任紅卓,郭文靜

(1.咸陽水利水電規(guī)劃勘測設計研究院,陜西 咸陽 712000;2.西南交通大學巖土工程系,四川 成都 610031)

邊坡地梁錨索加固中的錨固角設計

任紅卓1,郭文靜2

(1.咸陽水利水電規(guī)劃勘測設計研究院,陜西 咸陽 712000;2.西南交通大學巖土工程系,四川 成都 610031)

針對工程中因地梁錨索錨固角設計不合理而導致錨固失效的工程問題,該文以地梁錨索和坡面巖體間不發(fā)生相對滑動為初判條件,以錨索提供最大抗滑力為設計目標,對錨固角進行分析。得到了預應力地梁錨索的合理錨固角計算公式,進而提出了預應力的利用率這一概念,并以工程實例進行分析。結果表明,該方法方便、可靠;以抗滑力和預應力的比值作為預應力利用率指標,并用其下限值作為是否采用預應力錨索地梁加固措施的判斷標準是安全的。

預應力錨索;錨索地梁;錨固角;初判條件;利用率

預應力錨索加固技術是一項廣泛應用于各種邊坡支護和滑坡整治工程設計的新型結構防護技術,近年來預應力錨索與其它抗滑結構相結合,出現了許多新型的抗滑支擋結構,如預應力錨索抗滑樁、預應力錨索抗滑擋墻等。預應力錨索與地梁相結合共同作用加固坡體是預應力錨索在工程實踐應用中發(fā)展起來的一種新型支擋結構形式,可將其簡稱為預應力錨索地梁。這種結構形式通過對錨索施加張拉力以加固巖土體使其達到穩(wěn)定狀態(tài)或改善內部應力狀況[1]。與預應力錨索錨固技術的飛速發(fā)展相適應,近年來,關于預應力錨索的設計計算理論也得到較多的研究,獲得了一系列的研究成果[2～7]。但對于錨索的錨固角的合理取值卻研究的較少,工程中一般的做法是從施工工藝考慮,認為錨索設置方向以水平線向下傾為宜,通過技術經濟綜合分析,按單位長度錨索提供抗滑增量最大時的錨索下傾角為最優(yōu)錨固角,或者從錨索受力最佳考慮,采用經驗公式,一般采用下傾15°～30°[1]。但這些取值方法是否適合所有工程仍值得商榷,工程中因為錨固角不合理而導致的結構不能發(fā)揮最佳效能甚至結構失效的事故也時有發(fā)生,同時對于預應力錨索地梁的適用性也缺乏應有的研究。本文從地梁和巖土體間的接觸關系和預應力錨索能提供的最大抗滑力出發(fā)推導了錨索錨固角的合理取值,并以錨索預應力的利用率為判斷指標提出了預應力錨索地梁的適用范圍。

1 錨固角的初步確定

式中:P為地梁對坡面巖土的接觸壓力(kPa);T為作用在地梁上的總預應力(kN);b為地梁的寬度(m);l為地梁的長度(m)。

邊坡幾何特征如圖1所示。錨固角為θ,坡面傾角α,滑面傾角c,錨索預應力T。

預應力錨索地梁將錨索的鎖定頭設置在鋼筋混凝土條形梁、格子梁(統(tǒng)稱地梁)上,錨索和地梁結合加固邊坡。該結構利用施加于錨索上的預應力,通過錨索地梁傳入穩(wěn)定地層中,起到加固邊坡的目的。由此可知,預應力通過地梁作用于邊坡巖體中,使地梁對坡面巖土產生極大的接觸壓力,假定該接觸壓力在地梁上平均分布,則有:

圖1 邊坡幾何參數

以地梁下坡面土體某點為研究對象,其受力分解如圖2所示。

圖2 坡面質點受力分解

式中:Np為坡面點正應力(kPa);Sp為坡面點剪應力(kPa)。

地下結構與土體相互作用的許多現象及實驗表明,兩者相互作用直至剪切破壞的滑動面都是在土體一側內發(fā)生的,滑動層的厚薄與土性及結構物表面的粗糙度有關。因此可以認為,地下結構與土體相互作用的界面應該是一個廣義的相互作用影響范圍而非絕對地僅只限于兩者的相互接觸界面,由于土結兩相接觸體系表面的物化性質和表面物理特征等因素的影響,土與混凝土接觸界面間的初始凝聚力和摩擦角一般都比土體自身的值要大,因此對于服從Morh-Coulomb屈服準則的土體當兩者發(fā)生較強的相互作用時,破壞面總是會在土體一側的有限范圍內由于材料的屈服而產生[8]。

預應力錨索地梁能夠正常工作,則地梁-坡體接觸面附近的巖土體必不能發(fā)生剪切破壞,否則,地梁將發(fā)生“上爬”現象,導致預應力不能施加到設計值,影響結構的加固效果。因此,預應力錨索的錨固角必需滿足下式:

其中:cp、φp為地梁和坡面巖土接觸面附近巖體的抗剪強度指標;K為設計安全系數。

將式(2)、(3)代入(4),得:

式(5)即為預應力錨索錨固角確定中地梁和坡面巖土間不發(fā)生相對滑動的初判準則,式(5)取等號可以求得臨界錨固角 θ0。如果錨固角大于 θ0,則坡面的切向分力小于界面的抗剪強度,地梁與坡面不會發(fā)生剪切滑移。如果錨固角小于θ0,則坡面的切向分力大于界面的抗剪強度,地梁與坡面就會發(fā)生剪切滑移。

2 錨固力的最大效率化

任何支擋結構的設計目的均是加固坡體,因此,預應力錨索能否提供最大的抗滑力也成為錨索錨固角確定的主要的設計目標。

仍以圖1所示的邊坡為例,沿滑面分解錨索預應力,由圖3有:

則錨索提供的抗滑力為:Tt=Nhtanφh+Sh=Tsin(θ+c)tanφh+Tcos(θ+c)(8)其中:φh為滑面的內摩擦角。

圖3 滑面抗滑力計算

為求Tt的最大值,對式(8)求導,并令導數為零,即=0可以解得:

即此時錨索提供的抗滑力為最大。其最大抗滑力為:

在預應力錨索地梁中,錨索通過鉆孔及注漿體將鋼絞線固定于深部穩(wěn)定地層中,在地梁表面張拉產生預應力,從而達到使加固體穩(wěn)定和限制其變形的目的。由此可知,錨索預應力是預應力錨索地梁產生抗滑力的根本原因。將預應力錨索產生的抗滑力與錨索預應力的比值稱為錨索預應力的利用率 δ:

若并依此值評價錨索地梁的設計效率,則有效的錨索地梁設計應該使錨索預應力的利用率盡可能大,并且根據工程的實際情況可以確定該值的下限δx,若設計利用率低于該下限值,則可以認為該邊坡不適合于采用預應力錨索地梁加固,或者說使用預應力錨索地梁不經濟。即:

3 錨固角的設計

在已知滑面傾角c、滑面內摩擦角 φh、錨索預應力T、坡角 α、地梁與土接觸面附近巖土的內摩擦角 φp、凝聚力cp、設計安全系數K的條件下,先根據式(5)進行初判,確定臨界錨固角θ0,然后據式(11)計算錨索預應力的利用率,若該值大于0.5則再聯立式(12)并綜合考慮施工工藝及錨索長度確定合理錨固角。

4 應用實例

初判條件(5)取等號解得 θ0=30.4°,則滿足約束條件(5)的錨固角為θ≥30.4°。據約束條件(12)解得θ≤42.5°。即錨固角的取值區(qū)間為[30.4°,42.5°],如圖4所示,圖中抗滑力的單位為kN,錨固角的單位為弧度,圖中實線為式(8)的解,虛線為式(5)取等號時的解。為使抗滑力盡可能的大,則較為合理的錨固角應為31°左右。

圖4 錨固角的取值區(qū)間

5 結 語

工程中常因為錨索錨固角設計不合理而導致預應力錨索地梁不能發(fā)揮最佳效果,甚至導致工程失敗,針對這一問題,本文提出首先按照錨索地梁和邊坡巖體間不發(fā)生相對滑動為初判條件確定錨索錨固角的臨界值,再計算預應力錨索所能提供的抗滑力,以抗滑力和預應力的比值定義一指標為預應力利用率,并以此指標的下限值作為邊坡是否適合采用預應力錨索地梁作為加固措施的判斷標準。

[1]李海光,等.新型支擋結構設計與工程實例[M].北京:人民交通出版社,2004.

[2]張發(fā)明,邵蔚俠.巖質高邊坡預應力錨固問題研究[J].河海大學學報,1999,27(6):73-76.

[3]顧金才,明治清,沈 俊,等.預應力錨索內錨固段受力特點現場試驗研究[J].巖石力學與工程學報,1998,17(增刊):788-792.

[4]張治強,張 國,趙赤云,等.邊坡預應力錨固結構的試驗研究[J].東北大學學報(自然科學版),1999,20(5):536-539.

[5]Wijk G.A theoretical remark on the field round prestressed rock bolts[J].Int.J.Rock Mech.Min.Sci.,1978,(6):289-294.

[6]陳安敏,顧金才,沈 俊,等.預應力錨索的長度與預應力值對其加固效果的影響[J].巖石力學與工程學報,2002,21(6):848-852.

[7]劉小麗.新型樁錨結構設計計算理論研究[D].成都:西南交通大學,2006.

[8]廖雄華,李錫夔.關于土-結相互作用界面力學行為的數值模擬[J].計算力學學報,2002,19(4):75-80.

Design of Anchorage Angle in Prestressed Anchor Rope Frame

REN Hong-zhuo1,GUO Wen-jing2
(1.Xianyang Planning-survey andDesign Institute of Water Conservancy and Hydropower,Xianyang,Shaanxi712000,China;2.Department of Geotechnical Engineering,Southwest JiaotongUniversity,Chengdu,Sichuan610031,China)

Pointing at the irrationality of design of the anchorage angle in the engineering of prestressed anchor rope frame,the anchorage angle is analyzed based on the primary criterion of no-slip between the frame and slope surface and the design target for obtaining the maximum sliding resistance,and the calculation formula for the anchorage angle is put forward.At the same time,the index of prestress utilizing ratio is put forward and applied in engineering examples.The results show that themethod is convenient,reliable and safe for the criterion of the prestressed anchor rope frame in reinforcement projects.

prestressed anchor;anchor rope frame;anchorage angle;primary criterion;utilization ratio

TV554.13

A

1672—1144(2010)02—0159—03

2010-02-07

2010-03-12

任紅卓(1973—),女(漢族),陜西咸陽人,工程碩士,主要從事水利工程設計。