（岩土工程专业论文）预应力锚索框架的作用机理及工程效果评价.pdf

中文摘要 摘要：预应力锚索框架是随着预应力锚索技术在滑坡治理和边坡加固工程中大量 应用而发展起来的一种新型支挡结构形式。随着我国交通事业的发展，高等级公 路边坡病害问题尤为突出，预应力锚索框架在公路高边坡的治理中发挥了越来越 重要的作用，它具有造价低廉、施工方便，加固效果显著和使用面广等优点。但 是，目前预应力锚索框架实践超前于理论，其作用机理和工程效果有待于进一步 探索和分析。 本文结合西部交通建设科技项目元磨高速公路边坡病害群工程效果评价及 应对措施研究，主要研究内容如下： 1 在查阅相关文献资料的基础上，介绍了预应力锚索框架的几种理论计算方 法，并将其相互比较，给出预应力锚索框架合理的计算方法，并在现场试验中验 证方法的可靠性； 芝选择三个预应力锚索框架加固边坡的典型工点，进行现场原型试验，并对其 中一个工点的进行了重点介绍，研究锚索拉力、框架内力和地基抗力等变化规律， 进而研究预应力锚索框架的作用机理，并为预应力锚索框架加固边坡工程效果评 价提供依据； 3 选择典型工点对预应力锚索框架采用有限元强度折减法进行数值模拟，验证 了预应力锚索框架加固边坡的有效性； 4 提出预应力锚索框架工程效果的评价标准及方法，并选择了典型工点，对预 应力锚索加固的效果进行了评价，为以后相关边坡工程效果的评价提供借鉴。 关键词：预应力锚索框架； 原型试验；有限元强度折减法：工程效果评价； 分类号： a bs t r a c t a b s t r a c t ：p r e s t r e s s e da n c h o rc a b l es a s hi san e wf o r mo fs u p p o r ts t r u c t u r e w i t ht h el a r g e - s c a l ea p p l i c a t i o no fp r e s t r e s s e dc a b l et e c h n o l o g yi nt h el a n d s l i d e g o v e r n a n c ea n ds l o p er e i n f o r c e m e n tp r o j e c t w i t ht h ed e v e l o p m e n t o fc h i n a st r a n s p o r t ， t h ei s s u e so fh i g h w a ys l o p ed i s e a s ei se s p e c i a l l yo u t s t a n d i n g , a n dp r e s t r e s s e da n c h o r c a b l es a s hh a sp l a y e dam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ew i t ha d v a n t a g e so fc h e a p ， c o n v e n i e n tf o rc o n s t r u c t i o n ，r e i n f o r c e m e n to fn o t a b l er e s u l t sa n d u s eo fw i d er a n g e b u t ， t h ep r a c t i c eo fp r e s t r e s s e da n c h o rc a b l es a s hi sa h e a do ft h e o r ya tp r e s e n t ，a n dt h e m e c h a n i s ma n de n g i n e e r i n gr e s u l t sa r et ob ef u r t h e re x p l o r e da n da n a l y z e d t h i st h e s i sb a s e do nt h es u b j e c to fs t u d yo nt h ee f f e c te s t i m a t eo fs l o p e ss u p p o r t a n dt h em e t h o d si ny u a n m oe x p r e s s w a yo fw e s t e r nt r a n s p o r t a t i o nc o n s t r u c t i o np r o j e c t s t h ec o n t e n t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w ： 1 b a s e do nt h er e l e v a n ti n f o r m a t i o ni nt h el i t e r a t u r e ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e ds e v e r a l t y p e so fm e t h o d so ft h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nw h i c ha l ee x i s t e da n dc o m m o n ；c o m p a r e d w i t ht h e s em e t h o d s ，w eg i v et h er e a s o n a b l em e t h o do fp r e s t r e s s e da n c h o rc a b l es a s h ， a n dt h r o u g hb yt h ef i l e dt e s t s ，w ev e r i f i c a t et h er e l i a b i l i t yo ft h em e t h o d 2 c h o o s i n gt h r e et y p i c a lu n s t a b l es l o p e sw h i c ha r es u p p o r t e db yp r e s t r e s s e d a n c h o rc a b l es a s h ，w ec a r r i e do nf i e l dt e s t s i nt h e s et e s t s ，w er e s e a r c h e dt h ed i s t r i b u t i o n o fi n t e r n a lf o r c ei nb e a m sa n dv e r t i c a lf i n ，t h es i z ea n dd i s t r i b u t i o no fr e s i s t a n c eo f f o u n d a t i o n ，t h er u l e so fl o s so fa n c h o rp r e s t r e s s e d ，a n dt h em e c h a n i s mo fp r e s t r e s s e d a n c h o rc a b l es a s h ，a l lo ft h e s ep r o v i d eb a s i sf o rt h er e s e a r c ho ft h ee v a l u a t i o no f p r e s t r e s s e da n c h o rc a b l e s a s h 3 c h o o s i n gat y p i c a lu n s t a b l es l o p e ，w eb u i l tad i g i t a lm o d e lw i t ht h em e t h o do f f i n i t ee l e m e n ts t r e n g t hr e d u c t i o n , a n dt h e nw ec a nh a v eav e r i f i c a t i o no ft h et e s t s 4 t h r o u g ho nt h er e s e a r c ho fe v a l u a t i o no fe n g i n e e r i n ge f f e c t i ns l o p e s ，w e p r o p o s e de v a l u a t i o nc r i t e r i aa n dm e t h o d so fe n g i n e e r i n gr e s u l t s i np r e s t r e s s e da n c h o r c a b l es a s h ，a n dw ec h o s et y p i c a ls l o p et h a ts u p p o r t e db yp r e s t r e s s e da n c h o rc a b l es a s h t om a d ea ne v a l u a t i o n a l lo f t h e s ep r o v i d er e f e r e n c ef o rr e l a t e ds l o p et r e a t m e n tp r o j e c t k e y w o r d s ：p r e s t r e s s e da n c h o rc a b l es a s h ；f i e l dt e s t ；f i n i t e e l e m e n ts t r e n g t h r e d u c t i o n ；e v a l u a t i o no fe n g i n e e r i n ge f f e c t c l a s s n o ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：厉墙彳主 签字日期：砷唱年莎月7 日 导师签名：渺吩 签字日期：硼年6 月c 7 日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：历翰准 签字日期： 矽矿8 年易月9 同 致谢 衷心感谢导师崔江余副教授对本论文的精心指导。在两年的硕士研究生学习 期间，崔老师给予了我多次参加工程实践的机会，使我的学术水平有了很大的提 高，同时也积累了一定的工程实践经验。崔老师严谨的治学态度和高尚的敬业精 神将是我永远学习的榜样。 特别感谢中国铁道科学研究院铁道建筑研究所张玉芳研究员对本论文的大力 支持和帮助，感谢铁道科学研究院王荣在编程方面对本人的帮助，感谢刘宝奎对 本论文的帮助。 感谢二十多年来，我的父母和亲人对我的支持和无微不至的关怀，因为他们 的支持，我才能得以顺利完成学业，在此，向他们表示深深的感谢! 感谢硕士研究生期间给过我帮助的各位老师和朋友们! 最后，我要感谢评阅论文和出席学位论文答辩的各位专家、教授，感谢你们 在百忙之中给予的指导! 1 1 问题的提出 1 绪论 边坡是自然斜坡和人工边坡的统称，是入类生存及工程活动最常见的自然地质环 境之一。边坡工程是工程建设过程中一个古老而常新的问题，边坡失稳引起的滑坡地 质灾害，常常中断交通，堵塞河道，摧毁厂矿，掩埋村镇，给人民的生命财产造成重 大损失，因此，国际上将滑坡、泥石流和火山、地震并列为三大全球性地质灾害。随 着我国西部大开发战略的实施，主要分布在我国西南和西北地区的大量滑坡，引起了 人们的广泛重视。 预应力锚索框架是随着预应力锚索技术在滑坡治理和边坡加固过程中大量应用而 发展起来的一种新型支挡结构形式。它利用了预应力锚索抗滑，框架作为承力和传力 构件的特性，即通过框架承受巨大的锚索预应力并且将其传递到被锚固的地层中，从 而起到对坡体加固的作用，成为边坡支护的重要手段。以元磨高速公路为例。元磨高 速公路是昆( 明) 曼( 谷) 高速公路中的一段，全长1 4 7 m ，位于滇西山峡谷区，沿线 地质条件复杂多变，构造破碎，地下水丰富，环境条件极为恶劣。全线高于3 0 m 的高 边坡3 7 1 处，高于5 0 m 的边坡2 3 2 处，高于l o o m 的边坡4 9 处，最高的边坡达到1 9 7 m ， 施工期间发生边坡病害1 8 2 处。治理边坡病害花费约8 亿元，占总投资的1 0 。其中， 预应力锚索框架使用了5 1 处之多，具有明显的经济、技术优势。但是，目前对这种结 构的应用实践超前于理论研究，缺乏系统和深入的研究，设计理论还不成熟，作用机 理还不是很明确；同时，对预应力锚索框架治理工程的效果如何评价，选择哪些评价 参数，评价标准是什么，采用什么样的评价方法，国内外一直没有公认的技术标准和 规范。 1 2 研究的目的和意义 本文旨在通过对以往理论的研究，得出预应力锚索框架内力计算的合理方法，通 过现场测试和有限元模拟，探讨预应力锚索框架的作用机理，并在此基础之上，提出 预应力锚索框架加固边坡的工程效果评价标准及方法。对于目前一般都采用经验类比 法来估计框架内力，或沿用建筑地基中计算连续基础的刚性梁或连续梁的方法来计算 框架内力的现状，本文的研究具有非常重要的现实意义；同时本文对预应力锚索框架 工程效果评价的研究，可以为该领域工程措旌加固效果的评价提供借鉴和参考，具有 探索性的指导意义。 垦塞交通塞堂亟堂焦论塞 1 3 国内外研究现状及存在问题 1 3 1 预应力锚索框架的应用历程 预应力锚索框架是随着预应力锚索技术在滑坡治理和边坡加固工程中大量应用而 发展起来的一种新型支挡结构形式。2 0 世纪9 0 年代，日本在现浇钢筋混凝土锚固护坡 的基础上，应用p c ( p r e t r e s s i n gc o n t r e t e ) 格构锚固工法( 见图l 1 ) 和q & s ( q v i e k s t r o n g ) 框架工法。前者是由预制预应力混凝土框架和灌浆锚索组成，它将传统的现浇 四棱锥台式锚墩结构改为预制预应力混凝土构件。后者是把预先在工厂加工组装好的 矩形钢筋笼，按矩形或菱形布置于边坡上，然后在钢筋笼上喷射混凝土。 异形框架 向 图i - ip c 格构外貌图 受日本p c 格构锚固工法和q & s 框架工法的启发，我国于上世纪9 0 年代中后期 也尝试应用p c 格构，在云南楚大公路右边坡k 2 5 3 + 6 8 0 - - 一+ 7 7 0 段沿泥岩层面发生滑动 的边坡病害治理中首次应用，但是由于我国施工机械化、自动化和工厂化水平低，劳 动力便宜，交通运输落后等因素的影响，二者在我国未得到广泛的应用和推广。 铁道科学研究院著名滑坡专家徐邦栋于上个世纪9 0 年代初开始研究这种结构，并 于1 9 9 4 年将这一结构用于深圳市罗( 芳村) 沙( 头角) 公路西岭山路堑边坡( 照片l - 1 ) 的 加固中，取得了成功。随后在深圳市罗芳山庄边坡、黄贝岭坡体滑坡、蛇口月亮湾别 墅等边坡加固和滑坡治理中得到应用。 2 照片1 - 1 预应力锚索框架辅以花池植草加固后的罗沙路边坡 2 0 0 0 年，铁道科学研究院将这一结构成功地用于高陡边坡的加固中。京珠高速公 路粤境南段k 15 5 左侧边坡总高度4 0 余米，组成边坡岩土大多为强风化呈砂土状泥岩 夹粉砂岩，一级边坡局部夹灰岩，原设计方案在一级平台设锚索抗滑桩一排，桩长2 0 余米，悬臂1 0 m ，桩自路基面以上7 m 高度范围内为浆砌片石挡墙，上部3 0 m 高度范 围内为挡土板，施工对原边坡扰动大，工期长，造价高。后将一级边坡加固改为5 排 预应力锚索框架结构，坡率1 ：o 3 ，缩短工期，降低了造价，美化了环境，成为京珠 高速公路粤境段高边坡加固的一个亮点。见照片7 2 所示 照片1 - 2 采用预应力锚索框架加固后的京珠k 1 5 5 高边坡 随着我国交通事业的发展，高等级公路边坡病害问题渐显突出，预应力锚索框架 在公路高边坡的治理中发挥了越来越重要的作用。 j b 立交道厶堂亟堂位论童 1 3 2 预应力锚索框架的研究现状 预应力锚索框架是近几年开始应用的一种新型的轻型支挡结构，在高速公路边 坡加固中已经得到广泛的应用，其具有加固山体变形、坡体变形和坡面变形的功能， 并且可以对其表面进行植被绿化，达到美化环境的效果。但是这种新型支挡结构的实 用条件、作用机理、设计计算方法等的研究己落后于生产实践，无法满足实践需求。 预应力锚索框架的设计理论研究取得了一定的成果，但是仍处于探索和研究阶段。 在国家标准或行业标准的相关设计规范中，如铁道路基支挡结构设计规范 ( t b l 0 0 2 5 2 0 0 1 ) 、公路路基设计规范( j t g d 3 0 2 0 0 4 ) 以及建筑地基基础设计规范 ( g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 中还没有对其具体设计计算原则和方法做出相应的说明和规定。目前， 大多数设计单位一般都是按照各自的计算方法并结合工程实践经验进行设计，相互间 设计差异很大，经济、技术和治理效果也各异。 目前，对预应力锚索框架的研究较少，计算方法上也是沿用一般地基梁的算法， 将锚索框架拆成横梁和竖梁来研究和计算。现有预应力锚索框架的计算方法，主要是 对预应力锚索框架的受力型式或结构型式进行简化，并采取在若干假设的基础上进行 分析计算的，没有形成设计可普遍采用的公式和算法。据有关文献介绍的反梁法，是 将坡面反力视为作用在框架上的均布荷载，把锚索作用点看作支座，将框架作为倒置 的交叉格构梁体系来进行计算，并且横梁和竖梁是相互独立的；这种计算方法忽略了 巨大锚索力作用下框架的变形，引起底部反力的不均匀分布。栾茂田提出了非连续变 形计算力学模型，运用非连续变形计算模型的弹塑性数值分析方法对弹性地基梁模型 分析计算。还有郭氏法弹性地基梁结构计算方法，用弹性地基梁法计算底板内力，在 水利水电工程结构计算中经常遇到，其计算工作量大，且容易出错。还有西南交大吕 小平、吴容燕等提出的锚索框架中框架内力计算的差分法；徐光文，黄恩才的弹性地 基梁计算方法与分层总和法的结合研究计算方法；陈天愚、张可绪、单兴波的弹性地 基梁的修正刚度矩阵解法；同时，现在在边坡锚固工程设计中，一般是根据边坡未加 固时的危险面位置，按抗滑力和下滑力大小来确定锚固方案的。但是边坡未加固状态 根本不同于实际工作状态，因此以未加固时状态出发来设计边坡锚固工程不能体现锚 固技术的主动加固的特点。目前也有一些学者试图从加固后的边坡工作状态入手，探 讨锚固岩体的性质，重庆交通学院陈洪凯等试图通过等效的方法来研究锚固岩体的参 数；武汉科技大学李德芳，中科院武汉岩土力学研究所张有良，陈从新基于结构力学 理论，提出了框架设计的矩阵方法等等，预应力锚索框架的研究成果还有很多，在这 里不再赘述。这些研究成果还没有得到公认，而且，还没有得到更多实践的检验。现 有很多单位在做这些方面的试验研究，希望能够改善预应力锚索框架的设计计算方法， 达到更好的锚固效果，获得更多的经济效益。 4 1 3 2 边坡工程治理效果评价研究现状 现有规范工程质量检定标准对边坡防护工程的检验验收作了具体规定，对具体工 程项目如挡土墙、锚喷支护、砌石工程、导流工程、抗滑工程等均提出了检验标准和 检验方法，提出了施工质量的评价方法。而这些仅仅是对单项指标检验，而没有对某 一防治工程措施和防治工程体系工程效果的评价，尤其是竣工后的工程使用效果评价。 目前，对预应力锚索框架结构工程效果的评价研究方面的文献很少。现有的研究 涉及框架内力的计算的内容较多，国外对落石防护及各类挡土墙室内受力试验分析方 面的论文多。国内对滑坡防治工程效果的评价的研究成果也不是很多，对抗滑桩的研 究相对比较多一些，例如铁道部科学研究院西北分院等单位曾对抗滑桩的受力测试作 了一定的工作，郑明新对滑坡防治的工程效果后评价方法作了一定的探讨，但是并没 有涉及到预应力锚索框架方面的研究。可见，国内对预应力锚索框架的工程效果评价 研究还处于起步阶段，并没有实质性研究成果。 1 3 3 预应力锚索框架在应用和研究中存在的问题 目前关于预应力锚索的锚固机理及设计计算研究较多，而对锚索框架结构中框架 的设计计算方法研究较少，一般都采用经验类比法来估计框架内力，或者沿用建筑地 基中计算连续基础的刚性梁或连续梁的方法来计算框架内力。预应力锚索框架的受力 模式和设计计算方法仍不完善、不成熟，其加固边坡的作用机理有待于进一步研究和 探讨。 对于工程边坡治理措施的效果评价，目前只是在工程完工后，按照现行的行业规 范进行竣工验收。而对于以后在工程运营过程中这些治理防护措施是不是“对症下药 ， 是否达到了预期的效果，治理效果是好是坏，现在见到的报道很少，大多只是针对具 体的工点对治理后支挡结构受力规律进行分析，采用稳定性分析的方法对边坡安全系 数进行了再计算，或是根据边坡的变形等某些监测数据对工程边坡治理后的效果进行 评价，没有统一的标准和评价体系。 1 4 主要研究内容 1 在查阅相关文献资料的基础上，介绍了预应力锚索框架理论计算方法，对各种 理论计算方法进行了分析、比较，给出预应力锚索框架合理的计算方法，并在现场试 验中验证方法的可靠性； 2 通过现场的原型试验，分析预应力锚索框架在加载过程中及工作状态下，锚索 拉力、框架弯矩、框架与边坡接触应力以及框架位移的变化规律，以此来研究预应力 5 锚索框架的作用机理； 3 采用有限元强度折减法，模拟初始应力作用、开挖未支护、预应力锚索框架加 固作用三种工况，验证了预应力锚索框架加固边坡的有效性； 4 在总结边坡治理工程效果评价标准的基础上，提出了预应力锚索框架工程效果 的评价标准及方法，并以梅河高速公路某典型边坡为例，对预应力锚索框架加固边坡 的工程效果进行了评价。 1 5 研究的技术路线 本文的研究技术路线如图1 - 2 所示。 图1 - 2 本文技术路线图 6 亟应左垡塞框塞的基奎拯垒型理论 2 预应力锚索框架的基本概念和理论 2 1 预应力锚索框架的基本概念 2 1 1 预应力锚索框架的结构组成 预应力锚索框架是一种新型的支挡结构，目前已广泛用于铁路、公路滑坡整治和 边坡加固工程，该结构是将平面框架和预应力锚索两种可单独使用的构件组合在一起， 形成一种新型的受力体系，通过锚索、框架和边坡岩土体的相互作用，来承担滑坡推 力或边坡卸荷松弛产生的岩土压力，使边坡保持稳定。用于滑坡治理和边坡加固的典 型断面见图2 1 ，框架一般采用在坡面上现浇的钢筋砼结构，通常为“井”字型布置， 竖肋顺边坡布置，横梁平行于边坡走向布置，预应力锚索设置在框架结点处，如照片 2 1 。 预应力锚索框架就是将平面框架和预应力锚索两种可单独使用的构件按一定方式 组合在一起，通过锚索、框架和边坡岩土体的相互作用形成支挡结构，共同承担滑坡 推力或边坡卸荷松弛产生的岩土压力，使边坡保持稳定。 图2 - 1 两级预应力锚索框架示意图照片2 1 预应力锚索框架照片 根据不同的地形地质条件，锚索框架可设计为单级和多级，每级边坡的坡度和高 度根据挖方边坡体的破碎完整、松散软弱、潮湿程度及岩石边坡结构面的组合情况及 周边环境协调等确定。锚索一般多采用多股钢绞线制作，多为4 至9 股，设置大多与 框架垂直，锚头与框架连接。框架竖肋和横梁的截面尺寸可相同，也可不同，竖肋截 面尺寸的最小宽度不宜小于4 0 c m ，横梁不宜小于3 0 c m 。竖肋、横梁间距根据加固边 坡破坏力的大小和边坡岩土特征来确定。根据边坡开挖的坡度及坡体物质组成，框架 内常采用客土喷播、六棱砖覆土植草等生态防护技术进行美化和防护。 镰曩飞鱼二 j 匕塞交通厶堂亟坐位i 金塞 2 1 2 预应力锚索框架的优点 预应力锚索框架结构是边坡加固及其病害防治的有效措施之一，在工程实践中得 到了广泛的应用和发展，这与其自身具有的特点是密不可分的。现结合工程实践经验， 将其特点分析如下： 1 预应力锚索、框架和边坡岩土体三者之间相互作用才能形成支挡结构 作为加固对象的边坡体不仅是作用在锚索框架上外力的来源，而且还是该结构体 系的一部分。预应力锚索属于柔性受力杆件，只能受拉，不能受压，而变形的边坡岩 土体相当于受压杆件，二者在坡面设置的具有一定刚度的钢筋砼框架的协调下，形成 整体受力结构。预应力锚索、框架和边坡岩土体三者之间相互作用，共同承受边坡变 形产生的下滑力。 2 结构体系充分利用了边坡岩土体自身的强度 通过框架的转换作用，边坡变形产生的推力转化为预应力锚索上的拉力。由于预 应力锚索另外一端锚固在边坡体内的稳定地层内，因此预应力锚索框架结构能够充分 发掘和利用边坡体内稳定岩土体的强度。 3 易于和其它抗滑支挡结构组合使用 预应力锚索框架即可以作为主体工程单独使用，又可以和其它抗滑工程协同作用。 例如，和抗滑桩共同用于滑坡病害整治工程，抗滑桩用于治理深层滑坡，而预应力锚 索框架结构置于桩顶，用于治理浅层滑坡，防治“越项 滑动事故的发生。典型工程 应用实例如图2 2 。 图2 2 预应力锚索框架和抗滑桩联合应用工程实例 4 设置位置灵活，不受地形和变形部位的限制，完全适用于高陡边坡加固及其病 害治理 受坡形和边坡变形部位的影响，传统的抗滑挡墙、抗滑桩等支挡结构的应用受到 8 预廛左缝鏖挺塞的基查概金塑翌j 金 一定限制。对于抗滑挡墙，其基础要搁置在承载能力较高的稳定地层上，一般设置在 坡脚附近；抗滑桩要嵌固在强度较高的稳定地层内，并且要保证桩前有足够宽度的岩 土体，以确保桩端的嵌固能力，因此一般不宜设置在半坡上，除非有其它保证措施。 对于边坡高陡、变形体从半坡上剪出的情况，变形部位悬挂在高处，抗滑挡墙、抗滑 桩等支挡结构不好布置，也不易施工，其应用受到限制。而预应力锚索框架结构受这 方面的限制较少，即可以设置在坡脚，又可以设置在坡腰，不拘泥于边坡的地形条件 和边坡部位，能够完全适应坡形和变形部位的变化。典型工程应用实例见图2 3 。 高程 图2 - 3 预应力锚索框架结构加固高陡边坡的工程实倒 5 改善边坡岩土体受力状态 边坡病害主要表现为边坡体或边坡体的一部分向临空面的变形和移动。抗滑挡墙 和抗滑桩都属于被动受力构件，坡体变形作用在结构之上，支挡结构才能产生反作用 力，阻止边坡变形的进一步发展；反之，如果边坡体不变形，支挡结构内就不会形成 反力。在边坡变形和支挡结构逐渐受力的相互作用过程中，边坡岩土体会进一步松弛， 坡体中原有的各种软弱结构面会由密闭而逐渐张开，易受地表水和地下水的劈裂软化 作用，边坡进一步变形，作用在支挡结构上的岩土压力逐步增加，最后达到一个新的 平衡状态，边坡保持稳定。预应力锚索框架由于事先在锚索内施加预应力，替代或部 分替代了由于开挖坡体所失去的侧向支撑力，使边坡体趋向或处于三向受压的状态， 限制了边坡扰动区的发展，遏制了边坡岩土体强度的进一步降低，提高了边坡体自身 的稳定性，阻止或减缓了促使边坡病害发生的不良地质条件的进一步恶化。 6 减少边坡开挖量，有效降低边坡开挖高度，减小对自然斜坡的破坏 9 j 京交道厶堂题堂位i 佥塞 当自然山坡陡峻时，采用高陡锚索框架进行支挡，能够有效地降低边坡开挖高度。 不但可以避免“剥山皮”式的开挖，大大减少对既有青山绿地的破坏，而且可以减小 和防止由于大面积开挖诱发的各种边坡病害。因此，预应力锚索框架结构更适用于自 然斜坡较陡地段的高堑坡加固。 7 能与多种形式的柔性植被防护体系相结合，与周围环境融为一体 砼框架内岩土体的稳定是保证预应力锚索框架正常工作的必备条件。采用柔性植 被防护，不但可以使坡面得到绿化，遮挡人工加固的痕迹，与周围环境相协调，而且 坡面恢复植被后，能有效防止或减缓各种外来应力对坡面岩土体的冲刷、侵蚀，阻止 坡面水土流失的发生，减少大气降水的下渗，以保证框架内边坡岩土体的稳定。根据 边坡坡度及其物质组成的不同，可以采用铺贴草皮、液压喷播植草、三维植被网植草、 喷混植生、六棱砖固土植草、喷射厚层基材植生等植物防护技术。 8 施工简便易行，技术风险低 能完全适应坡面的曲折变化，能与坡面密贴，而且施工时不需要大型机械设备。 用于高陡边坡加固或边坡防治病害，可遵循自上而下开挖一级加固一级的施工顺序， 待上一级锚索进行初张拉后再开挖和加固下一级边坡；对每一级边坡，视边坡岩土体 的稳定情况，还可以分层或分段施工。这样，大大减小了施工本身对边坡体的扰动， 避免因施工不当引起或加剧的边坡病害，这一点是重力式抗滑挡墙无法比拟的。 9 结构轻便，施工速度快，造价低 由于这种结构的主体受力构件为高强度低松弛的钢绞线，节省材料，结构轻便。 施工可灵活采用分级、分层、分段开挖措施，在一个边坡体上可以同时展开几个施工 工作面，有利于缩短工期。在同等条件下，采用此种结构造价较低。 2 1 3 预应力锚索框架的选用原则 边坡病害整治工程设计时，要进行场地的工程地质勘察，详细了解分析病害发生 的条件和原因，并采用针对性的综合工程措施，才能取得良好的效果。在实际的工程 应用中，应注意以下使用原则： 1 预应力锚索框架作为一种轻型支挡结构，可以适应一定规模的各种地层岩性的 边坡病害整治工程的要求。适用于高陡度土质、石质的不同规模的边坡崩塌、坍塌、 滑坡等人工和自然病害，以及各种表层和坡面病害的防护。对错落型的边坡病害不宜 采用。 2 预应力锚索框架的间距与断面尺寸要与坡体特性相适应。钢筋混凝土框架要对 边坡岩土起到框箍作用，框架整体刚度必须和边坡岩体的刚度相匹配，并考虑到基底 承载力。一般来讲，边坡岩体较坚硬、完整、密实，其刚度较大，抗变形的能力就强， 1 0 嚣廛左锚塞框架的基查援盒麴理j 金 框架的阃距可以大且钢筋混凝土的截面尺寸可小；反之亦然。 3 预应力锚索框架是依靠高强度低松弛的钢绞线产生的拉力克服坡体破坏力的， 故场地工程地质条件能否提供稳定的锚固体及所能提供的锚固力的大小，是该项工程 是否适用所要考虑要点之一。锚固段不应设置在有机质土、淤泥质土、液限w l 5 0 的土层、相对密度d ， o 3 的土层中。对于对钢筋和水泥有腐蚀性的地层，特别是强腐 蚀性的地层不应采用，若采用应进行严格的防腐处理。 4 预应力锚索框架是空间结构，适合设置于多级挖方边坡上。框架竖肋底部宜放 在较稳固的基岩或土层上。它既适用于坡率变化较大的边坡，也适用于小范围内坡面 起伏但没有明显突变、相对平顺的边坡，且大范围内坡面起伏大、不规则的边坡采用 预应力锚索框架进行加固，其工程效果更趋自然和美观。 下列情况不宜采用：边坡表层岩土松散、软弱、潮湿的土层，施工不能成形开挖， 没有土拱效果，框架起不到框箍作用。 2 2 预应力锚索框架的计算方法 对于单根地梁，根据简化成的物理模型的不同，可以划分为弹性地基梁法和刚性 支座上的连续梁法。两种方法的本质的不同是弹性地基梁法考虑梁与地基之间的变形 约束条件，而刚性支座上的连续梁法将框架和边坡锚索的接触应力用外力代替，如滑 坡推力。弹性地基梁法根据对微分方程的解法不同，可划分为有限差分法和解析法。 解析法中根据简化方式不同，目前存在两种方法，一是结构对称简化法，另一是节点 简化法。 对于框架，采用弹性地基梁法，可引入两个条件实现，一是节点处的锚索拉力等 于在横梁和竖肋上的分配之和；二是节点处的位移，通过横梁和竖肋计算出的值相同。 对于刚性支座上的连续梁，可以假设边坡破坏力( 滑坡推力) 在框架上的分布规律， 将框架的计算转化为梁的计算。 2 2 1 单根梁内力计算的弹性地基梁的解析法 捷克工程师w i n k e r ( e w i n k e r ) 在研究钢轨截面时，提出了如下假设： g ( 力= k 彩( 力( 2 1 ) 式中： g ( x ) 一框架和边坡接触应力。 k - 地基系数或称基床系数。 缈( x ) 梁的挠度。 这就是著名的w i n k e r 假设。凡是满足w i n k e r 假设的地基成为w i n k e r 地基，其计 算简图如图2 4 所示。 i 匕立交道太堂硒堂僮论童 q n ii 一 tt 、t - t 车车车专车车 1 x 图2 - 4w i n k l e r 弹性地基梁模型 任意地基上梁的挠曲微分方程为： 日害：譬：粤：一b q + g o 出4出2出 “ 由w i n k l e r 假定：q = k 得， e 1 d 万4 c 。= 一k 彩+ 式中：e ，卜分别为梁的弹性模量和截面惯性矩。 k 一梁单位长度上的集中基床系数。 g o 一作用于梁上的均布荷载。 b 梁的宽度 考虑q o = 0 时， e 磐：一k 彩 出 令名= 鹰= 等，则上式可改写为： 堡+ 旯国：0 d x 上式即为w i n k e r 地基上梁的挠曲微分方程。 其通解为： 缈= e 缸( qc o s 旯x + qs i n 2 x ) + e 一缸( gc o s , z x + c , s i n2 x ) 其中，单向集中力作用下无限长梁的解为： 妒器e 圳飞c o s 触+ s i n 2 x ) m 善= 一e l d 口k 2 _ e 。= 墨4 2p 一丑，x 7 ( c 。s j b r - s i n 2 x ) q = 日万d 3 0 ) = f 2 x e - 2 x c o s 缸 1 2 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 _ 6 ) ( 2 7 ) 集中力偶作用下无限长梁的解为： 国：丝矿肌s i n a x 1 b k t m ，= 等e - 2 x c o s 触 ( 2 - 8 ) q = 一警e - , z x ( c o s 触椭肌) 在有限长梁的两端叠加相反的剪力和弯矩力偶，使有限长梁的两端剪力和弯矩为 零，从而使无限长梁的解变为有限长梁的解。 2 2 2 单根梁内力计算的弹性地基梁有限差分法 有限差分法求解地基梁的挠度和内力，就是用差分方程代替微分方程和边界条件， 把微分方程的求解转变为线性代数方程组的求解。其基本假定如下： ( 1 ) 对地基采用文克尔假定，即梁上某点所受的接触应力，只与该点梁的挠度成正 比，而与梁上其它各点的挠度无关： ( 2 ) 梁和边坡岩土体之间的接触属于光滑接触。 根据差分法原理，以等分分段将梁离散化如图2 5 所示。在m 处的挠曲微分方程 的差分方程为： 万e 1 ( 一2 4 一l + 6 一4 + l + + 2 ) + 疋毋= o ( 2 9 ) 式中：e i 梁的抗弯刚度 以梁在m 点的地基系数 召。梁的宽度 梁在1 1 1 点的挠度 h 梁的分段长度 由弯矩方程鸠= e l d 出2 c 。，得m 点的差分方程为： 膨。= 矿e 1 ( + 广2 + 一1 ) ( 2 - 1 0 ) 由剪力微分方q = 日窘，得m 点的差分方程为 绒= 一万e i ( 一+ 2 一。一2 + 。+ + ：) 梁的始端( 0 点) 的边界条件为自由端，m o = o 得： 矗， 量， 0 图2 - 5 梁离散化示意图 ( 2 1 1 ) 胞州m 叫啦 o 4 2 矿e ( 啦l 一2 + q ) = o 一 缱l22 ( o o q 由q 0 = o 得：一等( 一恤。呦训= o 可得： = 2 0 2 _ l 一2 q l + 在式( 2 9 ) 中令m = 0 ，得到： 缱2-4。+(+兰圣主)-4(o,402_6 + 哆= 0 缱 l + (+ - _ l ) + 哆= 将式( 2 一1 3 ) 、式( 2 - 1 4 ) 代入上式( 2 1 5 ) 中，得到： ( 2 +) 一4 q + 2 吐= 0 令：c ：0 = 2 + 半，= i 4 ，6 0 = i 2 ，删 则有： = a o c a l 一6 0 呸+ 成 同理，沿梁的任何点m ，假定递推公式： = + l 一+ 2 + 以 一i = 口m l 一b l + l + d m l 并代入式( 2 9 ) 中，得： 一2 = a 脚一i 一一2 + 吒一2 = 一：一。一- 2 - - 4 a m - i + 墨竽 1 ：= dm：(am_2-4)dm_1+dr_2 由式( 2 1 3 ) l 匕较系数得： 以l = 2 ，bl = 1 ，以l = 0 1 4 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) ( 2 1 8 ) 矿一 & 百 k 一 亟虞力缝塞框架数基奎概金塑理j 金 2 2 3 框架内力计算的结构对称简化解析法 该方法的计算简图如图2 - 6 所示，是把设计的锚索拉力作为已知力来求解框架内 力的一种考虑结构本身对称特性的简化。 理 一( ， g 二 横梁7憾蓥 竖肋y lx = ? ，j 础 。”。 2 _ 6 锚索框架 算的基本假定是： 1 ) 框架为弹性，边坡对框架的反力符合温克尔假定。 2 ) 顶梁和基础影响很小，不考虑二者的作用。计算时将框架的横梁和竖肋拆散成 根梁来进行计算，主要解决节点处锚索力在纵、横两个方向的分配问题。 3 ) 不考虑节点处可能存在的微小转角影响。 照土与结构物相互作用的原理，节点锚索力的分配必须满足两个重要条件： 1 ) 变形协调条件。即分配后的锚索力对节点i 处x ，y 方向垂直坡面的位移相等， = = 彩 2 - 1 9 ) 2 ) 静力平衡条件。即分配到纵、横梁上的两个力最，只，之和应等于节点上的总 索力沿垂直坡面方向的分量： c o s ( 9 0 9 一口一9 ) = 气+ 磊2 2 0 ) 中：只一为节点i 处的总锚索力； ，9 一分别为边坡坡角及锚索锚固角； 据w i n k e r 地基模型，畋或略是由作用在x 或y 方向梁上所有锚索力共同引起 ，因此，试图将( 式2 1 ) 变为关于疋，正，的关系式，然后通过联立式( 2 2 ) 来解出最， ，比较困难。 际工程中，同一片框架上几个锚索力一般都是设计为相同的，再由框架的对称 不难看出4 个节点处锚索力的分配应该相同。因此，4 个节点处锚索力沿x ，y 方向 分力均可设为e ，e 。将只，c 看成已知量，分别计算框架的横梁和竖肋，然后将 梁和竖肋在节点处的位移代回式( 2 1 9 ) ，再与式( 2 2 0 ) 联立，即可解出e 和e ，进 得到梁的最终内力值。 5 匕塞建适太堂亟：曼堂位i 金童 2 2 4 框架内力计算的节点对称简化解析法 该方法适用于由两片纵梁和两片横梁组成的框架型结构。在一个框架单位中，每 片纵梁的中点以及纵梁与横梁交点处设有锚索，横梁对称布置于纵梁两侧。在纵、横 梁交点处，纵梁有一定的外延长度，而横梁则没有外延。地梁结构型式如图2 7 所示。 框架型地梁预应力锚索框架型地梁 ，l l lj 盯 弋 也 _。 _ ) ! l l 图2 - 7 框架型地梁示意图 计算的基本假定是： ( 1 ) 当地梁压力主动作用于坡体时，坡体对地梁的反作用力按温克尔假定计算，即 q ( x ) = k t o ( x ) ，其中q ( x ) 为接触应力，k 为相应的地基系数，r o ( x ) 为坡面在地梁压力 作用下产生的垂直于地梁底面方向的位移。 ( 2 ) 不考虑纵梁和横梁的扭转效应，即在纵、横梁交点处简化为铰支连接。 ( 3 ) 不讨论框架结构与岩体地基的相对刚度对地基压力的影响，认为框架地梁具有 一定的刚柔度。 基于上述假设，可将地梁框架“分解 开，拆成纵梁和横梁分别单独进行受力分 析。且只考虑锚索张拉力t 、梁下岩体的接触应力g ( x ) 。这时的地梁在形式上可以看 成一个倒扣在坡面上的连续梁，锚索抑制点即为连续梁的“支座 ，而在连续梁的下表 面则作用着指向梁的接触应力。 在张拉阶段，作用于地梁上的两个主要外力中，锚索张拉力是已知的，地基和地 梁的接触应力是未知待求的；在工作阶段，地基和梁的接触应力即主动岩体压力盯( 工) 则 是已知的，而锚索拉力f 却是未知待求的。工作阶段的地梁可直接按照倒扣在坡面上 的连续梁来计算，对于竖肋来说，是一个超静定结构，而对横梁来说则为一个静定结 构，两者受力模式如图2 8 所示。 在张拉阶段，锚索预张拉力t l 是已知的，在竖肋、横梁交点处分别作用于竖肋、 横梁的压力t 4 、t 6 可视作由张拉力t 1 分别分配而来。于是由力的平衡条件和变形协调 条件可以得到方程： t 4 + t 6 = t l( 2 2 1 ) q 2 哆 ( 2 - 2 2 ) 其中：t o , 、织一为相应的挠度。 1 6 ( a ) 张拉阶段 ( b ) 工作阶段 图2 - 8 地梁受力模式图 对于单独的竖肋( 或横梁) ，在梁上只受集中力作用下，根据w i n k e r 假定以及基 本力学相容关系，可以得到梁挠度的表达式。这样，结合此处竖肋与横梁的具体情况， 式( 2 2 2 ) 又可以进一步写成： t , a l z ，l ( 2 k b , ) = t 6 口2 z 。2 ( 2 k b 2 ) ( 2 2 3 ) 式中：k 一地基弹性系数； b l ，b 2 _ 分别为竖肋、横梁的宽度； 口。，口：一分别为竖肋、横梁的地基柔度系数，呸= 盖，口：= ；i 盖， 其中日，必分别为竖肋、横梁的抗弯刚度；z 。为计算函数， 互= l + e - 2 a 筐( 2 c o s 2o t t o + l - s i n 2 锨)( 2 2 4 ) x a 、x 2 分别为交点处五、瓦至相应梁端的距离。这样，联立式( 2 2 1 ) 、式( 2 2 3 ) 便 可解出互和互： 五= ( 口2