预应力锚索抗滑桩在边坡治理工程中的应用

预应力锚索抗滑桩在边坡治理工程中的应用

1抗滑桩技术特点自20世纪60年代初至今已有抗钢筋混凝土滑动桩引入中国，并在成昆铁路的成功圆弧控制中取得成功后，已发展成为成熟的圆弧控制技术措施，并在国际金融中得到广泛应用。但在治理地形较陡、滑动面较深的大型、特大型滑坡时,往往暴露出截面很大,埋深很长,桩头悬臂过长,桩头位移偏大,造价高,施工困难等缺点。20世纪80年代,铁道部科学研究院西北分院在桩头加预应力锚索后大大改善了桩的受力条件,桩身弯矩和剪力大大减小,取得了良好的工程治理效果和经济效益。近年来,随着国内山区高速公路建设的快速步伐,锚索抗滑桩技术也愈来愈为广大工程技术人员所了解并灵活采用,解决了很多边坡治理工程的技术难题。因为其计算理论及计算方法相对比较复杂,设计人员多采用工程类比方法来进行锚索抗滑桩设计。本文结合西蓝商秦岭南段隧道边坡治理的工程实践,旨在通过对普通抗滑桩及锚索抗滑桩受力特点的对比分析,见表1,更好地说明锚索抗滑桩的结构优点。2抗滑桩和锚索抗滑桩的张力特征分析2.1土拱作用下土拱作用普通抗滑桩是利用稳定地层岩土的锚固作用以平衡滑坡推力,借助于桩的受力段以及桩背土体与桩两侧的摩阻力形成的土拱效应以稳定滑体。它的作用机理是把桩身嵌入滑床以下,利用抗滑桩自身的强度和地基抗力来抵抗滑移和倾覆力矩。2.2大中轴预应力变形悬臂桩的形成原因锚索抗滑桩结构是通过锚索施加预应力在桩头上,使抗滑桩-预应力锚索形成联合受力体系,用预应力产生的稳定力矩平衡倾覆力矩,使原来的悬臂桩变成了近似的简支体系,桩的受力条件发生了根本的变化,通过施加大吨位预应力,可使桩身反压在岩土上,形成“主动反压”支挡结构,严格限制滑体的位移再发生。2.3锚索抗滑桩是一种特殊的桩-锚索联合体系,主要考从受力机制上看,普通抗滑桩是“被动型”的受力结构,其允许桩头在一定范围内位移。抗滑桩浇筑完成后,并不立即起支挡作用,只有当滑坡推力作用在桩上,使桩产生位移和变形,形成地基反力,桩才能逐渐具备抗滑能力。此种受力特点,对需要治理的滑坡,特别是当滑坡体上或前缘处有重要的建筑物时,都不能很快地阻止滑坡的变形和开裂。锚索抗滑桩是将桩-锚索这种联合体系用于支挡结构,使二者协调受力,既利用了预应力锚索强度高、抗拉性好、易弯曲、好操作的特点;也利用了钢筋混凝土结构易于形成整体结构,混凝土的抗剪、抗压性能好,与土体反压后形成自身阻滑的特点。通过预应力的“主动提前作用”,既改善了桩身的受力情况,又严格限制了桩头的位移,有效地阻止了滑体的变形趋势。锚索抗滑桩的优点:(1)锚索抗滑桩改变了普通抗滑桩的受力状态,减小了桩身弯矩和剪力,因而减小了桩的截面和埋深,节省了材料和造价。(2)预应力锚索严格地控制了桩头的位移量,变普通桩的被动受力为主动受力,减小了滑体位移量,对保持滑带或潜在滑带的强度有好处。(3)能较快稳定边坡。3锚索锚固力计算锚索抗滑桩设计包括:滑坡推力和桩身内力计算;确定桩在滑面以下的埋深;桩身截面选择,锚索锚固力和设计拉力计算;锚索孔直径及锚固深度计算等。其中设计拉力和桩身内力计算是广大设计者比较头疼的计算步骤,下面进行简化计算加以说明,其他步骤可按照相关规范公式套用。3.1构弹性桩-裂性桩-变形桩的连接(1)桩顶锚索的设置不妨碍桩顶转动,只限制它在一定范围内发生水平位移,它们是铰性连接。(2)桩在弹性地基中受力变形。(3)预应力锚索抗滑桩的受力状态类似简支梁。3.2预应力锚索支护有限元分析前苏联学者л·K金布格和Б·N依申柯曾经提出用控制桩顶水平位移的方法计算锚索抗滑桩锚索的设计拉力P。其计算公式和模型如下:式中:EcIc为桩截面刚度;δQQ、δQm为分别为在M0=1和H0=1时0点在剪力方向产生的位移;δmm、δmQ为分别为在M0=1和H0=1时0点产生的转角;y2为给定的桩顶允许水平位移。在预应力锚索的弹性变形范围内。上述计算比较繁琐,通常用的简化计算方法为:计算作用在每根桩上的滑坡推力E、桩前滑动面上岩土的抗力Ea,计算出H0,锚索拉力取P=0.5H0是比较常规的做法,为有效减小桩弯矩,应达(0.2～0.3)H0,再小就不能发挥锚索的优点。拉力计算筒图见图1。3.3内杆截面的内力计算(1)锚固段地基系数求出单根桩上锚索的总拉力在水平方向的分力P之后,把其视为作用在桩顶的外力,滑坡推力按矩形分布,桩前滑动面以上岩土抗力按主动土压力或剩余下滑力计算,就很容易算出预应力锚索抗滑桩的桩身内力。桩身内力计算筒图见图2。计算时首先把各力移至滑面处,求出H0和M0:H0=E−P−EaM0=Eh0−Ph−13Eah1Η0=E-Ρ-EaΜ0=Eh0-Ρh-13Eah1式中:E为作用在桩上的滑坡推力;h0为滑坡推力合力作用点至滑动面的距离;Ea为作用在桩上的桩前主动土压力;h为锚索合力作用点至滑动面的距离;h1为滑动面以上桩前岩土厚度。当锚固段地基系数为常数K时式中:β为桩的变形系数,m-1;K为地基系数,kPa/m;E为桩弹性模量,kPa;I为桩的截面惯性矩,m4;Bp为桩的计算宽度,m,对矩形桩Bp=b+1(b为矩形桩的设计宽度)。当锚固段地基系数为三角形分布时式中:α为桩的变形系数,m-1;m为地基系数(随深度增加的比例系数),kPa/m。设滑动面作用单位力(即H0=1)时,滑动面处桩的水平位移为δ(0)HHΗΗ(0),转角为δ(0)MHΜΗ(0)设滑动面作用单位力(即M0=1)时,滑动面处桩的水平位移为δ(0)HHΗΗ(0),转角为δ(0)MHΜΗ(0)则滑动面处桩的水平位移x0=H0δ(0)HHΗΗ(0)+M0δ(0)HMΗΜ(0)转角φ0=−(H0δ(0)MH+M0δ(0)MM)转角φ0=-(Η0δΜΗ(0)+Μ0δΜΜ(0))滑动面以下深度z处桩各截面内力:Mz=α2EI(x0A3+φ0αB4+M0α2EIC3+H0α3EID3)Μz=α2EΙ(x0A3+φ0αB4+Μ0α2EΙC3+Η0α3EΙD3)(2)计算的钢筋调整算出桩身内力并绘出剪力图、弯矩图之后,即可进行配筋计算。4采用隧道边坡处理工程4.1滑桩设计方案刘坡隧道滑塌段是浅埋隧道段,原有山体地表自然坡度40°～45°,围岩为绢云母片岩,岩石强度较低,易风化,围岩自稳能力差。2011年夏季受50年一遇连续降雨,地表水充分饱和,地表水沿碎石土体孔隙渗入,改变碎石土体内的水动力条件,增大了碎石土的重度并降低了碎石土的力学强度,隧道洞顶上方山体的堆积体发生滑塌,滑塌体整体形态呈马蹄形,前缘至后壁高差约60m,滑坡体长约135m,宽约108m,平均厚度约18m,方量16万m3,边坡变形方向为224°,后缘拉张裂隙宽约0.3m,左、右缘拉张裂隙宽约0.05～0.1m,裂隙最大可见深度约1.2m,每延米计算剩余下滑力为2400kN/m。工程平面布置图见图3,工程断面布置图见图4。因其滑动面较深,且滑坡推力较大,地面坡度较陡,如采用普通抗滑桩无法治理,故设计方案调整为:隧道洞身开挖边线左、右两侧各4m外平行隧道方向设置两排抗滑桩,共38根。其中隧道洞身左侧共设置锚索抗滑桩19根,纵向间距6m,主滑段采用2.5m×3.5m矩形截面,两边侧为2m×3m矩形截面,抗滑桩每根桩桩顶设置4根预应力锚索,单根锚索施加600kN预应力。桩间采用现浇钢筋混凝土挡板将桩连为一体,遮挡表层落石。隧道洞身右侧共设置普通抗滑桩19根,纵向间距6m,采用2m×3m矩形截面。滑坡体外缘线以外5m处及滑坡体坡面上设置截水沟。4.2围岩自稳能力韩村隧道左线明洞段及洞口自然坡度45°～50°,岩体为绢云母片岩,岩石强度较低,易风化,围岩自稳能力差,洞口易落石。隧道明洞开挖过程中,边坡出现变形。在开挖边线外设置7根抗滑桩,桩均为2m×3m矩形截面。其中在明洞范围内设置4根全埋置式普通抗滑桩;在隧道洞口外设置3根锚索抗滑桩,