框架錨索邊坡支護結構的離心機模型試驗研究

林 順， 向 波, 蔣瑜陽, 王曉文

(四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司, 四川成都 610041)

[通信作者]向波(1973～)，男，博士，高級工程師，主要從事巖土工程方面的勘察設計與研究工作。

我國正處于基礎設施建設蓬勃發展的關鍵時期,大量的公路工程新建在地形條件嚴峻、地質構造復雜、邊坡災害類型多樣的山區，因此沿線邊坡工程的安全性對保障工程建設的順利進行以及今后線路的正常運營具有重要意義[1-2]。

框架錨索是通過對固定于穩定巖層中的錨索施加張拉力，利用框架梁將力均勻分布在坡面上，從而形成一種主動受力的邊坡支護結構。隨著錨索技術和防護工藝的日趨完善，已廣泛應用于公路、鐵路、礦山、水電等巖土工程中[3-5]。雖然關于框架錨索支護結構的加固設計和內力計算已有較多的研究成果[6-8]，但是這些傳統的計算方法假設條件較多，存在一定的局限性，且缺少模型試驗為基礎進行驗證。現場監測試驗雖然能得到真實應力狀態下框架錨索的工作性能和狀態，真實性和準確性較高，但是所需試驗費用較高，時間較長，隨機性較大，不便開展重復試驗。土工離心機試驗通過離心加速度作用可以將按尺寸縮放的試驗模型還原到真實的應力狀態，可在模型內部靈活布置各種傳感器，開展多種工況下的可重復模型試驗，有助于我們更加直觀、系統地研究邊坡支護或支擋結構的工作機理，各部件的受力狀態。趙偲聰[9]、張澤林等[10]、周健等[11]、李祥龍等[12]基于離心機模型試驗研究了不同類型邊坡的宏觀變形模式和支護結構的力學性狀。離心機模型試驗作為一種較新的試驗手段，鮮有關于框架錨索加固邊坡的離心機試驗研究。

目前，對于框架錨索支護結構的設計施工還主要依賴經驗，缺乏較為系統的理論基礎，對框架梁的受力狀態以及框架梁下邊坡土體反壓力的分布特征尚不明確。基于此，本文設計了3種不同巖性結構組合的邊坡，通過離心機試驗研究框架錨索支護體系加固不同巖性結構邊坡時的受力特征及框架錨索-邊坡的相互作用。

1 土工離心機模型試驗

1.1 試驗設備

試驗在西南交通大學巖土工程研究所土工離心機試驗室進行，該實驗室采用TLJ-2型離心機，最大離心加速度200g，最小離心加速度10g·t，最大容量100g，有效半徑2.7 m，最大半徑3 m。包含兩個模型箱，其中大型模型箱內部凈空0.8 m×0.6 m×0.6 m(長×寬×高)，大型模型箱內部凈空0.6 m×0.4 m×0.4 m(長×寬×高)，離心機設備如圖1所示。

圖1 土工離心機設備

1.2 相似關系設計

根據相似三定律，以幾何尺寸、離心加速度和密度為主控量，推導出其余物理量的相似常數(表1)。首先確定幾何相似常數(n=Hp/Hm，Hp為原型邊坡高度，Hm為模型邊坡高度)，然后根據幾何相似常數計算離心模型試驗加載加速度以及加載的荷載容量，與約束條件(包括模型邊坡高度、最大離心加速度、最大載荷重量)進行比較，如果不滿足需調整幾何相似常數n，直到滿足條件為止。

1.3 模型制作及加載工況

為研究框架錨索結構加固不同巖性結構邊坡時的力學性狀和變形機理，設計了3種不同的邊坡結構，分別為框架錨

表1 離心機試驗物理量相似關系

索加固直線滑動型巖質邊坡(上風化巖-下基巖)、框架錨索加固基覆層邊坡(上覆土-下基巖)以及框架錨索加固均質土坡。3個邊坡模型幾何相似常數及外部尺寸均相同，即n=50，左側高度15 cm，坡高20 cm，底部長80 cm，橫向寬60 cm，上部滑動層長20 cm，坡率1∶0.75。在模型箱底部澆筑混凝土模擬基巖，直線滑動型巖質邊坡的上風化層材料采用河沙、石膏粉、黏土和水按7.5∶2∶2∶0.9質量比配置而成，基覆邊坡的上覆土采用河沙、黏土和水混合攪拌均勻制成，在滑動面上鋪設塑料薄膜并涂抹凡士林以模型上下巖土體之間的相對滑動。均質土坡的材料采用河沙、黏土和水按1.5∶1∶0.35質量比配置而成。采用直徑為5 mm的細圓形鋼筋模擬錨索，錨固段位于基巖內部，長270 mm，自由端位于上部坡體中，長120 mm，錨索張拉段位移坡面處，長30 mm。在錨索的錨固段、自由段均布置應變片，布置方式如圖2所示。3個邊坡模型的錨索各部分長度及應變片布置方式均相同。框架梁采用厚度為1 mm，外邊長為15 mm的不銹鋼方管來模擬，并在框架梁的受壓側和受拉側布置應變片以計算不同截面位置處的彎矩值，如圖3所示，在框架梁底部布置

(b)錨索表面粘貼應變片圖2 錨索應變片布置

(a)應變片布置示意

土壓力計以獲取坡體反力的大小。3個邊坡的框架梁應變片布置方式均相同，而直線滑動型巖質邊坡和基覆邊坡的土壓力計布置方式相同，均質土坡土壓力計不同方式與前兩者不同。3個邊坡的具體幾何尺寸、制作完成的邊坡模型以及土壓力計布置方式如圖4～圖6所示。

(a)應變片布置示意

(b)框架梁表面粘貼應變片圖3 框架梁應變片布置

離心機試驗加載運轉加速度范圍為20～70g，采用以10g為一個量級的分級加載方式，加載到20g、30g、40g時分別保持穩定狀態10 min，加載到50g時保持穩定狀態30 min，加載到60g和70g時分別保持穩定運轉10 min，直到試驗結束，加載過程曲線如圖7所示。3種邊坡結構的離心機試驗分3次試驗進行，試驗一為框架錨索加固直線滑動型巖質邊坡離心機試驗，試驗二為框架錨索加固基覆層邊坡離心機試驗，試驗三為框架錨索加固均質土坡離心機試驗。

2 離心機試驗結果分析

2.1 框架梁彎矩

以離心加速度為50g，錨索預應力為400 kN的工況為例分析框架梁的縱梁和橫梁彎矩變化，采用材料力學相關公式根據框架梁的抗彎剛度EI將應變轉變為彎矩，圖8給出了框架梁的縱梁彎矩變化，橫坐標表示框架梁縱梁，圖中虛線表示與縱梁相交的橫梁。圖9給出框架梁橫梁的彎矩變化，虛線表示與橫梁相交的縱梁，規定受拉為正，受壓為負。

(a)邊坡平面尺寸(單位:mm)

(b)制作完成的邊坡模型

(c)土壓力計方式圖4 框架錨索加固直線滑動型巖質邊坡

從圖8縱梁不同位置處的彎矩變化可以看出，三個試驗的縱梁在預應力作用點附近均承受正彎矩作用，其中縱梁中部預應力作用點附近所受的正彎矩值較大，上下兩個預應力作用點附近所受正彎矩值較小。在縱梁的兩個端點位置處彎矩值為零，在兩個錨索中間部位處框架梁所受彎矩值為負。整個縱梁呈現出受拉和受壓狀態交替出現的特征。從圖9橫梁不同位置處彎矩變化可以看出，在中間預應力作用點附近框架梁承受較大的正彎矩，其余各點均承受負彎矩，橫梁也呈現出與縱梁相似的受拉和受壓交替出現的特征。在錨索的約束下將框架梁假設為Winkler地基梁作用于坡面上，由于框架梁下邊坡巖土體材料物理力學性質不同，所以地基反力系數也不同，因此不同試驗的縱、橫梁彎矩值有一定的差異性，呈現出離散型變化，框架梁受力狀態與其下臥巖土體(地基)的物理力學性質、軟硬程度有關。

2.2 框架梁彎矩與錨固力的關系

通過改變試驗三中錨索張拉段的預應力大小，研究不同預應力下框架梁縱、橫的彎矩變化規律。開展144 kN、256 kN及400 kN錨索預應力下的離心機試驗，得到框架梁的中間縱梁距頂部不同位置處的彎矩值，及中間橫梁距左側不同位置處的彎矩值，圖10為不同錨索預應力作用下，框架梁縱、橫梁彎矩的變化曲線。

(a)邊坡平面尺寸(單位:mm)

(b)制作完成的邊坡模型圖5 框架錨索加固基覆層邊坡

從圖中可以看出隨著錨索預應力值的增大，縱梁不同位置處的正、負彎矩值均呈現出線性增大的趨勢，增大幅度較小。橫梁不同位置處的正、負彎矩值隨著錨索預應力的增大也呈現出線性增大的趨勢，但是增大幅度較為明顯，說明橫梁對錨固力的變化較為敏感，在確定框架錨索的錨固力時，應綜合考慮縱梁和橫梁的間距、尺寸以及荷載分擔比等因素。

2.3 框架梁下坡體壓力分析

圖11為離心加速度50g，錨索預應力400 kN工況下，中間縱梁下坡體壓力大小分布圖，其中橫坐標表示與坡面緊貼的中間縱梁，虛線為預應力作用點位置。

從圖中可以看出三個試驗的最大梁底坡體壓力均出現在框架梁中部，在縱梁上下端點附近坡體壓力較小。在計算梁底地基反力時應考慮梁底坡體壓力的非線性分布，以便于框架梁的結構設計能更接近實際受力狀態。由于試驗二的梁底坡體材料相比于其他兩組試驗最軟，因此所測得的坡體壓力最大。試驗一的梁底坡體材料與試驗三的相比較硬，地震反力系數較大，所得到的坡體壓力也大于試驗三的坡體壓力。在梁長6～8 m之間，試驗一的坡體反力大于試驗三的坡體反力，可能是由于坡面平整度或測量誤差引起。坡體材料的地基反力系數越大，梁底的坡體壓力越小。框架梁底部的坡體壓力也與梁底坡體材料的物理力學性質、軟硬程度及松散破碎程度有關，在進行框架錨索結構設計時應考慮以上因素。

(a)邊坡平面尺寸(單位:mm)

(b)制作完成的邊坡模型

(c)土壓力計方式圖6 框架錨索加固均質土坡

圖7 離心機加載過程曲線

圖8 框架梁縱梁彎矩變化

圖9 框架梁橫梁彎矩變化

(a)縱梁彎矩值

(b)橫梁彎矩值圖10 框架梁縱、橫梁隨錨索預應力的變化曲線

圖11 框架梁下坡體壓力分布

3 結論

本文詳細地介紹了框架錨索加固邊坡的模型制作過程和離心機試驗方案，通過框架錨索加固平面滑動型邊坡、基覆邊坡和均質土坡的多組離心機模型試驗，研究了不同邊坡巖性組合及不同錨索預應力下框架錨索支護體系的受力特征和框架梁下的坡體壓力分布規律。研究發現框架梁的縱、橫梁均沿長度方向呈現出受拉和受壓交替變換的特征，在預應力作用位置表現為較大的正彎矩，框架梁相鄰預應力作用點之間受負彎矩作用，彎矩的大小與梁底邊坡材料的巖土體(地基)反力系數及錨索預應力大小有關。梁底坡體壓力在梁中部較大，兩端較小，呈現出“兩頭小，中間大”變化規律，坡體材料的軟硬程度、坡面平整度、施工質量均對坡體壓力存在較大的影響，巖土體(地基)反力系數越大，坡體壓力越小。