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1、预应力锚索框格梁体系加固破碎岩质边坡合理间距研究第25卷第1期2006年1月:岩石力学与工程ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering,b1.25No.1Jan.,2006预应力锚索框格梁体系加固破碎岩质边坡合理间距研究吕庆,孙红月,尚岳全,朱晗迓(浙江大学建筑工程学院,浙江杭州310027)摘要:以金丽温高速公路K81边坡为例,建立分析计算的力学模型,根据现场试验数据,通过数值模拟的方法,研究预应力锚索张拉在破碎岩质边坡坡面的压缩变形和附加应力规律,并以此为依据探讨了预应力锚索合理间距的问题.研究结果表明:对于破碎岩质边坡锚固工程,考虑到边坡岩体变
2、形模量小,应采用小张拉力的预应力锚索,以500750kN张拉力为宜;为减少相邻锚索张拉的影响,锚索间距不应太小;为避免锚索之间出现应力跌落,锚索间距也不能过大,以46m为宜.关键词:边坡工程;滑坡加固;预应力锚索;破碎岩质边坡;数值模拟;锚索间距中圈分类号:TD824文献标识码:A文章编号:10006915(2006)01013605STUDYoNPRoPERINTERVALoFPRESTRESSEDCABLESINREINFoRCINGCRUSHRoCKSLoPELUQing,SUNHong-yue,SHANGYue-quan,ZHUHan-ya(CollegeofCivilEngineer
3、ingandArchitecture,ZhiangUniversity,Hangzhou,Zhiang310027,China1Abstract:BasedonacaseofcrushrockslopeK81inJinhua-LishuiW_enzhouHighway,anana!yticalmechanicalmodelwasdeveloped.Accordingtofieldtestingdata,thecompressiondeformationandsubsidiarystressesofthecrushrockslopeunderprestressedcablesanchoragef
4、orceswereanalyzedbynumerical,一simulation.Theresultsareshownasfollows:(1)itissuggestedthatlight-tonnagecablesshouldbeemployedincrushrockslopereinforcingengineeringinconsiderationoflowdeformationmodulusoftheslope.Thetensileforceof500750kNCanbeadopted:(2)therangeintervalofthecablesshotildnotbetoosmallf
5、or,threductionofadjacentcablestretch-drawinfiuence.Ontheotherhand,theintervilshouldnotbetoolargetOavoidsubsidiarystresseslooseness.Theproperintervalbetweencablesincrushrockslopeshouldbe46m.Keywords:slopeengineering;landslidereinforcement;prestressedcable;crushrockslope;numericalsimulation;cableinter
6、val引预应力锚索框格梁体系作为一种新型的边坡加固结构,近年来被广泛地应用于破碎岩质边坡甚至是土质边坡的加固工程中,.作为一种主动式的加固方法,预应力锚索框格梁体系通过锚索的预应力将滑动的坡体与稳定的基岩连接为一体,增加了收稿日期:20040903:修回日期:20050301基金项目:国家自然科学基金资助项目(40372118)作者简介:吕庆(1978一),男,2001年毕业于浙江大学建筑工程学院结构工程专业,现为博士研究生,主要从事岩土体稳定性方面的研究工作.Email:lvqingzju.edu.ca.第25卷第l期吕庆等.预应力锚索框格梁体系加固破碎岩质边坡合理问距研究?137?计上最为
7、关心的锚索的合理间距与框格梁的合理尺l蚕蚕寸等问题研究得较少.目前,预应力锚索框格梁结豳髓蓠鼗构的设计,大多是依靠设计人员经验,缺乏理论和圜规范的指导,具有一定的盲目性.阈锸系1日J距是迈圾锸回j一程设计甲百冗妥佣足阴一,慰条件,锚固力分区,锚索长度以及单索锚固力来确()原则是:在外锚固段,应尽量减少后张拉锚索引起/的压缩变形对相邻锚索的影响;在内锚固段,应不,<I/至于产生很大的拉应力集中,避免在内锚固段形成,整体拉裂面,从而使岩体向临空面方向的位移增加,一.三碎警来说,的锚图l锚索间距6,m时的计算模型固力确定后,应选择小吨位的锚索,一般采用500,Fig_1.-二:d.1wiml:
8、l0f6m层坡体的压缩变形,使锚索群加固坡面的面积增大,在模型的上下边界和两侧边界上施加法向位移连同框格梁和外锚墩的作用,在整体上对表层坡体约束,在后边界上施加水平和竖直方向的位移约形成被覆式的约束抑制作用;另一方面,如果采用束,坡面上保持自由.计算模型选择六节点四面体大吨位锚索,要求框格梁和垫墩的尺寸可能过大,实体单元模拟坡体和混凝土锚墩和框格梁.通过让而锚索根数减少,锚索和框格梁的间距增加,可能锚墩,框格梁底面节点和坡面节点的自由度耦合,会使锚索之间形成应力跌落区域,达不到对坡体和以保持锚墩,框格梁和边坡坡体的变形协调.选择滑面的整体锚固效果,失去群锚的作用.本文以金二节点杆单元模拟预应力
9、锚索,实际工程中预应力丽温高速公路K81边坡预应力锚索加固工程为例,锚索长40m,其中内锚固段长9m,计算模型中锚在现场实测数据的基础上,通过数值模拟的方法,索长度取为35m.杆单元在外锚墩处与外锚墩表面讨论了预应力锚索框格梁体系加固破碎岩质边坡的节点自由度耦合,而在内锚固段与基岩实体单元节合理间距问题,可为类似工程提供参考.点自由度耦合,并通过初始应变值来模拟预应力张2工程概况与计算模型并采用ANSYS5.7分析软件.计算模型涉及4种材料,即破碎岩质滑体,基金丽温高速公路K81边坡地处浙南丘陵山区.岩,混凝土框格梁及垫墩,预应力锚索.考虑到混山体自然坡度为35._42.,边坡位于公路左侧,而
10、凝土和预匠力锚索材料的性质稳定和变化较小,本公路右侧为山伺河流.该路段为半挖半填路段,边次计算分析中直接按照相关资料和以往工程的经验坡最大开挖高度约98nl.边坡区出露的地层为上侏取用这2种材料的参数.破碎岩质滑体和基岩的物罗统熔结凝灰岩,岩性单一.受区域性断裂及附近理力学参数根据室内外岩石力学试验,声波探测和次级断层的共同影响,:边坡区岩体的完整性差,属依据预应力铅素拉过程中现场原位测试数据反分?138?岩石力学与工程2006住析等方法综合确定,具体取值见表1.表1计算模型物理力学参数取值Table1Physico-mechanicalparametersofthecalculationmo
11、del在上述模型的基础上,首先计算了2种常用的预应力吨位下,不同模量坡体的压缩变形规律;然后分析了锚索间距的变化对坡体附加应力的影响规律.3坡体表面的压缩变形规律根据现场试验数据,对锚索张拉后岩体压缩量进行分析,其结果表明,随着张拉荷载的增加,边坡岩体压缩效应增强,压缩范围扩大.典型锚索压缩变形影响半径如图2所示.已有的研究结果表明,岩体质量对压缩变形的范围和大小影响很大.图2典型锚索压缩变形影响半径示意图Fig.2Planoftypicalcompressioninfluenceradius图3为典型锚索压缩变形影响半径与岩体弹性模量E关系曲线1o】.从图3中可以看出,岩体弹性模量越低,则锚
12、索张拉引起的坡面压缩变形范围越大.弹性模量E/MPa图3压缩变形影响半径ro与岩体弹性模量E关系曲线Fig.3RelationshipbetweencompressioninfluenceradiusroandrockmassdeformationmodulusE本次研究在控制相邻锚索张拉引起的预应力损失(tg就是控制压缩变形影响半径边缘的压缩量)的基础上,重点研究了500和750kN两种张拉力下,不同弹性模量50,100,150和200MPa)的坡面压缩变形值的大小.考虑超张拉10%,实际施加的锚索的张拉力为550和825kN.在没有预应力损失控制标准的前提下,用1nffn的压缩变形作为压缩
13、变形影响半径的控制标准,即认为相邻锚索张拉引起的1nffn压缩变形量是可以被忽略的,且不考虑相邻锚索的张拉影响,从而可以确定为了提高群锚在坡体表层的加固效果,锚索安装的间距D应不小于2ro.计算结果表明,压缩变形影响半径和岩体弹性模量E成对数变化关系(见图3),并可用下式拟合:D2ro=alnE+(1)式中:Of,均为与锚索力相关的锚索张拉影响范围分布系数,可按照表2中的数据取用.表2锚索张拉影响范围分布系数Table2Distributingcoefficientsofaandfloftensilerangeofinfluenceofthecable按照式(1)分析金丽温高速公路K81边坡的
14、实际工程,弹性模量E=60MPa,预应力锚索张拉力取750kN,计算可得压缩变形影响半径为3.491TI,实际工程中锚索间距横向为4m,纵向为61TI.施工过程中,对相邻锚索张拉过程影响的监测结果表明,K81边坡锚固工程中,相邻的锚索张拉影响很小,图4为张拉力825kN下现场实测位移和反分析计算位移的比较.从图4中实测数据可以看出,锚索张距锚索的距离/m54321012345U移,图4张拉力825kN下现场实测位移和反分析计算位移的比较Fig.4Comparisonbetweentestingdataandbackanalysisvalueofframebeamdeformationunder
15、tensileforce825kN兰三鲎l_!塑吕庆等.预应力锚索框格梁体系加固破碎岩质边坡合理间距研究拉在相邻锚索处引起的坡面压缩变形不到1mm,这验证了式(1)的可靠性.4锚索间距对坡体附加应力的影晌锚索间距不能过大,否则锚索之间会存在明显的应力跌落区,达不到对坡体,滑面的整体锚固效果,失去了群锚的作用.为了揭示锚索间距变化对坡体附加应力分布的影响规律,在前面计算分析的基础上,进一步分析了3种锚索间距f即4,6和8m间距)下的附加应力和压缩变形的分布规律,其结果见.图59.一一一一一一口一一图5锚索间距为4m时坡面压缩变形等值图(单位:m)Fig.5Contourmapofslopesur
16、facedeformationwithcableinterval4m(unit:m1一口图6锚索间距为6m时坡面压缩变形等值图(单位:m)Fig.6Contourmapofslopesurfacedeformationwithcableinterval6m(unit.m1在锚索间距为4m时,锚索之间以及框格梁之间不存在由于应力分离造成的应力明显降低区,在坡体表面,锚索和框格梁之间的压缩变形是一致的,锚索之间的框格梁呈现出刚性地基梁的变形特点,锚索框格梁体系在张拉力的作用下在整体上对坡体有抑制作用(见图4).当锚索间距为6m时,锚索以及框格梁之间有附加应力跌落的现象(见图9),825kN张拉力作
17、用图7锚索间距为8m时坡面压缩变形等值图(单位:m】Fig.7Contourmapofslopesurfacedeformationwithcableinterval8m(unit.m1一10-5051O距跨中的距离,m图8框格梁下不同锚索间距坡面压缩变形比较Fig.8Comparisoncurvesofslopesurfacecompressiondeformationunderdifferentcableintervals锚累问距/m+430.,一.6委.一8_/一l0505l0距跨中距离,m图9沿锚索3m深度处不同锚索间距附加应力比较Fig.9Comparisoncurvesofslop
18、esubsidiarystressesin3mdeepalongthecableunderdifferentcableintervals下,在沿锚索3m深度处,框格梁跨中处的附加应力值为21kPa,在2根框格梁之间的中间位置处,附加应力为14kPa,减少了33%.从图6中也可以看出,在锚索间距为6m时,框格梁下的坡面压缩变形已经不像4m间距那样基本一致了,而是呈现出2个和锚索相连的梁端压缩变形大,框格梁跨中压缩变形稍小的特点,这时的框格梁可以看成是弹性地基梁.另外,从图6,8中还可以看出,在框格梁跨中和梁之间的坡面压缩变形明显减少.螂瞄瑚m批瞄吼吼啪昌昌曷口_一虬他以卯卯M孵n弱趵的心城掘n?
19、140?岩石力学与工程2006正当锚索间距为8ITI时,锚索及框格梁之间附加应力跌落的现象更加明显(见图9),825l(N张拉力作用下,同样在沿锚索3ITI深度处,框格梁跨中处的附加应力为11kPa,在2根框格梁之间的中间位置处,附加应力为5kPa,减少达55%.从图8中可以看出,在锚索间距为8ITI时,框格梁对坡体的抑制作用已经大大削弱了.4根张拉锚索下坡体的压缩变形和单墩垫墩下变形更为相似(见图7,8).锚索之间框格梁的变形呈现出柔性长梁的变形特点,说明这时框格梁体系已经达不到对坡体被覆式整体加固,抑制变形的效果了,因而影响了群锚的作用效果.5结语锚索间距的确定应该综合考虑边坡坡体的岩体质
20、量,锚索张拉的相互影响以及张拉力大小等综合因素的影响.对于破碎岩质边坡,考虑到边坡岩体变形模量小以及预应力张拉引起的坡体表层的压缩变形大,所以应尽量采用小张拉力的预应力锚索.为了考虑相邻锚索张拉的相互影响,引入了坡体压缩变形影响半径,并在现场试验和数值分析的基础上给出了500和750kN两种张拉力下的压缩变形影响半径的估算公式,可供设计采用.压缩变形影响半径给出的实际上是锚索间距控制的下限值,锚索间距也不能过大.若锚索间距过大.会在坡体中形成明显的应力跌落区域,达不到边坡加固的整体效果,从而失去群锚的加固作用.综上所述,作者认为,对于破碎岩质边坡以500750kN张拉力预应力锚索为宜,且锚索间
21、距以46ITI为宜.参考文献(References):【1蒋忠信.预应力锚索加固松散体滑坡的机制与实践【J.铁道工程,1999,61(1):7277.(JiangZhongxin.MechanismandpracticeonreinforcingloosebedlandslidewithprestressedanchoringropeJ.JournalofRailwayEngineeringSociety,1999,61(1):7277.(inChinese)【2】吴金生,吴和政,王全成,等.框格梁式预应力锚索在公路滑坡治理中的应用【J】.中国地质灾害与防治,1998,9(增):308312.
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