關(guān)于常見(jiàn)邊坡錨固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算的研究

【摘要】本文從工程實(shí)際出發(fā)，邊坡治理是一項(xiàng)復(fù)雜的工程。主要介紹和分析常見(jiàn)邊坡錨固結(jié)構(gòu)，對(duì)錨桿的類型、錨桿的結(jié)構(gòu)、錨固的作用機(jī)理、錨固要素分析、錨固結(jié)構(gòu)典型破壞形式、錨固設(shè)計(jì)計(jì)算等進(jìn)行介紹和較為深入的研究。從而對(duì)我們?cè)趯?shí)際項(xiàng)目中邊坡治理的設(shè)計(jì)能起到正確的指引，同時(shí)也可以幫助在工程中做好邊坡治理的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】邊坡的錨固結(jié)構(gòu);錨桿的類型;作用機(jī)理;破壞形式;設(shè)計(jì)計(jì)算

1、概述

復(fù)雜的地質(zhì)體是巖土工程研究的對(duì)象，在經(jīng)歷了長(zhǎng)久的地質(zhì)年代里，由于地質(zhì)自然風(fēng)化、人類活動(dòng)、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等作用，從而形成大量諸如斷層、節(jié)理、層理、溶溝、軟弱層、溶槽等地質(zhì)缺陷。一般情況下，通常巖土體處于相對(duì)穩(wěn)定的平衡狀態(tài);若一些條件變動(dòng)，原來(lái)的平衡狀態(tài)就可能變得不再平衡，如在邊坡開(kāi)挖與施工過(guò)程中，其固有的應(yīng)力狀態(tài)重新組合或分布，因此導(dǎo)致巖土體不再保持平衡狀態(tài)而發(fā)生變形，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致塌陷、巖崩、坍落、面沉降以及滑坡地等常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害。

為研究和預(yù)防此類災(zāi)害，將一種受拉桿件埋入巖土體中是工程上常一種常見(jiàn)的做法，這種做法可以用來(lái)提高和調(diào)動(dòng)巖土體的自身參數(shù)和穩(wěn)定能力，這種受拉桿件稱為錨桿或錨索（以下統(tǒng)稱為錨桿），其發(fā)揮的作用即為錨固。運(yùn)用數(shù)學(xué)、工程材料和力學(xué)等專業(yè)知識(shí)分析巖土工程中的錨固計(jì)算、設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)、施工和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)調(diào)整等方面問(wèn)題的工藝和技術(shù)我們稱之為錨固工程。

2、錨桿類型

工程上常按以下方法分類：

（1）按是否施加預(yù)應(yīng)力來(lái)劃分，分為非預(yù)應(yīng)力錨桿和預(yù)應(yīng)力錨桿;

（2）按應(yīng)用對(duì)象劃分，分為土層錨桿和巖石錨桿、;

（3）按錨固體形態(tài)劃分，分為端部擴(kuò)大型錨桿、連續(xù)球型錨桿和圓柱型錨桿;

（4）按錨固部分大小劃分，分為端部錨固式錨桿和全長(zhǎng)錨固式錨桿;

（5） 按錨固體傳力路徑及荷載分布條件劃分，分為壓力分散型錨桿、拉力型錨桿、壓力型錨桿和拉力分散型錨桿;

（6）按錨固機(jī)理劃分，分為摩擦式錨桿（縫管式和水脹式及楔縫式錨桿）、黏結(jié)式錨桿（樹(shù)脂錨桿、水泥砂漿錨桿）、混合式錨桿和端頭錨固式（機(jī)械式）錨桿。

3、錨桿結(jié)構(gòu)

工程上所定義的錨桿，往往是對(duì)受拉桿件所處的錨固體系的總稱。錨桿一般由錨固體（段）、桿體（拉桿）、錨頭三個(gè)部分組成。

錨固體：即錨桿端部，與巖石層相連緊密，它的作用是將來(lái)自拉桿的力通過(guò)周圍巖土層間與錨固體的摩擦阻力來(lái)將力傳遞至穩(wěn)固的巖層。

桿體：位于錨固結(jié)構(gòu)的中心線上，它的作用是把來(lái)自錨頭的拉力傳遞至錨固體。桿體一般要承受一定的拉力，因此需要采用抗拉強(qiáng)度比較高的鋼材鍛制。

錨頭：是邊坡表面構(gòu)筑物與拉桿的相連的部件，它的作用為把來(lái)自邊坡表面構(gòu)筑物的荷載有效地傳遞至拉桿。

4、錨固作用機(jī)理

邊坡錨固的基本原理是依靠錨桿周圍穩(wěn)定地層的抗剪強(qiáng)度來(lái)傳遞結(jié)構(gòu)物（被加固物）的拉力，以穩(wěn)定結(jié)構(gòu)物或保持邊坡開(kāi)挖面自身的穩(wěn)定。

5、錨固要素分析

邊坡加固通常使用砂漿水泥 （或化學(xué)漿液、樹(shù)脂、水泥漿等）將桿體（鋼絲束或鋼筋等）錨定在邊坡地層的鉆孔深處，從而達(dá)到錨固效果。實(shí)際工程中，大多數(shù)工程都是使用水泥砂漿錨桿。

錨桿基本力學(xué)參數(shù)：（1）抗拔力：即為錨桿可以承受的極限拉力，即錨固力;（2）握裹力：即為錨桿和黏結(jié)材料間的極限抗剪力;（3） 拉斷力：桿體的極限抗拉強(qiáng)度;（4） 黏結(jié)力：錨桿孔壁巖土間和黏結(jié)材料的最大剪力。

錨固的傳力過(guò)程：把錨固段取為隔離體，錨固段受到力的作用時(shí)，拉力首先通過(guò)握裹力傳遞到砂漿中，接下來(lái)通過(guò)黏結(jié)力（或摩阻力）傳遞至錨固的地層中。當(dāng)桿體受到拉力的作用，除了桿體自身需有足夠的截面積來(lái)承受拉力，還需要同時(shí)滿足以下三個(gè)條件，錨桿才能發(fā)揮有效作用：

（1）周圍巖土體在最不利的受力情況下依然能保持整體穩(wěn)定性。（2）黏結(jié)力能承受極限應(yīng)力;（3）桿體的握裹力能承受極限應(yīng)力而不破壞;

6、錨固結(jié)構(gòu)典型破壞形式

（1）沿著桿體與砂漿體的接觸環(huán)面破壞;

（2）沿著地層與砂漿的接觸環(huán)面破壞;

（3）錨桿桿體受拉斷破壞;

（4）錨固段砂漿體剪切破壞;

（5）錨固段地層（土層或破碎巖體）剪切破壞。

7、錨固設(shè)計(jì)計(jì)算

（1）基本要求

在調(diào)查研究和巖土工程勘察工作基礎(chǔ)上，錨固工程應(yīng)采用理論計(jì)算、監(jiān)控量測(cè)和工程類比相結(jié)合的設(shè)計(jì)辦法，合理發(fā)揮巖土體的自承能力和固有強(qiáng)度。在錨桿設(shè)計(jì)前，應(yīng)依據(jù)調(diào)查及勘察結(jié)果，對(duì)所采用的錨桿安全性、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)估，對(duì)施工可行性做出判斷。錨桿按其服務(wù)期限可分為臨時(shí)錨桿和永久錨桿：使用期限在2年以內(nèi)的，可按臨時(shí)錨桿設(shè)計(jì);使用年限超過(guò)2年的，應(yīng)按永久錨桿設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)永久錨桿時(shí)，必須先進(jìn)行錨桿基本試驗(yàn)，并避免錨固段布設(shè)在未經(jīng)處理的下列土層中。

（2）設(shè)計(jì)流程

以預(yù)應(yīng)力錨桿為例，錨固工程設(shè)計(jì)主要包括錨桿的布置及布置角度設(shè)定、桿體材料的確定、錨桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、錨頭及防腐措施、整體穩(wěn)定性驗(yàn)算、錨固力的分析計(jì)算等內(nèi)容。

（3）邊坡錨固力計(jì)算

邊坡錨固力計(jì)算過(guò)程中，首先需按照規(guī)范確定邊坡設(shè)計(jì)安全系數(shù)，其次針對(duì)不同的破壞形式，計(jì)算單位長(zhǎng)度邊坡所需的錨固力。邊坡錨固力計(jì)算可采用極限平衡法，但對(duì)于重要或復(fù)雜邊坡的錨固設(shè)計(jì)，宜同時(shí)采用數(shù)值分析法和極限平衡法。

一般出現(xiàn)容易出現(xiàn)圓弧滑動(dòng)面的錨固邊坡，宜采用簡(jiǎn)化畢肖普法、摩根斯坦-普賴斯法或簡(jiǎn)布法計(jì)算，也可采用瑞典法計(jì)算。

一般出現(xiàn)容易出現(xiàn)直線滑動(dòng)的錨固邊坡，可通過(guò)平面滑動(dòng)面解析法計(jì)算。

一般出現(xiàn)容易出現(xiàn)折線滑動(dòng)面的邊坡，通常采用傳遞系數(shù)隱式解法、摩根斯坦-普賴斯法或薩瑪法計(jì)算。

對(duì)復(fù)雜的巖體結(jié)構(gòu)的邊坡分析，可用赤平極射投影法配合分析。

（4）錨桿布設(shè)

錨桿布設(shè)一般都應(yīng)根據(jù)實(shí)際地質(zhì)狀況以及錨桿結(jié)構(gòu)與其它支擋結(jié)構(gòu)一起作用的具體情況來(lái)決定，須對(duì)邊坡的地質(zhì)巖體情況充分了解，了解了邊坡變形破壞的模式后，才能決定錨桿布設(shè)位置。錨桿布設(shè)的總體原則是對(duì)邊坡滑體產(chǎn)生最佳的抗滑效果，通常應(yīng)滿足如下的要求：

（1）錨桿與其他臨近的地下設(shè)施或基礎(chǔ)等的距離應(yīng)大于3.0m。

（2）錨桿間距和長(zhǎng)度，須根據(jù)錨固工程周圍地層的穩(wěn)定性確定。

（3）錨桿間距除必須滿足錨桿的受力要求外，還應(yīng)大于1.5m，避免因群錨效降低錨固力。巖土錨桿一般是以群體的方式顯現(xiàn)的，若錨桿布置較密集，巖層中應(yīng)力區(qū)的重疊會(huì)使得錨桿位移和應(yīng)力疊加，因此容易導(dǎo)致錨桿極限抗拔力無(wú)法正常發(fā)揮，即群錨效應(yīng)。群錨效應(yīng)會(huì)使得錨桿極限抗拔力減小，群錨效應(yīng)與錨桿間距、直徑、長(zhǎng)度及地層形狀等因素有關(guān)。

（4）預(yù)應(yīng)力錨桿的布置間距（下轉(zhuǎn)138頁(yè)）（上接136頁(yè)）應(yīng)考慮地層形態(tài)、所需的總的錨固力及單根錨桿的承載力設(shè)計(jì)值確定。一般條件下，I、II、III類巖體邊坡預(yù)應(yīng)力的錨桿間距宜為3.0～6.0m，IV類巖體及土質(zhì)邊坡預(yù)應(yīng)力錨桿間距宜為2.5～4.0m。

（5）錨桿錨固段應(yīng)在潛在滑面以外的穩(wěn)定巖土體內(nèi)，且上覆土層厚度一般要大于4.5m，施工過(guò)程中坡頂應(yīng)避免反復(fù)荷載的影響。

（6）不同類型的工程，應(yīng)根據(jù)錨桿的作用原理，對(duì)于錨桿傾角是不同的，確定錨桿傾角是有利于滿足工程抗傾塌、抗滑或者抗浮的穩(wěn)固要求。為了控制注漿的質(zhì)量，當(dāng)錨桿傾角設(shè)計(jì)過(guò)小時(shí)，注漿料會(huì)因泌水和硬化而產(chǎn)生的殘余漿渣會(huì)影響錨桿的承載力，故錨桿傾角宜避免與水平面成-10°～+10°的范圍，若在10°范圍內(nèi)的錨桿在施工是應(yīng)注漿應(yīng)采取保證漿液灌注密實(shí)的相應(yīng)措施。

（7）為使鋼絞線間有適宜的間距，鋼絞線需要包裹足夠的水泥漿，以滿足鋼絞線與注漿體間黏結(jié)強(qiáng)度的要求，錨桿鉆孔直徑應(yīng)滿足錨桿抗拔承載力和防腐保護(hù)要求，壓力型或壓力分散型錨桿的鉆孔直徑尚應(yīng)滿足承載體尺寸的要求。

（8）錨桿的設(shè)計(jì)角度，對(duì)深基坑或者近于直立的邊坡陡坎，必須考慮鄰近地基的狀況、錨固地層所處的位置以及施工采取的方法和措施。一般情況下錨桿的設(shè)計(jì)傾角不小于14°，一般也不應(yīng)大于45°。根據(jù)計(jì)算，傾角愈大錨桿等抵抗滑體變形的能力就會(huì)相應(yīng)的減弱，因此錨桿布設(shè)角以15～35°為最佳。

總結(jié)：

本文將常見(jiàn)的邊坡錨固結(jié)構(gòu)的錨桿類型、錨桿結(jié)構(gòu)、錨固作用機(jī)理、錨固要素分析、錨固結(jié)構(gòu)典型破壞形式、錨固設(shè)計(jì)計(jì)算等做了分析和介紹。在工程實(shí)際中對(duì)于邊坡治理的設(shè)計(jì)還須根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況進(jìn)行判斷，做到邊坡治理的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。

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作者簡(jiǎn)介：

瞿宇（1987.1-），男，碩士，工程師，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工程管理、管理咨詢工作。