框架预应力锚杆柔性边坡支护结构的研究

框架预应力锚杆柔性边坡支护结构的研究

1框架预应力锚杆柔性边坡图3支护结构近年来，随着中国公路、铁路等基础设施的大规模建设，出现了大量的边坡工程。为了保证公路、铁路和基础设施的运营安全和临坡建筑的使用安全,则必然要求对这些边坡进行支护加固。传统的支护方法多采用刚性挡墙,比如重力式挡墙、悬臂式挡墙和扶壁式挡墙等,但是这些挡墙断面尺寸大,因此显得笨重而不经济,且抗震性能差;现在常用的支护方法有锚索抗滑桩、预应力锚索格构梁、框架预应力锚杆支护结构等,这些支护形式不仅可适用于高大边坡,而且为柔性支挡,能充分发挥锚索或锚杆与土体的空间协同作用,同时具有良好的抗震性能,可以有效控制边坡变形。另外,框架预应力锚杆柔性边坡支护结构还具有结构轻巧、综合造价低、外型美观等特点,对保证公路、铁路和建筑物的使用安全,防止滑坡发生,保护周边环境具有现实意义。目前,对于框架预应力锚杆柔性边坡支护结构的设计,多采用平面应变简化计算法,通过笔者设计的数十个边坡工程发现,现有的设计与施工还存在许多问题,比如边坡开挖放坡尺寸的确定、锚杆长度的设计、底部锚杆合理位置的确定等。因此,本文以某边坡工程为例,详细分析讨论框架预应力锚杆柔性支护结构设计和施工中存在的若干问题,以期为今后的工程设计和施工提供借鉴和参考。2框架预应力锚杆边坡支护结构及施工技术兰州市南出口道路山体加固工程某公路边坡,边坡高度为11.0m,坡顶存在既有5层框架结构住宅楼,住宅楼宽度为14.2m,采用条形基础,基础埋深为2.6m,住宅楼外墙离坡顶边缘距离为6.0m。在边坡开挖深度范围内土体为黄土状粉土,其主要物理力学性质见表1。依据边坡高度和破坏后果,该边坡工程的安全等级为一级,当采用圆弧滑动法进行稳定性分析时,边坡最小稳定安全系数取1.3。采用框架预应力锚杆支护结构进行边坡加固,边坡倾角设计为82°,布置4排预应力锚杆,锚杆水平间距取2.5m,竖向间距取2.5m,第1排锚杆离坡顶的距离为1.5m,立柱和横梁截面尺寸均取为b×h=300mm×300mm,混凝土强度等级采用C25,支护结构立面布置如图1所示。另外,锚杆锚固体直径采用150mm,锚杆水平倾角取10°,锚杆采用HRB335级钢筋,具体计算采用“深基坑支护结构设计软件V1.0”中的框架锚杆边坡支护模块进行。该软件采用面向对象的程序设计方法,以VC++6.0为开发平台,依据《建筑基坑支护技术规程》JGJ120―99中相关的要求规定,采用圆弧滑动条分法并借鉴简化毕肖普法的思想针对黄土地区适用的几种支护结构类型(悬臂桩、土钉墙、排桩预应力锚杆支护结构、框架预应力锚杆支护结构)进行编写。经过计算满足最小稳定安全系数后的框架预应力锚杆支护结构锚杆设计结果见表2。3设计与施工中关键要素的分析3.1该计划的主要问题3.1.1关于边坡稳定性验算的一般规定,应将工程应用标准上升到最在边坡工程设计中有两个概念是很多设计人员容易混淆的,那就是稳定系数和稳定安全系数。边坡稳定系数K为沿最危险滑裂面或理论破裂面作用的抗滑力与下滑力的比值,它反映边坡的稳定情况;进行边坡稳定性分析的目的就是要找出所有既满足静力平衡条件,又满足合理性要求的安全系数解集,从工程实用的角度看,就是找寻安全系数解集中最小的安全系数,其相当于这个解集的一个点,这个点就是边坡稳定安全系数Ks,它具有工程概念,不同性质的工程对边坡安全性有不同的要求。边坡稳定安全系数在边坡工程中具有重要的技术经济意义,一般要求K≥Ks。对边坡的稳定性安全系数提出明确规定的是我国《建筑边坡工程技术规范》(GB50330―2002)5.3.1条,即边坡工程稳定性验算时,其稳定系数不应小于该规范表5.3.1所规定的边坡稳定安全系数的要求,否则应对边坡进行处理。对于本边坡工程,由于高度为11.0m,且坡顶存在既有建筑物,如果边坡发生坍塌则会影响既有建筑物的安全,因此考虑其安全等级为一级,又因为边坡土质均匀,其滑裂面形状为圆弧形,所以综合分析其计算分析中稳定安全系数取1.3。3.1.2坡顶承载力设计边坡工程的最初设计往往只考虑承载力问题,但是随着边坡工程环境的日益复杂,如今的边坡设计需要综合考虑承载力与稳定性问题。此处需要强调的是边坡的承载力设计不同于地基承载力设计的概念,其主要强调锚杆的强度设计问题,因为锚杆需要保证既不能连同锚固体被拔出,更不能杆体直接被拉断,而地基承载力则是对地基土的强度以及基础形式和尺寸提出要求。在本边坡工程设计中,坡顶荷载主要考虑5层框架结构住宅楼,每层荷载为12kPa,坡顶条形均布荷载距离边坡坡顶边缘6.0m。设计过程中首先按承载力设计,设计结果见表3,在表3设计结果的基础上进行圆弧滑移面搜索,经计算其稳定系数为1.259,显然不满足最小稳定安全系数1.3的要求,故重新按稳定性进行设计,设计结果见表4,此时稳定安全系数为1.334。对比表3和表4可以发现,按稳定性设计出来的锚杆锚固段长度和按承载力设计出来的锚杆锚固段长度基本相同,因此其分别对应的锚杆极限抗拔力也大致相同,而且都满足大于锚杆支点力的要求,另外,后者对应的锚杆总长度较前者略大,这主要是依据滑移面搜索确定的锚杆自由段长度要偏大一些,由此可以表明,锚杆支护边坡工程设计中锚杆的长度一般应由稳定性来控制,即其设计本质是在满足承载力基础上的稳定性分析设计。3.1.3边坡坡角对边坡稳定系数的影响边坡开挖放坡尺寸主要受到周围环境条件的影响,当坡顶存在既有建筑物时,放坡与既有建筑物的安全性是矛盾的。理论上讲,放坡尺寸越大,边坡坡角越缓,这样对边坡稳定越有利,但是此时坡顶既有建筑物形成的坡顶堆载对边坡的稳定性是越不利的。对于本边坡工程,假设坡角由82º逐渐减小为61º,则坡顶边缘距离5层住宅楼外墙的尺寸由6.0m减小为1.45m,分别计算出对应的安全系数,相应的曲线变化图如图2所示。由图可见,尽管边坡坡角越来越缓,但由于坡顶堆载的不利影响,边坡稳定性处于由有利到不利的状态,当边坡坡角由82º减小为76º时,边坡稳定系数先是略有增加,由1.334增加到1.336,然后又降低,由1.336减小为1.314,但是当边坡坡角由76º减小为61º时,边坡稳定系数持续降低,最小值为1.179,这说明在减小边坡坡角以对边坡稳定有利和同时减小了坡顶边缘与建筑物的距离而对边坡稳定不利的矛盾中存在一个临界点,但是要准确地确定这个临界点是很困难的,因为它受到诸多条件的影响,其一是土质条件,其二是边坡本身的状态,其三是既有建筑物的基础形式。从工程经验的角度判断,既有建筑物采用深基础和浅基础对边坡稳定性的影响是不同的。具体分析可以理解为:常用深基础形式有筏板基础和桩基础,其整体性好,且埋深有时超过了边坡本身的高度,这显然对边坡的稳定性是有利的;常用浅基础形式有条形基础和柱下独立基础,这一类基础埋深浅,整体性相对较差,边坡的开挖对既有建筑物的侧移有重要影响;另外,由于条形基础埋深浅,其对第1排锚杆的竖向布置有影响,以本边坡工程为例,第1排锚杆离坡顶1.5m,水平倾角为10º,根据计算可知该排锚杆到达建筑物外墙时离地面的距离为2.6m,即刚好从基础底面穿过,如果再靠上布置则会碰撞基础。因此,在实际边坡支护中,对于坡顶存在既有建筑物的情况,究竟是采用大放坡还是小放坡应该根据边坡土质状况和建筑物的基础形式等多种因素综合确定。3.1.4摩阻、锚固体段土层锚杆的自由段作用是对锚杆施加预应力;锚固段作用是通过锚固体与土层的黏结摩阻作用或锚固体的承压作用,将自由段的拉力传至土层深部。一般而言,锚杆自由段根据边坡土体的滑裂面计算而得;而锚固段长度则根据锚杆设计拉力计算确定。但是,目前的设计中,关于锚杆长度到底如何确定还是存在一些问题,主要表现在以下两点:(1)部分框架预应力锚杆柔性边坡支护工程中存在的问题部分设计人员在设计过程中存在一种错误认识,那就是在锚杆总长度不变的情况下,锚固段长度越大越好,此时必然锚杆自由段越小。因此,在设计时即使计算所得自由段长度较大,也要有意识地将其调小,而将调小的部分加到锚固段长度上去。实际上,考虑到坡壁的总体稳定及深部滑裂面稳定,自由段长度应该稍大于计算值,文献规定锚杆自由段长度不得小于5.0m,且须超过滑裂面1.0m。但是无论是按照平面滑移面还是按照圆弧滑移面计算,边坡的下部几排锚杆的自由段长度都不会超过5.0m。如果严格执行前面的规定,那就相当于无形加长锚杆,这实际上也是没有必要的。部分框架预应力锚杆柔性边坡支护工程中存在自由段设计过短的问题,从而使得一部分锚固段位于滑裂面主动区内,如图3所示。在边坡开挖过程中,当坡壁在主动土压力作用下出现变形时,主动区内锚固段的黏结力会逐渐减小至消失,甚至转变为面向边坡临空面方向的黏结力,即负黏结力,这样反而使得原设计的有效锚固段长度减小,影响了锚固效果。(2)锚固段长度的影响锚固段长度是预应力锚杆加固结构中一个非常重要的设计参数。大量研究表明,锚杆锚固段的黏结应力τ的分布并不是我们通常所假定的均匀分布,而是从锚点开始向内端逐渐减少。当张拉荷载较小时,仅上部锚固段发挥锚固作用,下部基本不发挥作用;随着张拉荷载的增加,黏结应力峰值逐渐向下端转移,但是此时也不是沿锚固段长度区间内的所有土层强度都得以利用,而是主要利用前段。当锚固段长度超过一定数值后,长度的继续增加对锚杆承载力的提高非常有限,理论上讲,锚固段临界长度应该以边坡稳定安全系数刚满足要求为宜,但是由于边坡土质条件与周围环境条件往往较复杂,目前要精确计算还有较大难度。因此,在一定边坡工程背景下,寻求经济合理的锚杆锚固段长度是加固工程能否成功的一个关键因素。3.1.5桩基础推力的确定在框架预应力锚杆柔性边坡支护结构中,一般都在框架立柱底端设计一短桩基础,其作用有两点:其一是防止框架整体沉降引起梁柱扭转变形导致预应力锚杆产生过大的预应力损失;其二是短桩基础可以依靠坡底标高以下的土体被动土压力来抵抗土体产生的主动土压力,这样可以减小底部锚杆的受力。对于桩基础推力的确定,笔者认为基础推力作用于桩顶,推力的大小确定有两种方法:其一是被动确定法,即将桩顶假定为固定端,由上部框架计算模型计算出固定端的反力作为推力值,并以此推力大小来确定桩长;其二是主动确定法,先假定桩长,然后根据桩基础深度范围类的土压力分布计算出桩顶推力,并以此推力大小反求上部框架计算模型的内力,这样还可以考虑内力重分布的影响。但是,现在很多计算模型中都未考虑桩基础的作用,而是将其按构造处理,作为一种安全储备,其长度一般都在3.0~5.0m之间。桩基础对边坡的稳定性影响究竟有多大这个问题还没有引起设计人员的关注,图4给出了考虑桩基础影响以后对边坡稳定性的提高作用。由图可知,随着基础推力由0增加至350kN,边坡稳定系数由1.334增加至1.722,而且基本上呈线性增加的趋势,因此在边坡稳定性分析中充分考虑桩基础的作用是有必要的。3.1.6边坡稳定系数《建筑边坡工程技术规范》(GB50330―2002)中明确指出,锚杆挡墙支护中第1排锚杆锚固体上覆土层厚度不宜小于4m,第1锚点位置可设于坡顶下1.5~2.0m处,这主要是考虑第一排锚杆需要足够的上覆土压力以产生抗拔力抵抗锚杆的拉力。对于底层锚杆,现有的很多工程设计都习惯于将其设置于短桩基础顶面,这既有利又有弊,利在于锚杆总体越靠下,按照滑移面的形状来看,锚杆的有效锚固段长度增加,因此其提供的极限抗拔力必然增大,从而对稳定性有利;弊在于锚杆过于靠下,一方面不能发挥桩基础的有效作用,二是导致上部锚杆拉力值明显增加,个别锚杆采用单根锚杆不足以满足抗拔力要求。针对本边坡工程,假设锚杆间的竖向间距和总长度保持不变,仅考虑底层锚杆离桩顶的距离改变,求出不同情况下的边坡稳定性系数和对应的锚杆最大拉力值,如图5所示。由图可知,随着锚杆布置总体下移,边坡稳定系数持续线性增加,当底层锚杆离桩顶的距离由2.6m减小为0.5m时,稳定系数由1.288增加到1.465,显然锚杆过于靠上边坡稳定系数不满足大于1.3的要求;另外,随着锚杆下移,锚杆的最大拉力值也在发生改变,而且作用位置也有变化,当底层锚杆离桩顶的距离由2.6m减小为2.0m时,锚杆最大拉力产生于第2排锚杆,数值由221.24kN减小为192.95kN,但当由2.0m减小为0.5m时,锚杆最大拉力转移至顶部锚杆,拉力由192.95kN增加至261.57kN,此时单根锚杆无法满足承载力要求。因此,依据《建筑边坡工程技术规范》(GB50330―2002)规定锚杆上下排垂直间距不宜小于2.5m的要求,如果将桩基础假想为一个锚杆支点,笔者认为底层锚杆离桩顶的距离不宜小于2.0m。3.1.7继续施工或在实际挡土墙设置时,对素混凝土挡墙应设置在20m伸缩缝对于边坡支护结构是一个比较新的概念,中国《建筑边坡工程技术规范》(GB50330―2002)指出,重力式挡墙的伸缩缝间距,对条石、块石挡墙应采用20~25m,对素混凝土挡墙应采用10~15m;《建筑地基基础设计规范》(GB50007―2002)也明确规定重力式挡土墙应每隔10~20m设置一道伸缩缝。如果参照《混凝土结构设计规范》(GB50010―2002)对于现浇框架式结构伸缩缝长度取55m的规定,框架预应力锚杆柔性边坡支护结构伸缩缝间距也取55m,这有点不合理,因为坡度较大的边坡框架一般都带面板,其与坡面紧密接触,散热性能一般,因此建议这种支护结构的伸缩缝间距也取20~25m。3.2施工中的重点3.2.1锚杆位置对边坡面及梁柱位置的影响边坡修坡和锚杆的定位至关重要。框架预应力锚杆柔性边坡支护结构作为一种永久性加固结构,其立面是否美观直接影响人们的视觉。因此,修坡后的边坡沿坡面是否平整,锚杆的位置是否准确会关系到梁柱能否保持在一个平面上以及梁柱形成的交点是否恰好位于锚杆位置处。图6为某边坡施工中的照片,从图中能够看出坡面凹凸不平,菱形式格构梁扭曲变形,很多锚杆并未处于格构梁的交点上,这样势必导致节点受力不均,而且总体上明显不美观。3.2.2锚杆二次注浆施工技术灌浆对锚杆抗拔力起很大的作用,土层锚杆的锚固段和土体摩擦力的数值与锚固段和周围土体的挤密程度、黏结度有关。当采取措施增大灌浆压力后,水泥浆会更多地深入到周围土层中去,从而增加锚固体与土层的摩阻力。根据砂浆收缩的特点,锚杆施工技术的关键是二次注浆,第1次在锚杆锚固段注浆,待其水泥砂浆初凝收缩后再用水泥净浆补注一次,尽量使得注浆棒与土体之间的缝隙减小,增大两者之间的摩阻力。试验表明,如果在水泥砂浆初凝状态时再在其周边注入水泥浆,使水泥浆挤入土体,能增加土体对锚固段的法向应力,从而较大地提高锚杆的承载力,二次注浆其承载力一般为一次注浆时的两倍,且徐变大大减少,这样也可减少锚杆预应力损失。另外,锚杆灌浆一定要采取孔底注浆法,边注边抽注浆管,以将孔洞中的空气完全排出,待锚固段注浆完毕后,在锚杆端头封口前,在自由段的套管外也注入水泥浆体以有效保护套管不受腐蚀,提高其耐久性。3.2.3空间协同工作框架预应力锚杆柔性支护结构作为一种主动加固结构,锚杆的预应力作用非常突出。在框架梁柱混凝土的强度达到85%以上后,就需要对锚杆施加预应力,这样做的目的旨在尽快发挥框架与锚杆的空间协同工作能力,保证下一工况循环的施工安全。图7所示在某边坡工程施工过程中,上一级施工完毕,但是最下面一排锚杆未及时施加预应力,结果出现了局部塌方的问题,塌方的位置恰好在倒数第2排锚杆处,这充分说明此排锚杆的预应力发挥了重要作用。关于锚杆预应力对边坡土体的主动加固作用、对基坑边坡周围既有建筑物的变形控制作用已经在笔者所在课题组所实施的诸多基坑和边坡工程中得到了验证。3.2.4