预应力锚索与混凝土框架梁复合支护结构的边坡加固

预应力锚索与混凝土框架梁复合支护结构的边坡加固

1抗滑桩加固坡体预制混凝土结构是近年来在加强边坡上应用的一种复合结构。该涂层的柔性支护装置与结构梁的组合在实际设计中得到了良好的保护效果。在公路、铁路和水利边坡加固工程中，为了阻止岩土体随潜在滑移面滑动，多采用预应力锚索加固坡体，预应力锚索通过潜在滑动体，深入基层岩体，主动利用基层岩体来加固坡体，防止土体下滑。而表层岩土体的加固和水土保持，则主要依靠框架梁浅表护坡，框架梁不仅可以遏制滑动体的下滑，在框架梁的框格中还可以进行植被护坡，保持水土，提高工程的绿化率，恢复原来的生态环境。综合考虑锚索和框架梁的边坡加固效果，将预应力锚索和混凝土框架梁共同应用于边坡工程中，既可利用锚索的深层锚固作用锚固坡体，又可利用框架梁的表层锚固进行植被护坡，美观大方，适用于整体稳定性差、表层坡面需防护的高陡边坡的整治。2预应力锚索框架梁的确定在如图1所示的预应力锚索与框架梁的复合结构中，框架梁除表层固坡作用外，还有传力作用。单独使用预应力锚索进行边坡加固，锚索拉力过大会引起表层坡体的变形，甚至破坏，而坡体过大的变形又会导致锚索预应力的损失。将预应力锚索与框架梁结合，框架梁起到锚墩的作用，由于框架梁与坡面的有效接触面积大，坡体在锚索作用下的变形得到限制。因此，预应力锚索框架梁的内力计算时应考虑锚索对框架梁的影响。预应力锚索框架梁上的锚索在边坡支护过程中可划分为两种工作状态：张拉状态和工作状态。张拉阶段和工作阶段均满足以下的基本假定：(1)框架梁为弹性梁；(2)预应力锚索的拉力视为集中荷载作用在框架梁节点上。在锚索的张拉阶段，锚索拉力已知，为锚索的初始预应力。如果边坡处于稳定状态，坡体不发生变形，相应的锚索拉力也不发生变化，始终为初始预应力iP。锚索是主动受力的，它迫使土体变形，产生被动抵抗力q(x)。根据Winkler假定，土体表面任一点的压力强度与该点的沉降成正比，即式中：k为基床系数。框架梁的计算简图如图2(a)所示，根据弹性地基梁法，可计算框架梁的内力。在锚索的工作阶段，坡体发生变形，土体下滑产生平行于潜在滑移面的滑坡推力，框架梁阻止了滑动体的下滑，锚索处于被动受力状态，锚索上的拉力随坡体的变形而变化，框架梁上的内力也随之发生变化。目前的设计计算方法多是根据经典的土压力理论或土体容重来计算作用在框架梁上的土压力，锚索拉力按照初始张拉力计算，没有考虑锚索的工作状态和坡体变形对框架梁上土压力的影响。本文建议根据滑坡推力确定作用在框架梁上的土压力o(x)，反推锚索拉力Ei，参照图2(b)所示的计算简图进行框架梁的内力计算。3节点处的竖向位移和转角将框架梁拆分为横梁和纵梁。为解决节点荷载的分配问题，通常采用文克尔地基模型，要求满足静力平衡条件和变形协调条件。假设节点i处的的力为iF，分配到x方向纵梁的力为Fix，分配到y方向横梁的力为Fiy，按照静力平衡条件有Fix+Fiy=Fi。假设纵横梁在节点i处的竖向位移和转角相同，且与该处地基的变形相协调。为了简化计算，假设在节点处纵梁和横梁之间为铰接，即一个方向的条形基础有转角时，在另一个方向的条形基础内不引起内力，节点上两个方向的力矩分别由相应的纵梁和横梁承担。因此，只考虑节点处的竖向位移协调条件，即w纵=w横=w。根据静力平衡条件和变形协调条件可以建立联立方程组，得到纵横梁上的节点分配荷载Fix和Fiy。3.1锚索抗拉t框架锚索拉力经分配后作用在单梁上的分力为iP。根据Winkler弹性地基梁假定，土体表面任一点的压力强度与该点的沉降成正比，即q(x)=ky，根据图2(a)所示的计算简图，建立如下基本微分方程：式中：p(x)为作用在梁上的荷载，在框架梁节点处，p(x)为锚索的初始预应力iP，对于梁上其他各点，p(x)=0。根据节点荷载作用点距梁端的距离，将单梁划分为无限长梁、半无限长梁和有限长梁，求解上述微分方程即可得梁的变形和内力。3.2框架梁土压力锚索处于工作阶段时，锚索的张力发生变化，不再是初始张拉力。不考虑锚索张力对滑体的遏止作用，根据滑坡推力确定作用在框架梁上的土压力，采用倒梁法反推锚索张力。锚索张力的影响则通过增大安全系数的方式对下滑力进行修正。假设框架纵梁之间的间距与边坡范围相比足够小，因此可认为框架各纵梁上的土压力均相等，不考虑纵梁之间对土压力的相互影响，可只计算其中一个纵梁上的土压力。将框架梁下的土体划分为单独的条块，采用传递系数法计算上一滑块对该滑块的下滑力iT:式中：Ks为安全系数；iW为条块i所受重力；αi为条块i滑面的倾角；ϕi为条块i滑面上岩土的内摩擦角；ci为条块i滑面上岩土体的黏聚力；li为条块i的滑面长度；Ti-1为条块i-1的下滑力；ψi为传递系数，且有当边坡发生变形时，滑动体随潜在滑移面下滑，考虑到框架梁和锚索的阻遏作用，可通过适当增大安全系数Ks的方式进行修正，一般取为1.20～1.35。将下滑力iT均匀分布到深度方向，压力强度为式中：ih为第i个滑体的高度。由于前部土体对滑动体的遏止作用，在垂直于潜在滑移面的方向会产生侧向土压力σPi，且式中：Ka为主动土压力系数，根据朗金土压力理论可知Ka=tan2(45-ϕi/)2，ϕi为第i个滑块土体的内摩擦角。图3所示为根据滑坡推力确定土压力计算图。该侧向土压力的垂直于框架梁方向的分力即为滑块i作用在框架梁上的土压力oi，且式中：θ为滑移面与框架梁之间的夹角。假设框架梁上的土压力为线性分布，只需由滑坡推力确定框架梁两端点的土压力1o,o2，线性分布于梁上即可。如图2(b)所示的计算简图，单梁的受力模式为静定结构，梁上土压力o(x)确定后，采用倒梁法反推锚索拉力Ei，按连续梁计算梁的内力。4深层岩土体加固作用预应力锚索框架梁加固边坡时，预应力锚索在加固深层岩土体、防止坡体下滑中起到关键作用。如何最大限度地利用岩土体本身的强度去加固坡体是预应力锚索设计的重点。4.1预应力锚索安装的最经济分析锚索对岩土体提供的抗滑力受锚索的锚固角影响很大，为充分发挥锚索的锚固作用，提供最大的抗滑力，降低成本，锚固角的确定至关重要。为使锚索对岩土体提供最大的抗滑力，须以最大抗滑力锚固角β=ϕ-α安装预应力锚索，其中，ϕ为滑动体的内摩擦角，α为滑动面的倾角。此时，锚索对滑动体提供的为最大抗滑力。但锚索长度可能较长，不是最经济的。锚索的造价与锚索长度相关，锚索长度越长，造价越高。锚索由锚固段和自由张拉段组成，最经济锚固角是单位自由张拉段长度的锚索提供的抗滑力最大时的安装角度，即β=45+ϕi/2-α。综合考虑最大抗滑力和锚索造价两方面，根据最大抗滑力锚固角和最经济锚固角确定预应力锚索的最优化锚固角。4.2锚固效果分析预应力锚索加固深层岩土体时，锚索应深入基层岩体足够的锚固深度，以确保锚固效果。锚索的锚固长度受锚索直径、锚索单束根数、锚索单束直径、锚索设计锚固力、水泥砂浆与锚索粘结强度的设计值、水泥砂浆与孔壁岩石粘结强度的设计值、基层岩体强度等因素影响，确定锚固长度时应综合考虑上述因素。4.3锚固力的确定若锚索间距过小，会产生群桩效应，减小锚索的锚固力；若锚索间距过大，会导致单根锚索的锚固力过大，应力集中。锚索间距的确定相当重要。我国规范规定，锚索最小间距不得小于1.5m。预应力锚索框架梁中应尽量采用较小间距、小吨位的锚索，确保坡面土体受力均匀，不会发生局部变形。建议锚固间距ls<π/(2λ)，λ为框架梁弹性特征。5预应力锚索框架设计某高速公路K28+905工点处边坡开挖达四十多米，共设计了6级边坡，采用抗滑桩、预应力锚索抗滑桩和预应力锚索框架地梁加固结构。其中，预应力锚索框架地梁加固的边坡坡角为24°。存在直线型天然滑移面，与水平面成21°，边坡变形大。坡体属于二迭系碳质泥岩，内摩擦角ϕ=20°，如图4所示。采用六节点锚索框架梁加固。框架梁加固浅表坡体，锚索深入滑动体以下的基岩，加固深层滑动体。框架梁尺寸如图5所示，框架梁的6个节点处分别布置预应力锚索。经计算表明，框架梁下滑动体的剩余下滑力为827.02kN/m。将滑坡推力产生的侧向土压力对垂直于框架梁的方向分解，可得点A处土压力为52.92kPa，点B处土压力为32.11kPa，沿纵梁长度方向线性分布。横梁上的土压力等于对应的纵梁上该点的土压力，土压力集度为恒定值。采用倒梁法，计算出的锚索内力为M1=M6=1310.68kN,M2=M5=1263.51kN,M3=M4=1152.92kN。经过与现场监测结果的比较，误差在允许范围内，土压力和梁上内力基本一致。该法计算锚索工作阶段框架梁上土压力准确可靠，且作用机制符合实际。6框架梁预应力锚索防护预应力锚索框架梁是新型的边坡支护结构，本文分析了预应力锚索框架梁的受力机制，根据框架梁和预应力锚索之间的相互影响，得出如下结论：(1)锚索处于工作阶段时，建议先不考虑锚索的作用，根据滑动体下滑产生的滑坡推力确定梁上土压力荷载分布，然后用倒梁法反推锚索拉力。