软岩高边坡预应力锚索抗滑桩的设计计算

关键词： 抗滑桩 锚索 预应力 结构

软岩高边坡预应力锚索抗滑桩的设计计算（通用6篇）

篇1：软岩高边坡预应力锚索抗滑桩的设计计算

软岩高边坡预应力锚索抗滑桩的设计计算

目前已提出了多种预应力错索抗滑桩的设计计算方法,例如按Winkler弹怀地基梁的方法、错索与桩的协调变形的方法等.由于软弱岩体的变形特征,结构与岩体的相互作用机理较为复杂,这些方法难以直接应用于软岩高边坡工程,需要加以分析改进.应该分析预应力锚索抗滑桩的施工顺序、实际受力条件、锚索预应力的`主要控制因素等,分阶段进行计算,这样得出的计算结果才有可能与实际情况一致.在充分吸取现有计算方法优点的基础上,提出了改进的方法.通过实际工程的计算,得出了较为符合实际情况的结果.

作 者：曹兴松 周德培 CAO Xingsong ZHOU Depei  作者单位：西南交通大学土木工程学院,四川,成都,610031 刊 名：山地学报  ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF MOUNTAIN SCIENCE 年，卷(期)： 23(4) 分类号：X141 关键词：预应力锚索   抗滑桩   设计   软岩  

篇2：软岩高边坡预应力锚索抗滑桩的设计计算

预应力锚索是有效的边坡加固技术,本文从单根错索设计锚固荷载和锚索截面积的`确定、锚索的锚固段长度、锚索加固的整体设计等方面,对预应力锚索加固边坡的设计方法进行分析和探讨.

作 者：吴雯 苏伟 吴展 作者单位：吴雯,苏伟(温州市交通规划设计研究院,浙江,温州,325000)

吴展(温州市高速公路指挥部,浙江,温州,325000)

篇3：软岩高边坡预应力锚索抗滑桩的设计计算

该边坡治理工程位于昆明理工大学白龙校区实验大楼旁,由于新建实验大楼消防通道的需要,在实验大楼后出现开挖陡边坡,由于雨季的地表水和地下水的影响,部分坡体出现变形和坍塌。边坡变形主要发生在人工削坡前缘部位,人工削坡前缘大部分产生严重挤压、开裂,局部变形破坏严重,部分坡体已出现坍塌。但坡体周界无明显开裂和整体活动迹象,据此判断坡体处于蠕动变形、局部滑动阶段,如不及时处治,发展趋势是坡体的整体滑动,不仅威胁、危害实验大楼的安全与正常使用,而且还可能危及边坡上方公路的正常运行。

2 边坡变形特征及成因分析

该边坡变形的显著特征是:变形破坏主要发生在坡脚人工削坡部位,坡面及坡脚渗水严重,但边坡周界及原始坡面上无明显开裂滑动迹象。根据地质调查报告,工程区处于古滇池盆地的边缘,属山麓斜坡堆积地貌。工程区内主要分布的地层为:①人工弃填土层(Qml);②第四系残坡积土层(Qel+dl);③砂质泥岩(∈);坡脚前缘局部有第四系冲洪层(Qal+pl)。工程区地下水埋深较浅,即便在旱季,场地低洼处也见3处～4处出水点流淌,是弱化边坡稳定性的重要因素。根据GB 18306-2001中国地震动参数区划图地震动峰值加速度为0.20g(g为重力加速度),抗震设防烈度为8度。

根据地质调查和研究分析,边坡变形的主要趋势为:1)边坡坡脚开挖后,坡体前缘的阻滑物质被清除,原有的应力平衡被打破,加之地下水较丰富,使边坡处于潜在滑动危险状态;2)在边坡坡脚开挖后,如果坡脚未采取及时支护措施,以抵抗边坡变形带来的下滑力,人工削坡前缘将出现严重变形破坏,部分边坡将出现坍塌。

3 处治方案

为了保证白龙校区实验大楼旁的安全运行,首先必须保证边坡处治方案的可行性、安全可靠性。为此,甲方单位理工大专门邀请组织有关专家进行了论证。

根据边坡物质的物理力学指标,设计计算参数的取值采用工程类比法进行选取。根据该边坡地质情况与此类似的边坡变形机制进行分析研究,该边坡在开挖出现临空面后,其变形机制主要以蠕动变形为主,其在外界诱因下,可能发展为蠕变滑动。根据边坡坡体的变形发展特点及边坡体所处位置的特殊性,边坡治理方案的着重点是:在条件允许的地段,减少边坡开挖,并对开挖面进行及时支护;在边坡开挖较陡的地段,应采取对边坡进行预加固,恢复开挖边坡的应力平衡;对整个防护加固地段,重点进行疏、排水设置,增强边坡的稳定性。

4 处治措施

边坡加固范围主要分为西区和东区两部分,由于西区围墙外为紧靠公路和水渠,为保证消防通道的宽度,削坡度近垂直开挖,坡高约10 m左右,公路附加荷载较大,边坡变形失稳造成的危害较大,宜重点加固。东区边坡相对较低,可采用防护加截排水措施。具体处治措施如下:

1)东区边坡浆砌石挡墙和排水减压措施进行防护;在工程区中部位置,视墙基开挖的客观地质条件,在20 m范围的墙基下增设锚筋桩。在边坡一定范围内设置截水和排水盲沟措施,截、排地表水和坡内潜水,并在出水点附近设置集水减压井,增加边坡的整体稳定性。

2)西区边坡加固,采用预应力锚索抗滑桩板墙+随机深层排水孔的综合治理措施进行预加固,控制边坡蠕动变形,恢复开挖后边坡的应力平衡,达到快速锁定坡体的目的。在坡体底部视地下水的情况设置随机排水孔,疏排坡体地下水,增加边坡的整体稳定性。

5 现场施工管理控制

5.1 工程质量保证体系控制

1)建立质量管理机构,由业主、设计、监理工程师、项目部组成质量管理体系,按如图1所示的质量管理流程进行管理。

2)制定管理科学有效,技术先进实用,服务及时周到的管理机制。对施工人员进行岗前培训,不合格人员不能进行各项施工作业。

5.2 工程施工进度管理控制

1)行政方法:

用行政方法控制进度,是指上级单位及上级领导和本单位的领导,利用其行政地位和权力,通过发布进度指令,进行指导、协调、考核;利用激励、监督督促和使用行政方法等方式进行进度控制。

2)经济方法:

是指有关部门和单位用经济手段对进度控制进行影响,主要有以下几种:建设银行通过投资的投放速度控制工程项目的实施进度,在承发包合同中写进有关工期和进度的条款;建设单位通过招标的进度优惠条件鼓励施工单位加快进度;建设单位通过工期提前奖励和延期罚款实施进度控制,通过物资的供应进行控制等。

3)管理技术方法:

进度控制的管理技术方法主要是规划、控制和协调。所谓规划,就是确定项目的总进度目标和分进度目标;所谓控制,就是在项目进展的全过程中,进行计划进度与实际进度的比较,发现偏离,及时采取措施进行纠正;所谓协调,就是协调参加单位之间的进度关系。

6 施工保证措施

1)加强质量安全生产教育,确保施工安全生产;坚持每两周一次的生产例会。贯彻“预防为主,安全第一”的方针,纠正习惯性违章,杜绝违章指挥和违章作业,确保国家财产、人身、机械设备安全。特殊工作如机械设备操作人员、电工、现场指挥人员等须受培训,持安全上岗证上岗。

2)强化现场安全保卫工作,加强民工管理,杜绝打架斗殴事件的发生;配合当地公安机关搞好劳务人员管理工作,遵守当地规章制度。

3)安全工作实行目标管理,责任到人,落实到班组,定期进行检查评比,对安全生产、文明施工搞得好的集体和个人给予奖励。

4)按照“三不放过”的原则处理安全事故,定期或不定期地召开质量安全会议,对不合格项目限期整改。

7 环境保护措施

1)遵守国家有关环保的法律法规,接受环保部门的监督和检查,对施工人员进行环保教育,增强环保意识。2)在合同规定的施工活动界限之外的植物、树木,必须维持原状。除业主另有特别许可,否则不得将有害物质(如油料、弃渣等)污染土地。3)生产过程中的废料、生活垃圾需设集中堆放场,并定期运到业主指定地点堆放。4)工程弃渣运至专门指定的弃渣场堆放。5)在工程完工后,拆除一切必须拆除的施工临时设施和临时生活设施,并应做好水土保持和环境保护工作。6)认真维护场地周围的公共卫生。7)施工“三废”及噪声防治措施。

8 结语

1)该工程完工后到目前已经运行近1年,从目前的观测情况分析,加固效果良好,已达到处治目的。

2)出险加固工程属风险性较大的项目,在工程地质条件较复杂的情况下,除了必须有安全可靠的设计方案外,施工前制定切实可行的施工管理措施是保证项目顺利实施的前提条件。

3)由于岩土工程的特殊性,有时勘探工作并不能把区域内的所有岩土工程问题查清(特别是针对抢险工程),在这种情况下应实事求是根据施工过程中工程地质条件的新变化,及时组织各有关部门研究解决。实际上,岩土工程施工其本质就是信息化施工,随着施工过程中工程地质条件的新变化,不断地对设计和施工做出调整和优化。

4)对于地质灾害出险加固工程,施工管理工作不能墨守成规,应大胆地采用新技术和新工艺,并辅助于一定的检测手段,验证设计的客观性。在施工过程中可以选择有代表性的锚索孔作为先导孔进行地质编录,对岩芯进行鉴定,以保证工程措施安全、合理。

摘要：通过工程实践,对边坡变形特征及成因进行了分析,论述了抗滑桩、预应力锚索等加固措施在综合治理病害边坡工程中的应用及工程管理经验,对类似病害工程的处治提出了可供借鉴的建议。

关键词：边坡,抗滑桩,预应力锚索,施工管理

参考文献

[1]赵明阶,何光春.边坡工程处治技术[M].北京:人民交通出版社,2003.

[2]刘伟.工程质量管理与系统控制[M].武汉:武汉大学出版社,2004.1.

[3]王英贤.施工安全技术与管理[M].北京:冶金工业出版社,1989.6.

篇4：软岩高边坡预应力锚索抗滑桩的设计计算

摘要：松散堆积体边坡是一种较为特殊类型的边坡，治理难度大，而预应力锚索是边坡支护中常用的、经济有效的方法。由此，锚索参数设计显得相当重要。基于前人研究成果基础上，对预应力锚索设计参数进行了系统地归纳和总结，重点分析了堆积体边坡锚索参数设计。分析认为，锚索参数设计主要集中在内锚固段长度、锚固角、锚固间排距等7个方面，每个参数设计都不可忽略。案例分析得知，理论计算得到的锚固支护参数与实际值较为吻合。

关键词：松散堆积体；预应力锚索；支护；参数设计

中图分类号：TP393

文献标志码：A

文章编号：1672-1098（2016）04-0001-05

堆积体是我国西南地区普遍发育的一种地形地貌，属于第四系堆积作用形成的地质体。在水利水电、铁路、公路等工程建设领域中，常会遇到一些大型的堆积体边坡。自然状态下，堆积体边坡通常处于临界状态，一旦这种临界条件发生改变，就会造成边坡失稳。在治理边坡失稳的支护结构中，预应力锚索是一种非常有效的、经济的、常用的支护结构形式，在堆积体边坡治理过程中也不例外。

对于预应力锚索参数的设计研究较多，主要集中于内锚固段长度，锚固角（锚固倾角），锚固间、排距，等三个方面的研究。根据前人研究可知，人们对于锚固支护参数的研究一般局限于某一个或几个方面的研究；且没有进行系统的、全面的分析和研究。此外，前人对于锚索参数的设计研究也多倾向于岩质边坡，对于堆积体边坡锚固参数的设计研究相对较少。本文以堆积体边坡为研究对象，从锚索支护的6项参数人手，系统和全面地分析如何进行锚索参数的设计。旨在总结前人研究成果、积累经验，为后期的研究提供依据、为堆积体锚索的设计、施工提供参考和借鉴。

1.参数设计关键影响因素

锚索加固堆积体边坡的目的和加固其他类型边坡的目的一致，即是改变堆积体的变形特性，增加其综合强度。然而，堆积体边坡与一般类型的边坡不一样，有其特殊性。一般地，堆积体边坡的结构具有双层结构，即上伏堆积体和下伏基岩。上伏堆积体一般比较松散，多孔隙；下伏基岩一般比较致密；在上伏堆积体和下伏基岩之间常常分布一薄夹层（坡积层或洪积层），该接触带夹层往往形成潜在的滑移面。所以，可以从堆积体结构和加固目的等方面来分析影响堆积体边坡锚索参数设计的影响因素。

1.l基岩的性质

岩体的强度决定了岩体与锚固体间的粘结强度，粘结强度是决定内锚固段长度的重要因素；同时，岩体强度也决定了施加预应力大小，岩体强度越高，锚下岩体承载力越大，岩体的变形越小，预应力长期稳定性越高。

1.2堆积体的性质

堆积体的组成、厚度和透水性等方面是工程设计与施工中必须要考虑的问题，它们也是影响锚索设计参数的重要因素之一。堆积体的组成不同，其密实性也有所不同；堆积体的厚度直接影响到锚索的设计长度，也会影响到该类边坡的稳定性；水是工程边坡的一个不利的影响因素，堆积体的透水性与否也会诱导该类边坡是否会发生失稳。

1.3堆积体边坡被加固安全系数

预应力锚索可以在很大程度上提高边坡的安全稳定性系数。而被加固边坡安全系数要求越高，安全储备越大，边坡稳定性越好；相应地，由此引发的工程量也越大。然而，在实际工程的设计与施工过程中，人们不可能一味地提高边坡工程的安全等级，还要考虑到工程的经济性和合理性问题。

2.参数设计

2.1内锚固段长度

内锚固段长度一般有两部分组成：即有效长度和安全储备长度。锚索工程设计中，锚固段长度设计是关键问题之一，而锚固段中剪应力分布是影响锚固段长度的最主要因素。目前，仍然以这种剪应力在锚固段中平均分布来设计锚固段长度，该计算方法显然不够合理。鉴于此，很多学者都对内锚段长度进行了研究。研究结果表明，预应力锚索锚固段的受力范围较短，在靠近自由段处应力较大，沿锚根方向应力迅速衰减。锚固段的剪应力在靠近顶端（自由段与锚固段分界端点）的一侧取得最大值，剪应力的一般分布规律为先逐渐快速上升后再逐渐下降的曲线。

由此可知，提高锚固效果应增加有效的锚固面积或分散锚固段前端的集中应力。内锚段长度设计中，要考虑索体与锚固体之间、锚固体与岩土体之问的粘结强度，当然，群锚设计中还要考虑相邻锚索之间的相互影响，这在锚索间、排距部分再进行阐述。

2.2

锚固角（锚固倾角）

设锚索的水平倾角为θ，工程上通常把θ称为锚固角（见图1）。按照最大抗滑力与最小投资时锚固角为最优锚固角的优化设计方法，可获得最优锚固角：θ=π/4+ψ/2-α。其中，α为滑动面的倾角；ψ为滑动面的内摩擦角。

实际钻孔时，可通过校正和调整钻机的钻杆倾角（钻孔倾角）来控制锚固角；根据设计需要，在终孔验孔时还要进行锚索孔的测斜，其中一项是检查锚固角是否达到设计要求。

2.3锚索间、排距

锚固间、排距的大小不仅取决于被加固岩土体的范围，还与加固荷载的大小及与锚索内锚固段应力叠加相应的锚固间最小距离有关。被加固岩土体在预应力锚索作用下，会在岩土体坡面形成压应力，在内锚段形成拉应力。因此，在进行锚固间、排距设计时，应尽量使外锚墩下岩土体在张拉荷载作用下所产生的压应力能够搭接而又不能使内锚段形成统一的拉裂面。实际工程中，锚固间、排距可以通过理论公式确定，也可以应用数值模拟方法确定。不过最好的方法还是把理论公式、数值模拟方法、工程经验和现场试验方法结合起来进行设计可能更合理一些。

2.4锚固方位角

根据《水电水利工程预应力锚索施工规范》¨引，锚固方位角误差应小于或等于3。。其实，锚固方位角是一项比较细小的工程问题，通常被人们所忽略。一般认为，锚索孔均与坡面走向线垂直，其实不然。例如，坡面走向线为曲线时，锚固方位与坡面走向可能斜交（见图2）。锚索孔方位角的设计不仅与岩层结构面的走向、倾向等有关，还要考虑到实际施工中可能出现的问题，种种因素决定锚索孔方位角与坡面走向的垂线方向不一致。实际工程中，为避免锚固方位角出现错误，一般用GPS等仪器标出方位角，由两点控制（孔位点和孔位外任意一点）；钻孔时，可用地质罗盘校正钻机的方位来控制锚固方位角。

2.5锚索全长

锚索总长由锚索自由段、张拉段和外露段长度组成；而文献和则认为，锚索总长由孔深、锚墩厚度和张拉用索体长度组成（钢绞线下料长度）。虽然两种观点是一致的，但本人作者则倾向于后一种观点，因为该观点更具有可操作性和鲜明性。值得一提的是，对于堆积体锚索而言，锚墩厚度一般都较大，与岩锚锚墩厚度差别很大；而张拉用索体长度必须大于或等于张拉用千斤顶体长、工作（工具）锚厚度和工作（工具）夹片长度三者之和。在进行堆积体顸应力锚索孔深设计时，锚索必须要穿过堆积体厚度并深入到完整的基岩中。

2.6锚固力、每束锚索所需钢绞线根数与锚孔直径

锚固力的设计可参考《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）进行。其计算原理是把锚作用力简化为作用于坡面上的一个集中力，锚固力计算简图如图3所示。按照规范，设计锚固力是根据边坡不稳定力（下滑力）确定，其计算公式为

每束锚索所需钢绞线根数与锚索孔直径是由锚固力大小来设定的，一般地，锚固力越大，锚孔直径也越大、所需钢绞线根数也越多。具体地，锚孔直径、每束锚索所需钢绞线根数的设计值要根据锚索体的截面积来确定，也即锚索孔横截面积应大于等于锚索体截面积或锚索孔径应大于等于锚索体的直径；而钢绞线根数和锚索体截面积可以根据如下计算公式确定：

3.案例分析

小湾电站位于云南省大理自治州南涧县与临沧地区凤庆县交界处的澜沧江中段河段，是澜沧江中下游河段上第二座梯级电站。堆积体边坡是小湾边坡工程中的一种典型边坡，堆积体边坡可能存在的失稳滑动面位于堆积体与基岩的接触面附近。根据相关文献，堆积体边坡可能滑动面的倾角和堆积体与基岩之间的接触面倾角一致，即倾角大约为45°；潜在滑动面的内摩擦角为25°～40°，平均内摩擦角为30°；该堆积体边坡预应力锚索内锚固段长度设计值：设计吨位为1000kN的锚索内锚固段长为4～6m（实际值8m），而1800kN的锚索内锚段长为5～8m（实际值10m）；群锚间距×排距设计值为5m×4m。此外，根据现场锚索施工获悉：锚索的水平倾角为12°左右；锚索体材料抗拉强度f_ptk=1860MPa，单根钢绞线截面积A=140mm²，设计锚固力T_w=1000kN的锚索所需钢绞线的根数为7根。

根据上述所列出的部分参数，现对堆积体锚索主要设计参数进行对比分析如下：

（1）内锚固段长内锚固段长度过长，会造成不必要的浪费；长度过短又达不到锚固效果。根据前文所述，内锚固段长度一般由有效长度和安全储备长度组成，而事实上内锚固段长主要取决于有效长度。故此，笔者主要对锚固的有效长度进行了分析研究。通过锚固段轴力、剪应力延伸范围的模拟计算结果与试验（测试）结果的对比可知（见表1），小湾电站堆积体边坡预应力锚索内锚固段长度：1000kN和1800kN吨位的锚索，内锚固段有效长度分别为1.5m和3.5 m即可满足要求。而1000kN和1800kN锚索内锚段长度的设计值为4～6m（实际取值8m）和5～8m（实际取值10m）。

（2）锚固角小湾电站堆积体边坡锚索的锚固角一般为12°；同时根据文献，该边坡的潜在滑动面倾角大约为45°、内摩擦角为25°-40°（平均值为30°）。根据前文的最优锚固角公式：θ=π/4+ψ/2-α，可计算出θ=15°（平均值）。由此可知，案例中的设计锚固角与最优锚固角虽存在差异，但两者的数值又较为接近。

（3）锚固间、排距群锚设计与施工时，锚固间、排距是必须要考虑的支护设计参数之一。锚固间、排距之间的距离过近，将导致锚固的群锚效应，严重的会造成锚固失效；而锚固间、排距的距离过远，又可能起不到联合支护的作用。尤其是松散堆积体，合理的间、排距设计往往起到事半功倍的作用。

数值模拟研究时发现（见图4），锚固间、排距为5m时较为合理。锚固间、排距为4m时，坡面形成的压应力叠加区域有利于边坡稳定，但同时在内锚段又可能产生拉应力的叠加区域，该拉应力叠加区域可能会导致内锚段岩体遭受破坏，严重的会导致锚固失效。然而，锚固间、排距增大到5m时，既会在坡面形成人们期望的压应力叠加区域，又不会在内锚段形成拉应力叠加区域，这正是预应力锚索设计与施工所期望达到的效果。故此认为，堆积体边坡预应力锚索的设计间、排距以5m为宜。案例中的群锚间距×排距设计值为5m×4m，与研究较为吻合。

由以上计算可知，该设计锚索可使用7-8根钢绞线较为合理；而案例中，1000kN锚索所使用的钢绞线的根数为7根。由此，该设计计算较为合理，其他锚索可依此计算公式进行设计计算。

4.结语

预应力锚索是松散堆积体边坡支护中的一种重要的支护手段，锚索参数设计的好坏将直接影响到锚索的锚固效果，也势必会影响到整个边坡工程的稳定性。

篇5：软岩高边坡预应力锚索抗滑桩的设计计算

关键词：预应力锚索,抗滑桩,格构梁,边坡加固

0 引言

在人类工程和社会活动中, 边坡是主要几个地质环境之一, 也是较为常见的工程形式。在边坡治理措施中, 预应力锚索、抗滑桩以及格构梁等[1]较为常见, 实际工程中, 为提高加固效果, 在边坡加固中经常采用预应力锚索、抗滑桩、格构梁等其中的几种结构进行组合。根据目前已经使用的将预应力锚索、抗滑桩和格构梁组合形成的复合结构, 通过对组合后形成的复合结构中三者的变形协调进行理论上分析, 再结合有限元软件计算结果, 总结出一些有利于工程应用的结论[2]。

1 复合结构变形协调理论计算方法

预应力锚索、抗滑桩、格构梁组合后结构的理论设计中, 其位移变形情况如图1所示。

考虑桩-锚变形协调理论[3,4,5,6,7], 滑动面以上桩位移为:

其中:xy0为桩0点处水平位移;φ0为抗滑桩0点处转角;Δiq为作用于第i根锚索处桩的滑坡推力所产生的水平位移;hi为第i根锚索距离滑坡面的距离;Δij为锚索拉力Ni水平分量作用在第j根锚索的水平位移, Δij=Njcosαiδij (αi为第i根锚索入射角度, δij锚索拉力Ni水平分量作用在第j根锚索的水平位移系数) ;q、q0分别为滑坡推力或岩土压力在桩顶端和滑动面处的水平分量。

欲分析上述复合结构位移变形情况, 需作如下假设。

假设在计算中, 桩身产生的挠曲变形不对锚索的变形产生影响, 那么在预应力作用下, 根据胡克定律可知, 第i锚索的弹性变形Δli为:

式中, Δli—锚索弹性变形位移量, Ni—锚索拉力, Ni0—锚索初始应力, Eg—锚索的弹性模量, δi—锚索的揉度系数, li—锚索自由段长度与1/3锚固段长度之和, Ai—锚索的横截面积。

格构梁的计算理论为弹性地基梁模型, 即假设地基上任何一点所受的压应力值与该点的地基沉降值成正比[8,9], 即有关系式为

假设格构梁在锚杆拉力作用下整体位移为y, 此位移对第i根锚索处桩的水平位移影响值为yxi:

式中:ω—坡角值;H—桩悬臂长度;k—基床系数。

可由锚索-抗滑桩的变形协调理论, 预应力锚索抗滑桩—格构梁考虑变形协调条件, 则锚索伸长量Δli、锚索所在桩的水平位移xhi以及格构梁在桩顶处的水平位移yxi存在变形协调关系:Δli+yxi=xhi·cosαi。

由理论分析可知, 相同条件下, 考虑复合结构变形协调, 对降低抗滑桩的桩身所产生的位移变形效果更明显。

2 复合结构加固边坡效果分析

2.1 建立有限元模型

根据某工程资料[10], 选择滑坡断面。图2中根据对称性, 选择阴影部分进行单元建模分析, 如图3所示。建立边坡体的尺寸为:坡高12m, 坡率为1:1;坡前、坡后分别为8m、15m;边坡体采用摩尔-库仑弹塑性本构模型, 具体参数数值见表1、2。

2.2 数据分析

图4中表示为边坡支护前以及单独结构和复合结构加固后的安全系数对比情况。从图中可知, 因边坡的安全系数约为0.85, 故而边坡在未进行加固前不稳定, 易发生滑坡灾害;利用两种不同情况的支护结构, 对边坡加固后, 边坡的安全系数均提高到1.2以上, 坡体相对比较稳定, 不易发生滑坡灾害。但较单独结构而言, 复合结构加固后的边坡安全系数更高, 安全系数值能达约1.8。说明复合结构的加固效果更佳。 (文中的单独结构为不考虑锚索、抗滑桩、格构梁互相之间影响的结构;复合结构则是考虑锚索、抗滑桩、格构梁相互之间变形协调影响的结构。)

图5、6中, 土体塑性区主要在格构梁作用的周围区域内, 单独结构格构梁下的土体压缩变形比复合结构时的土体压缩变形更明显, 塑性区发展深度更深, 这是由于复合结构中格构梁作为框箍增强边坡稳定性;正是因为桩与格构梁的相互影响使得在复合结构塑性等值线云图中发现桩顶以下小范围内出现塑性变形土体。

图7和图8为桩间水平位移等值线图。从图中能够得知, 未考虑变形协调情况下的桩间土体变形趋势向x轴负方向 (x轴负向为滑坡破坏方向) 发展明显, 说明此时格构梁对边坡的框箍作用不明显, 桩间土体已出现自桩间挤出;复合结构桩间土体等值线图中部曲线弯曲并未完全趋向x轴负方向, 说明此种条件下格构梁框箍作用显著, 利于边坡土体稳定。

图9为将单独结构和复合结构两种情况下桩身所受水平剪应力的分布情况进行比较。结果表明, 两种结构下的剪应力分布曲线形状存在差异。复合结构的第二个剪力为零点出现在桩顶以下大约10.5m处, 单独结构则出现在12.5m左右的地方, 相比之下, 复合结构的桩锚固深度较单独结构情况下更深。剪应力为负代表桩所受剪力为滑坡下滑方向。

图10为两种结构的桩身弯矩随桩埋深的分布情况。从图中看出, 在相同锚索 (杆) 拉力作用下, 复合结构的弯矩值更大, 弯矩为正值说明是桩前受拉, 即桩的抵抗弯矩更大。由此看出, 复合结构较单独结构情况, 能承受更大的滑坡推力;相同滑坡推力情况下, 可适当降低复合结构的锚索设计拉力值。这也佐证了第二章变形协调下计算锚索拉力时, 复合结构得到锚索拉力更小的结论。

图11锚杆从距离桩顶0m变化到距离桩顶3m, 因桩顶处缺少锚索拉力的约束, 致使桩顶负弯矩愈加变大;锚杆锚固位置以下, 桩身弯矩因锚杆拉力作用而有所降低, 故在预应力锚索抗滑桩-格构梁复合结构中, 桩上锚索的位置可选在桩顶处。

结合上述分析, 在进行预应力锚索抗滑桩-格构梁复合结构设计中, 抗滑桩上的锚杆入射角度选为30度较为适宜, 锚索位置设置在桩顶处。

图12为当锚杆拉力值设计区间控制在在100~400k N时, 桩身的弯矩分布变化图, 当设计值取为250k N时, 桩身弯矩分布相对比较均匀, 正、负弯矩值亦不会过大, 此时桩间土体亦未发生明显绕流流失;锚杆拉力过小则桩承受的负弯矩过大且不利于桩间土体稳固, 拉力过大虽不使桩间土体绕流, 但桩的正弯矩过大, 造成支护结构受自身力作用过大不利于工程应用。图中负弯矩为桩后受拉, 正弯矩为桩前受拉。

3 结论

从数值模拟结果分析可知, 复合结构相对于单独结构, 其对边坡加固效果更稳定一些, 提高边坡的安全性;就复合结构中的锚索入射角度控制在30度左右为宜, 锚杆预应力控制在200~250k N时, 抗滑桩桩身弯矩相对较小, 沿桩身分布更为合理, 在工程应用中可适当减少桩的配筋或桩径以达到降低工程造价的目的。

参考文献

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篇6：软岩高边坡预应力锚索抗滑桩的设计计算

某工程沿线地质条件复杂, 岩体风化厚度及变化幅度较大, 高路堑边坡有246处。边坡设计在利用工程地质勘探资料的同时, 广泛收集路段区域地质资料, 针对组成高边坡的几种典型地层进行小区域地质调绘, 运用工程地质比拟与数值分析等方法, 通过多方面技术经济比较, 确定对不稳定的高边坡采用预应力锚索地梁或框架加固处治方案。全段共有七处边坡采用锚索地梁或框架加固, 实践证明, 预应力锚索加固高边坡, 具有安全经济的特点。为保证公路修建的安全性, 防止地质灾害的发生, 拟对最下边的两级边坡采取预应力锚索与框架梁相结合的加固方式进行加固。

2 高边坡设计原则及稳定性分析

2.1 高边坡设计原则

高边坡加固设计遵循“一次根治, 不留后患”的原则, 以稳定为本, 加固为主, 排水、防护并重的综合处理, 确保施工中的临时稳定和通车后的长期稳定。

2.2 高边坡稳定性分析方法

高边坡稳定性目前主要采用两种方法分析:极限平衡法、有限元法。极限平衡法是把滑动岩体作为刚体, 根据静力平衡条件和摩尔——库仑准则计算其稳定安全系数。有限元法则把岩体当作变形体, 按照岩体变形特性, 计算岩体内的应力分布, 然后再根据摩尔——库仑强度理论, 验算坡体整体抗滑稳定性。

根据以上两种方法, 在实际工作中又派生出了:条分法和不平衡推力传递法。同时利用场地当前边坡稳定状态, 结合试验数据和经验数值反求主滑带, 确定坡体滑动带指标。

工程措施紧密结合边坡的工程地质条件, 尤其是倾向临空面的不利结构面及地层结构、构造、风化程度、含水状况及滑坡、坍塌等不良地质现象等因素。

3 预应力锚索的构造及原理

预应力锚索主要由锚固段、自由段和外锚固段构成, 外锚固段由混凝土框架地梁及锚具组成, 见图1。预应力锚索采用270级高强度低松弛钢绞线制作, 钢绞线应除锈除污。自由段钢绞线涂抹黄油, 作防锈处理后再外加PVC管。为确保钢绞线顺直, 在锚固段每隔lm间隔设置架线环与紧箍环, 自由段每隔2m间隔设置架线环与紧箍环。

锚固段作为提供锚索抗拔力的基本地段, 应置于潜在滑动面以下的稳定岩体中, 通过灌注水泥浆将钢绞线与稳定岩体连为整体以提供抗拔力。锚固段长度及钢绞线与砂浆握裹力、砂浆与岩体的结合力决定锚索抗拔力的大小。

自由段为将锚固段预应力传递至外锚固段的段落, 并通过外套PVC管, 使钢绞线与砂浆隔离自由变形, 自由段长度应穿过滑动带。

4 设计锚固力的确定

设计锚固力是根据边坡开挖后临空坡体的下滑力大小, 由下式确定。

式中F——坡体总下滑力;

θ——坡面与水平面夹角;

φ——滑坡体内摩擦角。

根据总锚固力确定预应力锚索根数和单根锚索的设计锚固力, 设计锚固力应具有足够的安全系数, 使每根锚索的锚固力控制在容许锚固力范围之内。

5 工艺流程

锚索框架施工分片进行, 每10m横梁及其间的两根竖肋组成一片框架, 每片框架的施工工序为:测放孔位一钻孔一锚索制安一注浆一挖槽一支模一绑扎钢筋一浇注砼框架一养护一张拉锁定一框架空格内浆砌片石。

5.1 钻孔

钻孔在锚索施工中是影响工程费用和工期的关键因素, 施工中, 首先用经纬仪定出锚索孔位, 然后采用QZJ-100B潜孔钻机钻孔:将钻机固定在脚手架上并用测角仪调整倾角, 保证钻孔向下倾斜, 倾角在。25°±2范围内, 另外水平、垂直方向偏差不得超过±10cm, 以保证砼框架梁施工时的顺直。考虑沉渣的影响, 实际钻孔深度比设计孔深增加lm以确保锚索安装的长度, 孔径110mm, 孔深21～26m。在钻孔结束后要用高压风吹洗钻孔, 清除孔内的岩粉和泥屑。在钻进过程中为保证地层的稳定性要采用无水钻进施工, 另外遇到塌孔时立即停钻并采取固壁灌浆技术进行处理:将搅拌好的纯水泥浆 (水灰比0.45:1) 通过灰浆泵压人孔内, 注浆压力不小于0.2MPa, 使水泥浆渗透到裂隙或破碎带内。一般注浆36小时后可重新开始钻进。

对正好在断层中间而地层十分破碎的孔位, 固壁灌浆技术也难以解决塌孔问题时, 我们对其中32个孔采用跟管钻进技术进行处理, 跟管钻进671.70m, 钻孔效率和钻孔质量都比较好。钻孔完成并清洗干净后, 用编织袋对孔口进行暂时封堵, 防止碎屑、杂物掉人孔内。

5.2 锚索制作与安装

在钻孔的同时于现场制作锚索。选用天津第二预应力钢丝有限公司生产的钢绞线, 按照锚索长度=锚固段长度+自由段长度+张拉预留长度 (2m) 进行下料, 钢绞线调直后用砂轮切割机切割, 然后将其平顺的放在作业架上。首先对锚固段 (长度为10m) 除锈、除油污, 每隔2m安放一个对中隔离支架, 并在两对中支架间扎紧固环一道, 以提高锚索表面与水泥砂浆的粘结力;然后对自由段 (长度有15m、13m、10m) 除锈, 涂抹黄油后立即外套18mm的波纹管, 两端用铁丝扎紧并缠封电工胶布以防锚索安装时波纹管前后滑动, 自由段每隔3m穿一对中支架, 使5根钢绞线不相互交叉;最后在锚索端头套上加工好的导向帽, 并将其与锚索焊接, 插上注浆管后进行编号, 使其与孔位相对应。钻孔完成并清孔后将对应的锚索缓缓送入孔内, 应避免波纹管磨损漏浆。

5.3 注浆

注浆是锚索施工中最为关键的工序之一, 其效果的好坏直接影响到锚索的锚固性能和永久性。锚索安装就位后开始注浆, 采用UBJ-1.8灰浆泵向孔内灌注M30水泥砂浆, 选用525号普硅水泥和当地产干净中砂, 按照水灰比0.4-0.45:1, 灰砂比1:1配料搅拌, 搅拌时间不少于2分钟。采用从孔底到孔口返浆式注浆方法, 注浆压力不小于O.25MPa, 一边注浆一边向外拔注浆管, 注浆管应始终有一段埋于砂浆中, 注浆管拔出后及时清洗准备下次再用, 注意等孔内水泥砂浆沉淀后及时补注浆液。

5.4 浇注砼框架梁

框架梁作为重要的承压构件, 其作用有三:一是起挡土墙作用;二是把预应力锚索承受的集中荷载传递到岩面上;三是调整岩石表面的受力方向。施工时分四步进行:首先沿坡面开凿出深20cm, 宽50cm的槽子, 接着在槽内支设钢模板, 然后加工绑扎钢筋, 最后浇注砼。浇注前对每一束锚索要预埋QM锚垫板和孔口PVC管, 浇注时横梁与竖肋的交叉处要多加振捣, 确保密实。框架梁浇注分片进行, 每片包括两根竖梁及其所连接的10m横梁, 两片框架之间设2cm的伸缝, 内填沥青木板。

5.5 张拉

框架梁施工完成并养护好以后可以开始张拉。首先将张拉设备送到福州市计量测试所中心试验室进行标定, 得到一份标定结果。据此绘出反映千斤顶出力F (1 (N) 和压力表指示的压强P (MPa) 之间关系的F-p曲线, 作为张拉时的依据。采用整体分级张拉方法, 按照设计荷载500kN的0.25、0.5、0.75、1.0、1.1倍逐级进行加载, 前四级各稳定5分钟, 第五级稳定l0-20分钟, 在每一级稳定时间内测读锚头位移三次, 并分别记录钢绞线的伸长量, 当最后一级荷载张拉到变形稳定时, 卸荷至锁定荷载400kN并锁定锚索, 切除孔外多余的钢绞线, 并用C25砼及时封闭锚头坑。

5.6 浆砌片石

对于框架梁中间的空格用浆砌片石来填补, 使其与梁平顺, 每隔12m设置一道伸缩缝, 每隔3m设置一泄水孔, 呈梅花型布设。

通过几年的运营使用证明, 预应力锚索技术处理高边坡, 安全、可靠。与其他边坡处治措施相比, 具有主动受压抗滑、双向受力变形小、布置灵活施工速度快、投资省等优点。

摘要：本文通过对高速公路高边坡加固处理实践, 介绍了预应力锚索体系加固设计原理和施工方法。