘結(jié)面上,3點在圍巖體內(nèi).錨索受力后,分別為1′,2′及3′,各點沿軸線的位移分別為S1,S2及S3.按假定d并忽略徑向位移對剪應變的影響,則灌漿體中的剪應力τc和圍巖中軸向位移Sr可表示為τc=?(S1?S2)Gln(r0/d)?1r;(6)τc=-(S1-S2)Gln(r0/d)?1r;(6)Sr=S2e-ar+b,(7)邊界條件r=r0時,Sr=S2;r=R0時,Sr為極小值,取Sr=0.001,從而可解出a及b,代入式(7),得Sr=S2e-4.6(R0-r0)/(r-r0).不計徑向位移對剪應變的影響,則圍巖中的剪應力分布可表示為τr=?6.9S2R0?r0?Gr?e?6.96(r?r0)/(R0?r0)τr=-6.9S2R0-r0?Gr?e-6.96(r-r0)/(R0-r0);當影響半徑R0≥25r0時,錨固段對圍巖的影響可忽略,上式可改為τr=?0.288S2Grr0?e?0.288(r?r0)/r0.τr=-0.288S2Grr0?e-0.288(r-r0)/r0.根據(jù)介質(zhì)接觸面上的應力連續(xù)條件及討論錨固段的任意性,由式(5)得d2S/dz2=λ2·S,(8)式中,λ2=?2πd(1+μ)(1?2μ)EA(1?μ)?Jλ2=-2πd(1+μ)(1-2μ)EA(1-μ)?J;J=?0.144Er/d(1+μr)+0.096(1+μc)(Er/Ec)ln(r0/d).J=-0.144Er/d(1+μr)+0.096(1+μc)(Er/Ec)ln(r0/d).求解方程(8),并設(shè)|τ|≤0.05τs(τs為灌漿體破裂時的抗剪強度)時對應的剪應力分布長度,即錨固面長度L0=3.69/λ.由此可知,L0與介質(zhì)的幾何特征和力學特性有關(guān),對于一個確定的錨索是一個定量,在錨固體表面的剪應力分布中表現(xiàn)為剪應力峰值.4錨索間距及錨索價值錨索間距是錨索設(shè)計的關(guān)鍵之一,間距過大會造成單根錨索的錨固力過大而產(chǎn)生應力集中,甚至會發(fā)生錨索加固失敗,應限制錨索的最大間距一般不超過4m;間距過小又會因群錨效應的影響而降低單根錨索的抗滑力,造成浪費.關(guān)于錨索的間距,各國規(guī)范對錨索的最小間距都有規(guī)定:美國規(guī)定取錨固段直徑的6倍以上;FIP規(guī)定為錨固段直徑的4倍以上或2.0m以上;日本規(guī)定錨索的最小間距在1.5m以上;我國規(guī)定的最小間距不得小于1.5m.群錨對巖體砂漿灌漿體抗剪強度的提高體現(xiàn)在間接提高砂漿的粘結(jié)力和圍壓,而這一效應又與群錨的間距有直接關(guān)系.錨索間距越大,群錨影響越小.錨索間距與巖體強度、錨索強度及錨固力的大小等有關(guān),巖體與錨索強度比越大,所需間距越大;巖體彈性模量越小,所需的錨索間距越小;巖體強度越高,預應力噸位越大,所需間距越大,因此,群錨加固時錨索間距可采用下式計算d=k?BL?ErEs?(σσmin)m,d=k?BL?ErEs?(σσmin)m,式中,B為所加固的巖層厚度;L為錨索長度;σ及σmin分別為施加的預應力和最小加固應力;Er及Es分別為巖石的彈性模量和錨索變形模量;k為修正系數(shù);m為與所加固巖土及錨索有關(guān)的經(jīng)驗系數(shù).5預應力錨索加固形式選擇京珠高速公路湖北段一邊坡高35m,基巖陡峭,順層滑,為滑坡提供了有利條件.經(jīng)現(xiàn)場勘察、室內(nèi)試驗、參數(shù)反算及鄰區(qū)類比,進行邊坡穩(wěn)定評價,穩(wěn)定系數(shù)F在1.0～1.15之間,該路段存在滑坡可能,需進行加固處理.經(jīng)比較,采用鋼筋混凝土格構(gòu)與預應力錨索結(jié)合的錨固形式.預應力錨索沿坡面分兩級平臺設(shè)置,第一級平臺設(shè)置6排,第二級平臺設(shè)置5排,共11排;錨索錨固角β=20°;錨索間