預應力錨索與混凝土框架梁復合支護結構的邊坡加固

預應力錨索與混凝土框架梁復合支護結構的邊坡加固

1抗滑樁加固坡體預制混凝土結構是近年來在加強邊坡上應用的一種復合結構。該涂層的柔性支護裝置與結構梁的組合在實際設計中得到了良好的保護效果。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，多采用預應力錨索加固坡體，預應力錨索通過潛在滑動體，深入基層巖體，主動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坡，框架梁不僅可以遏制滑動體的下滑，在框架梁的框格中還可以進行植被護坡，保持水土，提高工程的綠化率，恢復原來的生態(tài)環(huán)境。綜合考慮錨索和框架梁的邊坡加固效果，將預應力錨索和混凝土框架梁共同應用于邊坡工程中，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行植被護坡，美觀大方，適用于整體穩(wěn)定性差、表層坡面需防護的高陡邊坡的整治。2預應力錨索框架梁的確定在如圖1所示的預應力錨索與框架梁的復合結構中，框架梁除表層固坡作用外，還有傳力作用。單獨使用預應力錨索進行邊坡加固，錨索拉力過大會引起表層坡體的變形，甚至破壞，而坡體過大的變形又會導致錨索預應力的損失。將預應力錨索與框架梁結合，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，預應力錨索框架梁的內力計算時應考慮錨索對框架梁的影響。預應力錨索框架梁上的錨索在邊坡支護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)預應力錨索的拉力視為集中荷載作用在框架梁節(jié)點上。在錨索的張拉階段，錨索拉力已知，為錨索的初始預應力。如果邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，坡體不發(fā)生變形，相應的錨索拉力也不發(fā)生變化，始終為初始預應力iP。錨索是主動受力的，它迫使土體變形，產生被動抵抗力q(x)。根據(jù)Winkler假定，土體表面任一點的壓力強度與該點的沉降成正比，即式中：k為基床系數(shù)?？蚣芰旱挠嬎愫唸D如圖2(a)所示，根據(jù)彈性地基梁法，可計算框架梁的內力。在錨索的工作階段，坡體發(fā)生變形，土體下滑產生平行于潛在滑移面的滑坡推力，框架梁阻止了滑動體的下滑，錨索處于被動受力狀態(tài)，錨索上的拉力隨坡體的變形而變化，框架梁上的內力也隨之發(fā)生變化。目前的設計計算方法多是根據(jù)經(jīng)典的土壓力理論或土體容重來計算作用在框架梁上的土壓力，錨索拉力按照初始張拉力計算，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)所示的計算簡圖進行框架梁的內力計算。3節(jié)點處的豎向位移和轉角將框架梁拆分為橫梁和縱梁。為解決節(jié)點荷載的分配問題，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)調條件。假設節(jié)點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。假設縱橫梁在節(jié)點i處的豎向位移和轉角相同，且與該處地基的變形相協(xié)調。為了簡化計算，假設在節(jié)點處縱梁和橫梁之間為鉸接，即一個方向的條形基礎有轉角時，在另一個方向的條形基礎內不引起內力，節(jié)點上兩個方向的力矩分別由相應的縱梁和橫梁承擔。因此，只考慮節(jié)點處的豎向位移協(xié)調條件，即w縱=w橫=w。根據(jù)靜力平衡條件和變形協(xié)調條件可以建立聯(lián)立方程組，得到縱橫梁上的節(jié)點分配荷載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，土體表面任一點的壓力強度與該點的沉降成正比，即q(x)=ky，根據(jù)圖2(a)所示的計算簡圖，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)點處，p(x)為錨索的初始預應力iP，對于梁上其他各點，p(x)=0。根據(jù)節(jié)點荷載作用點距梁端的距離，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力。3.2框架梁土壓力錨索處于工作階段時，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)的方式對下滑力進行修正。假設框架縱梁之間的間距與邊坡范圍相比足夠小，因此可認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，可只計算其中一個縱梁上的土壓力。將框架梁下的土體劃分為單獨的條塊，采用傳遞系數(shù)法計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)，且有當邊坡發(fā)生變形時，滑動體隨潛在滑移面下滑，考慮到框架梁和錨索的阻遏作用，可通過適當增大安全系數(shù)Ks的方式進行修正，一般取為1.20～1.35。將下滑力iT均勻分布到深度方向，壓力強度為式中：ih為第i個滑體的高度。由于前部土體對滑動體的遏止作用，在垂直于潛在滑移面的方向會產生側向土壓力σPi，且式中：Ka為主動土壓力系數(shù)，根據(jù)朗金土壓力理論可知Ka=tan2(45-?i/)2，?i為第i個滑塊土體的內摩擦角。圖3所示為根據(jù)滑坡推力確定土壓力計算圖。該側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的土壓力1o,o2，線性分布于梁上即可。如圖2(b)所示的計算簡圖，單梁的受力模式為靜定結構，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)梁計算梁的內力。4深層巖土體加固作用預應力錨索框架梁加固邊坡時，預應力錨索在加固深層巖土體、防止坡體下滑中起到關鍵作用。如何最大限度地利用巖土體本身的強度去加固坡體是預應力錨索設計的重點。4.1預應力錨索安裝的最經(jīng)濟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安裝預應力錨索，其中，?為滑動體的內摩擦角，α為滑動面的傾角。此時，錨索對滑動體提供的為最大抗滑力。但錨索長度可能較長，不是最經(jīng)濟的。錨索的造價與錨索長度相關，錨索長度越長，造價越高。錨索由錨固段和自由張拉段組成，最經(jīng)濟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兩方面，根據(jù)最大抗滑力錨固角和最經(jīng)濟錨固角確定預應力錨索的最優(yōu)化錨固角。4.2錨固效果分析預應力錨索加固深層巖土體時，錨索應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、錨索設計錨固力、水泥砂漿與錨索粘結強度的設計值、水泥砂漿與孔壁巖石粘結強度的設計值、基層巖體強度等因素影響，確定錨固長度時應綜合考慮上述因素。4.3錨固力的確定若錨索間距過小，會產生群樁效應，減小錨索的錨固力；若錨索間距過大，會導致單根錨索的錨固力過大，應力集中。錨索間距的確定相當重要。我國規(guī)范規(guī)定，錨索最小間距不得小于1.5m。預應力錨索框架梁中應盡量采用較小間距、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預應力錨索框架設計某高速公路K28+905工點處邊坡開挖達四十多米，共設計了6級邊坡，采用抗滑樁、預應力錨索抗滑樁和預應力錨索框架地梁加固結構。其中，預應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泥巖，內摩擦角?=20°，如圖4所示。采用六節(jié)點錨索框架梁加固?？蚣芰杭庸虦\表坡體，錨索深入滑動體以下的基巖，加固深層滑動體?？蚣芰撼叽缛鐖D5所示，框架梁的6個節(jié)點處分別布置預應力錨索。經(jīng)計算表明，框架梁下滑動體的剩余下滑力為827.02kN/m。將滑坡推力產生的側向土壓力對垂直于框架梁的方向分解，可得點A處土壓力為52.92kPa，點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的縱梁上該點的土壓力，土壓力集度為恒定值。采用倒梁法，計算出的錨索內力為M1=M6=1310.68kN,M2=M5=1263.51kN,M3=M4=1152.92kN。經(jīng)過與現(xiàn)場監(jiān)測結果的比較，誤差在允許范圍內，土壓力和梁上內力基本一致。該法計算錨索工作階段框架梁上土壓力準確可靠，且作用機制符合實際。6框架梁預應力錨索防護預應力錨索框架梁是新型的邊坡支護結構，本文分析了預應力錨索框架梁的受力機制，根據(jù)框架梁和預應力錨索之間的相互影響，得出如下結論：(1)錨索處于工作階段時，建議先不考慮錨索的作用，根據(jù)滑動體下滑產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。