巖石邊坡治理

1、應(yīng)用錨桿治理巖石邊坡的研究摘要:應(yīng)用正交設(shè)計(jì)原理對(duì)常張高速公路某邊坡錨固參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),結(jié)果表明以邊坡水平變形量為評(píng)價(jià)指標(biāo),主要錨固參數(shù)對(duì)錨固效果的影響顯著性依次為:錨桿長(zhǎng)度錨桿間距混凝土噴層厚度。關(guān)鍵詞:錨桿,正交設(shè)計(jì),錨固參數(shù),水平變形在各類邊坡工程中,開挖巖石高邊坡工程是十分常見而又非常重要的,往往由于其復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)而成為邊坡工程中的重點(diǎn)與難點(diǎn)。巖石工程邊坡的穩(wěn)定問題事關(guān)工程建設(shè)和運(yùn)行期間的安全和經(jīng)濟(jì)效益,對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)和控制具有非常重要的工程實(shí)踐意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。在我國(guó),治理巖石邊坡的最有效措施就是錨固,然而錨固參數(shù)（錨桿長(zhǎng)度、錨固間距、噴混凝土厚度等）的選取至今都沒能很好

2、的解決,設(shè)計(jì)大多數(shù)停留在經(jīng)驗(yàn)（規(guī)范）的層次上。因此,如何確定巖石邊坡最優(yōu)錨固參數(shù)就顯得尤為重要。錨桿加固機(jī)理研究錨桿的加固機(jī)理必須考慮其錨固方式,它與所加固的巖體之間的相互作用。研究表明,作為巖體內(nèi)在因素的巖體結(jié)構(gòu)在巖體的變形破壞發(fā)展過程中起著決定性作用,而作為外因的外力即荷載,是通過內(nèi)因起作用的。在巖體表面或內(nèi)部修建工程時(shí),應(yīng)把巖體視為工程結(jié)構(gòu)的一部分或全部,巖體與地下洞室的支護(hù)結(jié)構(gòu)形成一個(gè)完整的支護(hù)體系。而且在整個(gè)體系中,巖體應(yīng)視為主要的承載體單元。在巖體加固工程中,對(duì)不穩(wěn)定巖體不一定采取支護(hù)措施,而從改造變更巖體結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)出發(fā),對(duì)劈裂、塊裂結(jié)構(gòu)的巖體直接進(jìn)行處理,使它變?yōu)橥暾膸r體。錨桿

3、的作用效果還可從改變巖體應(yīng)力狀況方面來理解。巖體變形和破壞機(jī)制包括結(jié)構(gòu)變形和破壞及材料變形和破壞兩種因素,其中材料的變形和破壞多數(shù)與巖體內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān),而預(yù)應(yīng)力錨固可對(duì)巖體施加圍壓,改變巖體的應(yīng)力狀態(tài),提高巖體的彈性模量和強(qiáng)度。錨固效果的影響因素分析錨桿是錨桿錨固體系的主體,實(shí)際工程中錨固參數(shù)的確定對(duì)錨桿性能的發(fā)揮和錨固效果至關(guān)重要,包括體材、長(zhǎng)度、布置形式、錨固劑、安裝工藝等。目前邊坡工程中錨固參數(shù)的確定多以經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范為主,各參數(shù)之間的匹配也有不盡合理的地方,如何將錨固參數(shù)組合達(dá)到最優(yōu)效果,這一問題已經(jīng)引起了一定重視。2.1錨桿長(zhǎng)度選取的研究錨桿長(zhǎng)度和間距是錨固工程設(shè)計(jì)必須確定的主要參數(shù)

4、,是錨桿布置的主要問題。一般首先確定錨桿長(zhǎng)度,然后確定間距。國(guó)內(nèi)外對(duì)錨桿長(zhǎng)度進(jìn)行過大量研究,各國(guó)、各行業(yè)都有選擇錨桿長(zhǎng)度的規(guī)定。錨桿長(zhǎng)度的選取應(yīng)當(dāng)以能充分發(fā)揮錨桿的功能作用,并獲得經(jīng)濟(jì)合理的錨固效果為原則。長(zhǎng)期以來,人們普遍認(rèn)為錨桿長(zhǎng)度和密度都有十分重要的作用,主觀認(rèn)為隨著錨桿長(zhǎng)度增加和密度提高,可以有效地控制巖體的穩(wěn)定性,而從降低成本和提高施工速度來看,錨桿長(zhǎng)度越短和密度越小越好。實(shí)踐和理論研究證明,開挖后臨空面的位移來自于巖體深部,而且范圍是很廣闊的,同時(shí)錨固措施的實(shí)踐目的并不是為了去抵抗、阻止開挖變形,而是為了限制約束變形的發(fā)展,容許巖體有一定變形和位移,想用加大錨桿的長(zhǎng)度來控制位移量使

5、之顯著減少是徒勞的。2.2錨桿間距錨桿對(duì)巖體的約束和控制是有一定限度的,每根錨桿都有其影響范圍,將各個(gè)錨桿相互連接起來才能形成連續(xù)的加固層,從這一角度出發(fā),錨桿間距越小越有利;而從降低支護(hù)成本和提高施工速度出發(fā)點(diǎn)來看,錨桿間距越大越有利。錨桿間距與錨桿長(zhǎng)度也存在一個(gè)合理匹配的問題,根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果分析和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，目前廣泛采用的錨桿長(zhǎng)度L與間距D之比為：1.6L/D2.0。通過模型試驗(yàn)，模擬布設(shè)系統(tǒng)錨桿的巖體在不同L/D時(shí)的力學(xué)機(jī)理，發(fā)現(xiàn)巖體彈性模量越低,錨桿對(duì)巖體的影響越敏感,為了提高巖體力學(xué)指標(biāo),應(yīng)采用較大的L/D值；巖體越硬，錨桿對(duì)巖體的影響越小。故采用較小的L/D值，即布錨量可以少些。

6、2.3混凝土噴層厚度厚度是混凝土噴層最重要的參數(shù),噴層的柔性與厚度直接相關(guān)。已有研究表明噴層越厚,剛度越大,約束了巖體的變形,反而容易發(fā)生破壞,所以噴層要具有柔性,必須控制其厚度,但噴層也不是越薄越好,否則支護(hù)抗力不足會(huì)引起開裂剝落。國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)都表明噴層的厚度多在50m200m之間,當(dāng)噴層厚度小于50mm時(shí),由于材料的收縮而常常導(dǎo)致噴層滲水和結(jié)構(gòu)的破壞。同時(shí),混凝土噴層和錨桿在聯(lián)合工作中又獨(dú)立又聯(lián)合。從各自的受力狀態(tài)分析,它們是獨(dú)立的,而在支護(hù)效應(yīng)方面互有影響,起聯(lián)合支護(hù)作用。當(dāng)噴層較厚,支承能力較大,巖體變形較小時(shí),錨桿內(nèi)力減少；如果錨桿較長(zhǎng),約束作用較大時(shí),傳給噴層的壓力也減小。表1各因蠱

7、展水平文化6勺選擇-水平二水平四水平錨稈畏度L/HL102.53.015錨桿間跖DJm1.52.02.510噴圧用度dimm5010()5030們錨固參數(shù)正交優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例3.1模型的建立影響錨固效果的因素很多，這里選取錨桿的長(zhǎng)度L,間距D和混凝土噴層厚度d三個(gè)主要因素進(jìn)行研究。在實(shí)踐和理論分析的基礎(chǔ)上，將錨桿長(zhǎng)度取3m左右，錨桿間距取2.5m4.0m之間，混凝土噴層厚度在50mm200mm范圍內(nèi),每個(gè)因素各選取四種情況（四水平）,因素及水平變化的選擇情況見表1。按照所選取的三個(gè)因素四水平模型，可以選取正交表L16（43）（見表2）安排試驗(yàn),只需16次試驗(yàn),為完全試驗(yàn)工作量43次的1/4。3.2

8、試驗(yàn)結(jié)果及分析（見表3）表2正立表丄血單123123L1L19313p72102431331414斗12丁斗7571213414622144P3771315437呂74斗164斗1表3試驗(yàn)安排及結(jié)果3試驗(yàn)安排婭結(jié)果.1/LH/l)C/d評(píng)價(jià)捋標(biāo)23邊坡變形壇/mmi1(2.()j1(1-5)1(劉24一241212(100)23.73313(2.5j3l50j23.715414(3.Cj4(200)24一SQ652(2.5j1123.04762223.244723323.31374斗23.SI291122.922町32223.()2+II33323.4M9L23斗斗23.K674(X5)112

9、2.6601442222.9S7L543323.OZ3L64斗斗23.136根據(jù)正交表L16(43)的要求，共做16次試驗(yàn)，若直接兩兩比較是不行的,因?yàn)樵?6次試驗(yàn)中沒有任何兩個(gè)是相同的,即沒有可比的基礎(chǔ)。但是把試驗(yàn)數(shù)據(jù)組合起來就會(huì)發(fā)現(xiàn)它們之間的可比性,例如錨桿長(zhǎng)度的1水平(A1)出現(xiàn)在表2中的1,2,3,4的4個(gè)試驗(yàn)中，這4個(gè)試驗(yàn)的平均邊坡位移量為A1(同理2,3,4水平的平均值為A2,A3,A4)。此時(shí)A1條件下的4次試驗(yàn)中，其余各因素取遍所有的水平，而且各水平出現(xiàn)的次數(shù)相同，因而A1具有可比性。所以Ai(i=1,2,3,4)之間的差異反映了四水平之間的差異。同理可以計(jì)算Bi(i=1,2,

10、3,4),Ci(i=1,2,3,4)各因素對(duì)指標(biāo)的影響平均值,見表4,A的極差為Ai(i=1,2,3,4)中的最大值與最小值之差。它是評(píng)價(jià)因素對(duì)指標(biāo)影響大小的重要指標(biāo)。按照表4中Ai,Bi,Ci的最小值，可以選取A4,B1,C4為以邊坡臨空面的變形量為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)的最優(yōu)參數(shù)方案,該方案的錨桿長(zhǎng)度為3.5m,錨桿間距為1.5m,混凝土噴層厚度為200mm。這一方案是進(jìn)行16次試驗(yàn)中沒有包括的,這也證明正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)所得到的結(jié)果是全面的。再?gòu)臉O差來看,A的極差為1.187,B的極差為0.665,C的極差為0.169,可見錨桿長(zhǎng)度對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響最大,而錨桿間距和混凝土噴層厚度的大小對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響相對(duì)

11、小一些。即錨桿長(zhǎng)度是影響邊坡變形量的主要因素。表4各因素對(duì)指標(biāo)的影響水平心心124.L3923.2IS2152K223.35423.2)2143()323.32523.3K521359422.95223.81321453腿埜.1N706650.1鉗1234結(jié)語(yǔ)錨桿參數(shù)對(duì)錨桿性能的發(fā)揮和錨固效果至關(guān)重要。錨桿長(zhǎng)度和間距是錨桿工程設(shè)計(jì)必須確定的主要參數(shù)。已有的研究表明:當(dāng)錨桿長(zhǎng)度過大時(shí),錨桿的作用效率就大大降低,錨桿長(zhǎng)度的選取應(yīng)當(dāng)以能充分發(fā)揮錨桿的功能作用,并獲得經(jīng)濟(jì)合理的錨固效果為原則。采用正交設(shè)計(jì)原理對(duì)邊坡錨固參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),優(yōu)化結(jié)果表明以邊坡水平變形量為評(píng)價(jià)指標(biāo),主要錨固措施參數(shù)對(duì)錨固效果的影響顯著性依次為:錨桿長(zhǎng)度錨桿間距混凝土噴層厚度。參考文獻(xiàn):1李寧.預(yù)應(yīng)力群錨加固機(jī)理數(shù)值試驗(yàn)研究J.巖土工程學(xué)報(bào),1997,19(5):2728.2李寧.群錨對(duì)斷層的加固機(jī)理分析與工程應(yīng)用J.西安:西安