錨固技術在高切坡穩定性中的應用

郭志明

(武漢工程大學環境與城市建設學院， 湖北 武漢 430074)

0 引 言

工程巖體十分復雜，受到自然地質作用與人類工程活動的復合影響，地形地貌、地層巖性、地質構造、水文地質條件等都影響高切坡的穩定性.錨固，最早在建筑加固中的鋼筋的錨固是指鋼筋被包裹在混凝土中，增強混凝土與鋼筋的連接，使建筑物更牢固，目的是使兩者能共同工作以承擔各種應力，即使混凝土與鋼筋協同工作以承受來自各種荷載產生壓力、拉力以及彎矩、扭矩等.錨固錨桿，在巖石或土壤鉆孔或挖井后灌入混凝土，也有在底部用高壓灌漿的固定方法.錨固后，被錨固體的承載力決定周邊的剪力和錨底的阻抗力.地梁也稱為基礎梁，圈起來有閉合的特征，與構造柱共成抗震限裂體系，減緩不均勻沉降的負作用.與地圈梁有區別，(地梁)基礎梁主要起聯系作用，增強水平面剛度，有時兼作底層填充墻的承托梁，不考慮抗震作用.在基礎梁的現有計算方法中，較有代表性的是以下兩種：a.對墻下基礎梁，可視承臺梁以上墻體為半無限平面彈性體，基礎梁與墻體(半無限彈性體)共同變形，視基礎梁為樁頂荷載作用下的倒置彈性地基梁，按彈性理論求解基礎梁的反力，經簡化后作為作用在基礎梁上的荷載，然后按普通連續梁計算內力.b.對柱下條形基礎梁，可視為彈性地基梁計算，即將樁頂反力作為集中力作用在梁上，柱為梁的支座，按普通連續梁分析其內力，樁頂反力按彈性地基架計算確定.根據工程巖體的特性采用錨固與格構相結合技術，使巖石荷載壓力、拉力以及彎矩發生改變，可以實現工程巖體相對固定.

1 工程地質特征

1999年3月至2000年底，興山縣峽口鎮碼頭及高嵐河大橋施工，在臨山斜坡形成了以巖質為主的高切坡，該高切坡總體坡向為NNE25～30°，坡面傾向西.坡底高程177～188 m，坡頂高程一般200～228 m，最高達245 m.坡高一般20～30 m，最高47 m.高切坡所處硬軟巖性的交接部位，因而自然地形陡緩有別，也決定了高切坡形態特征有異.峽口鎮碼頭一帶原系香溪河左岸斜坡，斜坡的走向近南北、傾向西.在自然狀態下，臨河第一斜坡坡頂高程800 m左右，香溪河河底高程117～120 m，自然狀態下斜坡坡度30～45°，在臨高嵐河出口地帶達50°以上.高切坡主要由三疊系嘉陵江組灰巖、巴東組泥灰巖、侏羅系香溪組長石石英砂巖、粉砂巖組成巖層產狀280～285°∠35～43°.高切坡現場調查坡長120 m，切坡面積5 600 m2.高切坡治理前巖體中裂隙發育，多為層狀結構和碎裂結構，其穩定性受層面的控制，在切坡初期，常產生規模不等的滑移破壞.現在切坡頂仍懸掛有較多的巖土體，高切坡的坡腳又多切穿部分砂巖層，即存在一定的臨空面，因而在切坡的頂部和底部均存在不穩定的巖土體，因此小規模的變形滑移時有發生.工程的具體治理目標是：保證長江三峽工程移民工程的順利進行不至影響按預期計劃蓄水發電；在進行移民工程建設的過程中不會發生施工擾動影響邊坡體的穩定性；保證峽口高切坡在設計使用年限內的正常營運和安全.

在調查鉆孔取樣室內試驗測試結果，綜合類比長江水利委員會綜合勘測局的《長江三峽水利樞紐庫區興山縣遷建城鎮新址地質論證報告》(詳勘)等資料[1-4]的基礎上，確定各巖層的物理力學指標如表1.表中所列的為實驗室對巖塊所測的試驗值，其巖體的力學指標根據本邊坡巖體裂隙發育程度及巖體完整性進行折減，一般巖體的抗剪強度C值取巖塊的20%，φ值取巖塊的80%.

表1 峽口碼頭高切坡巖土體物理力學性質指標值

2 邊坡穩定性分析與評價

2.1 邊坡穩定性計算方法

從高切坡的地質結構特征可確定高切坡將會沿順巖層層面發生整體滑移的變形模式.

對可能產生折線滑動的高切坡應采用推力傳遞系數法進行計算.考慮高切坡區域可能遇到的各類情況，特別是最危險的情況，由于區內基本地震烈度為6度，可不考慮地震的影響，故綜合確定以下兩種計算工況.工況一：天然(自重)狀態；工況二：自重+暴雨.本高切坡的安全等級為二級，根據《建筑邊坡工程技術規范》[5]規定，采用折線滑動法計算，邊坡穩定安全系數取1.30.

2.2 典型剖面的選擇與潛在滑面的確定

在現場調查及在工程地質分析基礎上，選取代表性工程地質剖面進行穩定性評價.

2.3 計算結果

在以上模型與參數給出的情況下，利用折線滑動法對潛在滑面進行穩定性計算，計算結果見表2.

表2 各潛在滑面穩定性系數計算結果

2.4 邊坡穩定性評價

高切坡穩定性定性分析與計算表明，高切坡目前的整體穩定性安全儲備不高.隨著風化作用的加強，結構面強度的降低，在強降雨的情況下，有可能發生失穩，產生順層滑移，進行工程治理十分必要.

3 治理方案研究

高切坡治理方案應結合斜坡變形破壞的特點及項目所在區域環境經濟特點綜合分析確定.常見的加固措施有：削坡整形、擋土墻、格構、抗滑樁及錨固措施及其組合.大規模的削坡整形會造成區域環境資源的破壞，擋土墻只在坡面以土體為主及下滑力不大的前提下應用，抗滑支擋措施不經濟.該切坡由破碎巖體和滑坡體組成，局部有整體滑動的危險，為防止在暴雨作用下，邊坡有可能發生順層滑動破壞，分析認為采取預應力錨索+地梁的措施進行治理是恰當的.

3.1 推力計算

根據高切坡的特征，選擇典型剖面進行推力計算[6-7].根據穩定性計算結果，對安全儲備不高的工況進行推力計算，有關計算參數根據實驗與經驗值分析確定見表1.采用傳遞系數法(推力傳遞法)，典型剖面計算模型及條分見圖1，剩余下滑力分布曲線見圖2.剖面剩余推力模擬計算值為520 kN/m.

圖1 工程地質剖面潛在滑體網格剖分圖

圖2 潛在剖面推力曲線

3.2 地梁方案確定

基礎梁上所分配的荷載一旦確定，就可按縱向梁上所分配的荷載，以單向條形基礎進行計算.

格構梁設計尺寸采用b×h=400 mm×500 mm，梁跨比b/L=0.4/4.0<1/6，為彈性基礎，故可按彈性基礎進行結構計算確定.

a.地梁承載荷載計算[8].錨索+地梁方案中錨索錨固力按1 000 kN進行設計，錨固角取20°，地表傾角為46°.地梁承載的荷載Fi是錨索錨固力在垂直地梁方向的分力，那么地梁承擔的荷載為

Fi=Nasin(α+φ)=913.5 kN

b.地梁結構確定.地梁結構可以采用各種結構，采用矩形截面，是一種常見的結構形式，其承載能力確定思路如下.

①承載力計算

正截面承載力計算.簡化計算采用公式(1).

(1)

混凝土受壓區高度確定：

α1fcbx=fyAs

(2)

式(1)(2)中M為彎矩設計值；Mu為正截面極限抵抗彎矩；a1為系數，按文獻[9]第7.1.3條的規定計算；fc為混凝土軸心抗壓強度設計值，按文獻[9]表4.1.4采用；fy為鋼筋的抗拉強度設計值，按文獻[9]表4.2.3采用；As為受拉區縱向鋼筋的截面面積；b為截面寬度；x為按等效矩形應力圖計算的受壓區高度；h0為截面有效高度，h0=h-as，as為受拉鋼筋合力點至截面受拉邊緣距離，當為一排鋼筋時，as=c+d/2，其中d為鋼筋直徑，c為混凝土保護層厚度.

(3)

(4)

根據計算需要的截面面積選用錨索直徑，錨索截面面積不應小于計算要求截面面積.同時配筋率ρ滿足

(5)

式(5)中ρmin和ζb取值參考文獻[9]中的表4-1.

斜截面承載力計算.矩形截面的受彎構件，其受剪截面應符合下列條件：

當hw/b≤4時，V≤0.25βcfcbh0

(6)

當hw/b>4時，V≤0.2βcfcbh0

(7)

式(6)(7)中V為構件斜截面上的最大剪力設計值；c為混凝土強度影響系數：當混凝土強度等級不超過C50時，取c=1.0；當混凝土強度等級不超過C80時，取c=0.8；其間按線性內插法確定；hw為截面的腹板高度：對矩形截面，取有效高度.

同時，無預應力鋼筋矩形截面的一般受彎構件，當僅配置箍筋時，其斜截面的受剪承載力應符合下列規定：

V≤Vcs

(8)

(9)

式(8)(9)中V為構件斜截面上的最大剪力設計值；Vcs為構件斜截面上混凝土和箍筋的受剪承載力設計值；Asv為配置在同一截面箍筋各肢的全部截面面積：Asv=nAsv1，此外，n為在同一截面內箍筋的股數，Asv1為單肢箍筋的截面面積；S為沿構件長度方向的箍筋間距；文獻[9]表4.2.3-1fy值[10]采用.

ft為混凝土軸心抗拉強度設計值，按文獻[9]表4.1.4采用.

箍筋在滿足了上述規定以后，如果箍筋選得較粗而布置較稀，則可能因箍筋間距過大在兩根箍筋之間出現不與箍筋相交得斜裂縫，使箍筋無法發揮作用.為此參照文獻[9]確定箍筋得最大間距smax(見文獻[9]表10.2.10)，箍筋和彎起鋼筋得間距均不應超過smax.

②內力計算

以單向條形基礎進行計算，根據上面分析，此地梁可認為是彈性地基，故對單向條形基礎可采用winkler地基上梁法進行內力計算.

鋼筋地梁與錨索復合結構是一種兼顧深層加固與淺層護坡的治理措施.地梁錨固是一種較新型可靠的邊坡加固技術，不需動用大型機械設備，可使坡體盡早穩固.地梁首先起表層護坡作用，在地梁上加錨索，錨索錨于滑動面以下穩定地層中，預應力錨索主動抗滑.

鋼筋混凝土地梁是索集中荷載通過基礎梁共同作用傳遞到地基上.計算了每個結點荷載后，地梁可以看作一個獨立的單向條形基礎，然后可以計算單向條形基礎受力后對荷載的傳遞作用見圖3圖4.

圖3 地梁錨固力學模型

圖4 地梁錨固示意圖

據文獻[9]規定，梁中砼采用C25，縱筋為II級螺紋筋，箍筋為I級鋼筋.其中有關參數取值為：E=3.0e7 kPa，k=3e5 kPa，按winkler地基上梁法根據錨索荷載對地梁進行內力計算和配筋.縱橫梁剪力、彎矩計算如圖5圖6.

圖5 剪力分布圖

圖6 彎矩分布圖

最大剪力：Vmax=461.4 kN

最大彎矩：錨索作用點處截面Mmax=338.42 kN·m，跨中最大負彎矩|Mmin|=21.12 kN·m.

③結構方案確定

縱筋計算．按受彎構件正截面承載力計算縱筋，鋼筋保護層按50 mm計.

錨索作用點處截面Mmax=338.42 kN·m.選用6Φ28的II級螺紋筋；

跨中最大負彎矩|Mmin|=21.12 kN·m.選用3Φ28的II級螺紋筋；

箍筋選擇．在剪力最大值處截面即錨索作用點處截面進行縱梁的斜截面承載能力計算，Vmax=461.4 kN，根據計算Vc=194.38 kNVmax，不需再配置彎起筋.對格構縱橫梁交叉處一定范圍內縱橫梁內箍筋應加密，加密范圍為左右各500 mm間距內采用Φ12@50.

人工邊坡巖土力學性質因結構特征的差異，穩定性不同，治理施工條件的不同，如何科學合理確定治理方案，確定工程結構，是一個復雜的問題.

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