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预应力锚索加固边坡的设计方法探讨

发布时间:2017/8/17 15:16:48    浏览量:860次

预应力锚索加固边坡的设计方法探讨

作者:中国杂志资信期刊网; 更新时间:2016-02-05
  :预应力锚索是有效的边坡加固技术,本文从单根锚索设计锚固荷载和锚索截面积的确定、锚索的锚固段长度、锚索加固的整体设计等方面,对预应力锚索加固边坡的设计方法进行分析和探讨。
关键词:边坡;加固;预应力锚索;设计
 
    改革开放以来,我国国民经济发展非常迅速。为了配合经济的发展,国家加大了对交通建设的投资,以高速公路为代表的高等级公路得以大规模兴建。在修建高速公路的过程中,相关建设部门遇到了大量的技术问题,公路高边坡的加固就是其中主要问题之一。工程实践表明[1],预应力锚索是有效的边坡加固技术,本文对预应力锚索加固边坡的设计方法进行分析,以为工程实践提供参考。
单根锚索设计锚固荷载和锚索截面积的确定
2.1 锚索设计锚固荷载
设计锚固力可根据边坡不稳定力来计算确定,如下式:
                           (1)
式中:为锚索设计锚固力;为边坡不稳定力;为滑动内摩擦角;为锚索与滑动面相交处滑动面的倾角;为锚固倾角。作用在锚索上的荷载有土压力、水压力、上覆荷载、地震荷载等等,设计时一般只考虑主要荷载作用。此外,按锚杆喷射混凝土支护技术规范中要求永久性预应力锚索的拉力锁定值应不小于拉力设计荷载值,在公路路基设计规范中也有同样的规定。一般情况下,对于边坡抗滑中的锚索在锚固时,多以拉力设计荷载作为锁定荷载。
2.2 锚索截面积
预应力钢绞线截面积按下式确定:
                                    (2)
     式中:为锚索体的截面积;为安全系数,可根据锚杆喷射混凝土支护技术规范推荐确定[2](表1);为锚索体(钢绞线)材料破断标准强度()。 如果在锚索施工过程中采用超张拉,工作荷载将超过设计荷载值,则式(2)中的(设计锚固力)应改用锚索的工作锚固力代替。
表1  岩石(土层)预应力锚索锚固设计的安全系数
毛所破坏后危害程度 最小安全系数k
锚索服务年限≤2年 锚索服务年限>2年
危害轻薄,未构成公共安全问题 1.40 1.80
危害较大,但公共安全无问题 1.60 2.00
危害大,会出现公共安全无问题 1.80 2.20
 
锚索的锚固段长度
3.1 影响锚固段长度的主要因素
锚索系统的承载力由锚索强度、水泥注浆体与锚孔壁岩土体的粘结强度、锚索与水泥注浆体的粘结强度三个部分控制,以其最小值作为承载力设计值,上面这几个因素与锚固段的长度有直接关系。锚固段长度是基于利用钢绞线与注浆体间的握裹力将拉力传至水泥浆体上,进而调动水泥浆体与周围土体间的摩阻力以提供锚固力的思路来确定的。
锚索破坏的主要形式有下面几种:(1) 锚索内钢绞线的拉断;(2) 锚索与水泥注浆体一同沿地层孔壁接触面滑出破坏;(3) 锚索从水泥注浆体中拔出;(4) 锚索和岩体一起成倒锥形拔出破坏;(5) 外锚固系统的破坏。
实际工程中后两种形式的破坏情况较少见,故锚索系统破坏形式除钢绞线拉断以外,主要是以水泥注浆体与地层孔壁接触面滑移和锚索从水泥注浆体中拉出两种形式出现。为此,设计时需根据这两种破坏形式确定合理的锚固段长度。pagebreak 
3.2 锚固段长度的确定
(1) 预应力锚索一般都采用粘结性锚固体,因此地层与注浆体的粘结长度按下面公式计算:
                                 (3)
式中:为地层与注浆体间的锚固粘结长度(m);为安全系数,如表1;为锚固设计锚固力(kN);d为锚固段的钻孔直径(m);为地层与注浆体间的粘结强度(kPa)。
岩(土)地层的粘结强度一般需要通过试验确定,当无试验资料时可参照一些经验值取定。如英国学者小约翰和Brace经研究后建议在无剪力试验强度资料或未作现场承载力试验时,取岩体(100%岩芯获得率)单轴抗压强度的1/10,较软弱岩石可取2/10~3/10倍单轴抗压强度。Koch建议软岩的粘结强度(工作应力)为0.35~0.70MPa,中硬岩取0.7~1.05 MPa,硬岩取1.05~1.4 MPa[3]
    (2) 水泥注浆体与锚索体间的粘结长度按下式计算:
                                   (4)
式中:为注浆体与锚索体间的锚固粘结长度(m);为安全系数;为锚索设计锚固力(kN);为钢绞线或钢筋的直径(m);为注浆体与锚索体间的粘结强度(kPa);n为钢绞线或钢筋的根数。同样,注浆体与锚索体间的粘结强度宜通过试验确定。当无试验资料时,可按公路路基设计规范的推荐值确定。
表2  钢筋、钢绞线与砂浆之间的粘结强度设计值fb(MPa)
锚杆类型  
M25 M30 M35
水泥砂浆与螺纹钢筋间 2.10 2.40 2.70
水泥砂浆与钢绞线、高强钢丝间 2.25 2.95 3.40
 
锚索加固的整体设计
预应力锚索体系加固边坡实际上是一个综合的加固方案设计,除前面已涉及的锚索设计锚固力、钢绞线面积和锚固段长度的确定外,还应确定边坡断面结构形式、锚索体系的布置、预应力锚索的长度及构造要求、注浆材料和综合排水设施的设置等。
(1) 边坡断面形式
边坡断面形式的确定是边坡处治设计中最基本的一个环节。当土质路堑边坡超过20m时,地质情况一般都较复杂,采用一般的边坡防护设计较难保证边坡稳定,按规范要求高度超过20m的土质路堑边坡应经过边坡稳定性计算分析后再确定其坡面形势。当用地无限制且山丘不甚高时,放缓边坡、增加平台宽度这样的卸载手段是增加边坡稳定性的重要措施之一。
表3  边坡坡率及高度值
边坡级数 1 2 3 4 5 6
每级高度(m) 8 10 10 10 10 <10
坡率 1:1 1:1 1:1 1:1 1:1.25 1:1.5
 
(2) 锚索体系的布置
锚索的间距应根据地层情况及锚索锚固力的大小进行分析比较而定,锚索过密可能会产生群锚效应,从而降低锚固力;过稀则不利于边坡局部或浅层的稳定。每列锚索外锚头用钢筋混凝土地梁连接起来,这种锚索布置体系可在整个坡面上形成一个均匀的受压面,有利于发挥锚索体系加固的功效性。
(3) 锚索长度
    锚索总长度由锚固段长度、自由段长度及张拉段长度组成。锚固段长度按上节所述方法计算确定,张拉段长度根据施工用张拉机具来决定,一般取1.5m左右。自由段长度在设计时应以稳定地层截面来控制,自由段需伸入滑动面以下不小于1m且总长度不得小于5m。pagebreak 
(4) 锚索的倾角
锚索的倾角以受力最优,施工最易,同时考虑工程造价来确定,一般按下式计算:
                                     (5)
式中:为最佳锚固倾角(o);为滑动面的倾角(o);为滑动面内摩擦角(o)。
最佳锚固角计算出来后,还应结合施工条件通过技术经济比较进行适当的调整,因为倾角过小不利于锚索注浆施工,倾角过大锚杆所提供的锚固力沿滑动面方向分力较小,抵抗滑体滑动的能力相对减弱。故其值一般在15o~35o之间为宜,本工程中锚索设计倾角取15o
(5) 锚索的构造要求与注浆材料
预应力锚索包括索体、张拉端和锚固端。锚索的内锚固段钢束组装成波纹状(枣核状),这样可充分发挥钢绞线与水泥注浆体的摩擦力,在设计长度不变的情况下,增加了锚固力的安全储备。锚索系统中的扩张环和箍环既可使钢绞线形成波纹状,又可使钢绞线在锚孔中间居中。预应力锚索多采用胶结式内锚头,注浆多采用孔底注浆法,注浆压力不小于1MPa,灌注的砂浆必须饱满密实。对内锚段浆体总的要求是高强、早强、微膨胀、可灌性好、对钢绞线不产生锈蚀作用
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