预应力锚索框格梁体系加固边坡加固效应及设计建议

岩土工程 2013-05-2111:10:5416.98%（郑筱彦16.98%）预应力锚索框格梁体系加固边坡加固效应及设计建议技术部郑筱彦摘要：以某高速公路采用预应力框格梁加固高边坡为研究对象，对其开挖稳定性进行了计算分析，对设计的压力分散型锚索加固体系进行了加固后稳定性评价。采用FLAC3D计算软件建立了三维数值计算模型，分别对开挖不支护情况和边开挖边支护情况进行了计算，将计算结果与极限平衡法计算结果进行对比，对预应力框格梁体系的加固效应进行了分析，定量的评价了框格梁体系整体加固效应的稳定性安全系数提高值。同时，对各级锚杆、预应力锚杆及压力分散型锚索框格梁体系纵梁弯矩进行了分析，提出了设计建议。关键词：框格梁；高边坡；加固效应；数值计算；FLAC3D1前言预应力锚索主动加固岩土工程，具有技术先进、经济合理、安全可靠等诸多优点，已在国内外各类工程高边坡治理中广泛使用[1~3]。与被动支挡措施不同，预应力锚索框格梁体系加固作为一种主动加固方式，能够提高岩体的整体性和内在抗力，形成三维应力平衡，既能主动改善岩土的应力状态，提高岩体力学性能，间接提高岩土抗剪强度，也能有效控制岩体有害变形，保持岩体稳定[4,5]。目前对于预应力框格梁体系研究多集中于对框格梁受力的研究，采用数值模拟分析整体加固效果的较少，更缺乏对其影响的定量评价。且对于预应力框格梁体系的研究多以单跨或连续地基梁理论进行分析，该方法不能综合框格梁纵横梁相互影响以及地基土摩擦力的影响[6,7]。本文以某高速公路右侧高边坡为例，建立了预应力框格梁加固边坡的计算模型，采用FLAC3D软件对其整体加固效应进行了三维数值模拟，对预应力锚索框格梁受力的分析。2边坡稳定性分析与设计方案2.1工程概况场区位于山坡鞍部，山坡较为陡峻，地形起伏较大，山上植被发育，山下为鱼塘及果树种植地，地形稍为平坦。地貌上属于剥蚀丘陵单元。揭露地层分为4类：（1）亚粘土：黄褐色，稍湿，硬塑；（2）亚粘土：浅灰、褐黄色，湿，硬塑；（3）基岩；泥盆纪老虎头组石英砂岩，根据钻探资料揭露有全风化、强风化和弱风化岩带；（4）燕山期花岗岩。按岩石的风化程度，根据钻孔资料揭示，揭露有强风化和弱风化岩带。该边坡坡顶有高压线塔，限制了放坡高度，该边坡设置为7级边坡，坡率根据地质条件和边坡高度而定，平台宽度均为2m。2.2边坡极限平衡法稳定性分析根据极限平衡条分法计算相似试验边坡的安全系数，得到该边坡在不设置加固措施的条件下，采用安全系数为1.056。该安全系数小于规范规定的1.2的安全系数要求。因此，必须对该边坡进行加固处理。图1加固前边坡条分法安全系数计算简图2.3边坡加固方式设计与加固后稳定性校核根据“强腰固脚”的设计原则，在满足边坡整体安全系数达到设计要求的前提下，控制上部残坡积层及全风化层与强风化岩层界面不出现局部滑动。由于边坡岩体石英砂岩岩体结构破碎，因此采用了压力分散型锚索，同时采用框格梁体系连接压力分散型锚索锚头，形成整体以取得更好的加固效果。设置加固方式见下图2。具体设计参数如下：一级坡高10m，采用8.0m全长粘结锚杆加固，Ⅱ级钢筋，直径φ25；二级坡高10m采用预应力锚杆格子梁加固，锚杆长16.0m，杆体材料为φ32精轧螺纹钢，施加预应力250kN；三、四级坡高10m，采用压力分散型预应力锚索框格梁加固，地梁间距3.5m，4φj15.24钢绞线，施加预应力500kN。三级锚索长25m，锚固段10m。四级锚索长28m，锚固段10m；五级坡高10m，采用全长粘结型锚杆加固，杆长8.0m，间距2.5m，φ25Ⅱ级钢筋；六级坡高10m，TBS植草防护；七级坡高5.6m，采用三维网植草防护。框格梁体系示意图与照片见图4。图3第6标段K24+680右侧高边坡防护设计剖面图图4框格梁体系示意图与照片采用极限平衡法（Bishop法）对按照图3加固方式施工的边坡稳定性进行分析，得到其安全系数为1.381，见图5。可见，按照设计进行加固，能够满足规范规定的安全系数要求。图5加固后边坡的极限条分法安全系数计算简图3预应力框格梁加固体系的数值建模为了真实的模拟预应力锚索与框格梁体系的作用、锚索框格梁体系与边坡土体的相互作用以及锚索纵横梁之间的相互作用。建立了原型边坡的三维模型。按照实际的岩土情况、预应力锚索参数及入射角以及锚索纵横梁参数建立模型进行计算。岩体本构模型采用Mohr-Columb弹塑性模型。框格梁采用桩单元(pile)进行模拟，其好处在于采用该单元可以考虑框格梁底部摩擦力对变形和应力的影响。对于原型边坡采用的压力分散型预应力锚索、锚杆均采用锚索单元进行模拟，不同的加固体在参数设置和边界条件上有所不同。3.1模型建立与网格划分根据地形以及工程地质情况，由于该边坡顶部已接近山体顶部，数值模拟取值山坡坡顶，由于开挖量较大，开挖卸荷造成底部回弹影响较大，模型试验取至坡脚以下30m处，模型总高度102m，长度190m，根据对称性取一根纵梁，按间距3.5m，取横梁1/2建立模型。模型节点数量36790，单元数量28772，网格划分如图6。该边坡第一级为锚杆框格梁、第二级为预应力锚杆框格梁体系、预应力锚索框格梁体系结构单元节点图如图6。本模型实体单元的约束情况为左右两侧施加侧向约束，模型前后两侧施加前后方向向约束，下侧施加上下方向约束，顶部自由。3.2预应力锚索框格梁体系的模拟（1）锚索（杆）模拟锚杆和锚索采用锚索单元（Cable）来模拟，该结构单元不考虑弯矩作用，不能反映锚索的岩栓作用，单元节点自由度只有3个。锚索单元为一维理想弹塑性模型，采用节点与实体之间的弹簧+滑动单元，见图7。全长粘结型锚杆采用一般的锚索结构单元并设置一定的参数进行模拟；压力分散型预应力锚索虽然设计指定了锚固段长度，但实际上锚索与岩体产生作用是靠锚固端顶部的钢质承载板，钢绞线为无粘结钢绞线，与砂浆之间粘结可忽略。因而，将锚墩与承载板之间的锚索体均采用自由段的处理方法，将其与实体单元之间作用的砂浆粘聚力参数、砂浆刚度参数和砂浆摩擦角参数设为0即可。承载板一端采用将其节点与实体单元固接，限制其6个自由度进行模拟，计算精度可以满足研究的需要；预应力锚杆分为锚固段和自由段，锚固段与一般全长粘结型锚索的模拟方式相同，而自由段的模拟是将砂浆粘聚力参数、砂浆刚度参数和砂浆摩擦角参数设为0进行模拟。图6数值模拟网格划分图图7锚索单元与实体单元作用示意图（2）框格梁的模拟框格梁采用桩单元（Pile）进行模拟，与锚索单元不同的是，桩单元可以考虑弯矩，单元节点包含6个自由度。桩单元节点与实体单元的连接不但包含锚索单元的摩擦作用，还能承受地基反力荷载，因而桩单元可以用来模拟岩栓。而且，与梁单元相比，桩单元可以考虑基底摩擦力，使得计算结果更为准确。实际建模过程中，采用先建立框格梁体系，再建锚索（杆）加固体，最后将两者节点相连的方法。3.3施工开挖过程模拟方法原型边坡开挖与支护是交互进行的，原则上开挖一级支护一级。实际开挖与支护情况如下。第一次开挖5、6、7级，之后开始钻孔施作第5级锚杆，再施作地梁；第二次开挖第4级，施作第4级压力分散型锚索，再施作地梁，最后等地梁达到强度要求后施加预应力；第三次开挖第3级，与第二次施工步骤相同；第四次开挖第2级，施作锚杆及框格梁，施加预应力，第五次开挖第1级，施作锚杆和框格梁。每次开挖完成至锚索（杆）框格梁体系发挥作用前，边坡均发生了一段时间的变形，通过FLAC-3D的运算步进行简单的模拟，即每次开挖后，运算一定的步数后再施加锚索（杆）框格梁。3.4模型参数选取模型参数选取包括岩土体力学参数、锚索（杆）参数和框格梁参数的选取。见表1、表2。表1岩体参数选取值地层岩性容重/kN/m33粘聚力c/Pa内摩擦角/°泊松比弹性模量/Pa全-强风化石英杂砂岩22.04.0e4280.354.5e8弱风化石英杂砂岩24.55.0e4320.286.0e8强风化花岗岩23.54.0e4300.31.0e9弱风化花岗岩25.01.0e5400.21.6e9表2数值计算中锚杆、锚索相关参数模型弹性模量/Pa泊松比粘聚力/Pa内摩擦角/°容重/kN/m33砂浆体2.81e90.1752.00e932.525.5钢绞线1.95e110.28----78.0钢筋2.1e110.3----78.0承压板2.1e110.28----78.04预应力锚索框格梁体系的加固效应分析利用建立的三维数值模型，对预应力框格梁加固体系实际加固效应与受力特性进行计算分析。分别对开挖不支护和边开挖边支护2种情况进行计算，通过对比分析，探讨预应力框格梁体系的实际加固效果。计算得到加固前后的剪应变增量与塑性区云图见图8、图9。a.开挖不支护b.边开挖边支护图8剪应变对比云图a.开挖不支护b.边开挖边支护图9塑性区对比云图从剪应变对比云图8可以明显的看到，由于压力分散型锚索框格梁体系的预加固作用，加固后的边坡剪应变增量区基本位于边坡坡脚较小的范围内，未扩散到边坡内部。图9中图例2为目前存在的塑性区区域，图例3为曾经出现过塑性区，但目前处于弹性状态的区域。可以看到开挖不支护情况下，塑性区向边坡内部发展，呈弧线形，但未延伸至贯通边坡坡体，边坡仍然处于稳定状态。而边开挖边支护情况，边坡内部仅计算迭代过程中出现塑性区，均基本处于弹性状态。采用强度折减法计算边坡安全系数，计算得到的安全系数与剪应变增量对比云图见图10。a开挖不支护b边开挖边支护图10安全系数、剪应变对比云图开挖不支护情况下边坡的安全系数1.06，与极限平衡法得到的安全系数1.056吻合，说明三维数值计算参数取值合理。采用强度折减法计算得到滑面较开挖不支护条件向边坡内部发展，与实际情况相符。加固后的边坡安全系数为1.50，而极限平衡法计算得到的边坡安全系数为1.381。与之相比，采用数值模拟得到的边坡安全系数提高较高。其原因在于，采用预应力框格梁体系加固边坡，其在预应力施加和边坡变形的过程中，通过框格梁对边坡坡面施加了一个较为均匀的“面荷载”，改善了边坡内部坡体的三向应力状态，大大减小了剪应力差，提高了整体加固效果，而这一效应是采用一般的极限平衡法所无法考虑的，从计算结果来看，边坡安全系数的提高值达到0.119，是不可忽略的效应。5框格梁受力特性与设计建议计算平衡后边坡各级框格梁体系的纵梁弯矩图见图11～15。从图中可以看到，未施加预应力的锚杆框格梁体系纵梁受力较小，且较无规律，如图11、图15。施加预应力的锚杆（索）框格梁体系规律性较为明显，在预应力框格梁交叉点，即锚墩部位，弯矩达到峰值。梁中心位置弯矩为负值，达到极值。对于同一根纵梁而言，弯矩值峰值大小各不相等，对于预应力锚杆框格梁，靠近边坡坡脚的弯矩大，压力分散型锚索框格梁中部第2排锚索锚墩处的弯矩值最大。锚墩处、两墩之间的格梁位置都是需要配筋加强的部位。在设计中应在锚墩位置格梁下方设置拉筋，在两墩之间格梁中部为负弯矩最大值，应设置负筋。对于中部锚墩处，所受弯矩往往大于两侧锚墩，应给予足够的考虑。图11第一级锚杆框格梁纵梁弯矩图图12第二级预应力锚杆框格梁纵梁弯矩图图13第三级预应力锚索框格梁纵梁弯矩图图14第四级预应力锚索框格梁纵梁弯矩图图15第五级锚杆框格梁纵梁弯矩图6结论以模型试验原型边坡为研究对象，对不支护情况和实际采用的锚杆（索）框格梁体系支护两种情况进行了对比分析，分析了框格梁的受力。主要得到以下2点结论：（1）数值模拟结果显示加固后改善了边坡的稳定性，采用框格梁体系加固与边坡形成了一个整体，主动有效的限制了边坡变形，将边坡的下滑力的相当一部分通过锚索传给深部稳定的基岩承担，大大提高了边坡的稳定性。从本文的结果看，由于整体加固效应对安全系数的提高值为0.119，是不可忽略的效应，应引起设计关注。（2）预应力锚杆（索）框格梁锚墩部位弯矩达到峰值，梁中心位置弯矩反转达到极值，锚墩处和梁中心位置是配筋控制截面。而同一纵梁上，位于中间的锚墩处的格梁弯矩更大，设计应予以足够考虑。参考文献[1]胡时友.框格护坡技术的新进展[J].西部探矿工程,1999,11(4):111-114.[2]王兴国,罗维宏,李鑫等.压力分散型锚索在边坡工程中的设计与应用[J].公路,2005,99-105.[3]程良奎.岩土锚固的现状与发展[J].土木工程学报,2001,34(3):7-12.[4]齐明柱