預應力錨索框架梁在整治高陡邊坡病害中的應用

[摘要] 根據高陡邊坡病害的特點，提出了預應力錨索框架梁的加固方法，并結合工程實例，介紹了預應力錨索框架梁的設計流程，重點闡述了錨索以及利用Winkler地基模型進行框架梁的內力計算，供今后類似工程參考。

[關鍵詞] 預應力錨索 框架梁 高陡邊坡 病害整治

預應力錨索框架梁是預應力錨索的鎖定頭設置在鋼筋混凝土框架梁上與錨索結合加固邊坡的一種結構形式。該結構是采用高強低松馳鋼絞線對坡體主動施加大噸位的預應力以平衡坡體的破壞力，通過框架的分散傳遞作用使臨空坡面的表層巖土受到預壓應力，改善坡體巖土的應力狀態，增強坡體的自穩能力。

預應力錨索框架梁被廣泛應用于軟巖、破碎巖或土質病害的預防與加固工程，它因具有工期短、機械化程度較高、施工條件好、效果顯著、外形美觀等優點，另外框架梁在合理加固坡體的同時，還可在框架內進行植被，達到綠化防護的目的。現以鷹廈線K157病害整治實例，闡述預應力錨索框架梁在高陡邊坡病害整治中的應用情況。

1 工程概況

鷹廈鐵路K157+260～+310位于福建北段王塘-曬口區間，富屯溪岸邊，屬低山丘陵區，線路以半塹半堤通過，左側路塹坡高約70米，坡度約1:1，未做防護，2005年6月受臺風“海棠”影響，左塹高約70米處發生溜坍，坍體總量約1000m³，夾有大量雜草、倒樹，坍體覆蓋線路，經搶修后恢復通車。

該路塹邊坡體的巖層從上至下依次為：

第四系坡殘積層（Q4el+dl）

①含碎塊石粉質粘土：棕紅、土黃色，可塑。厚度約4～6m，含碎塊石約20%。

三疊系焦坑組（T3j）

②強風化砂巖（W3）：灰、灰黃色，巖體呈散體～碎石狀結構。

③弱風化砂巖（W2）：青灰、灰黃色，巖體較完整，巖體呈層狀～碎石狀結構。

2 病害原因分析及加固方案比選

該邊坡病害誘發原因系原路塹邊坡巖土體親水礦物含量極高，既有塹坡坡度較陡，加上本次雨季持續降水（月累計降雨量約603.5mm，最大持續降雨量約510.4mm，最大日降雨量約155.8mm）使巖土體飽和，抗剪強度降低，導致路塹邊坡上部土體沿巖土交界面向下溜坍。如果不處理，因下部邊坡的溜坍造成上部邊坡坡腳失去支撐而失穩，邊坡破壞會逐漸向后發展，造成更大規模的邊坡破壞，破壞巖體將由山坡滑下，掩埋鐵路，危及列車行車安全。

由于該段路塹邊坡高達70m，坡度約1:1，且山頂建有移動通信基站和曬口水廠，若采用擋墻或土釘墻結構來加固邊坡，則加固的邊坡高度有限，通常最高也僅為15m，須采用多級支擋結構，還必須將支擋結構上方邊坡按穩定邊坡坡率刷方，并且不可能一坡刷到底的，必須刷成多級邊坡，每級邊坡之間設一平臺，這樣一方面刷方量巨大，工程造價高昂，且挖方及棄方條件都較困難。另一方面刷方將會影響曬口水廠和移動通信基站的安全。鑒于上述這些條件的限制，結合本工點的工程地質條件，充分考慮到預應力錨索框架梁結構的特點，在不改變既有邊坡坡率的前提下，從經濟、施工便利的角度出發，經過計算決定采用間距為5m的預應力錨索框架梁來作為高陡邊坡加固的結構物。邊坡加固的代表斷面見圖1，框架梁結構見圖2。

3 預應力錨索框架梁的設計

預應力錨索框架梁的設計流程見圖3所示。

3.1 預應力錨索的設計

3.1.1計算滑體下滑力

選定滑坡的代表斷面，按下式計算滑坡的下滑力F：

式中:K為安全系數，取1.2；W為滑體重量；L為滑動面長度；按巖體容重γ＝20KN/m³，c=20KPa，φ=10°，計算出邊坡下滑力為604.1KN。

圖1 代表斷面加固示意圖

圖2 框架梁結構圖

3.1.2計算錨索的下傾角

在施工工藝可行的前提下，單位長度錨索提供最大的抗滑增量時，錨索下傾角β的計算式為：

式中：A－錨索的錨固段長度與自由段長度之比；

－設錨索段滑動面的內摩擦角和滑動面傾角。

根據一般經驗，β角取10°～30°，本例β角取20°。

3.1.3計算錨固力和預應力張拉值

按下式計算一米寬滑坡所需錨固力Pt：

＝785.1 KN/m

圖3 預應力錨索框架梁設計流程圖

式中：F—滑坡下滑力；Pt—設計錨固力（KN）； —滑動面內摩擦角（°）； —錨索與滑動面相交處滑動面傾角（°）； —錨索下傾角；λ—折減系數，與邊坡巖性及加固厚度有關，在0~1之間選取。

根據合理間距范圍，選擇縱橫向間距均為5m，即在邊坡上沿坡面74m長的范圍內布置錨索10根，則單根錨索的設計錨固力Nt＝Pt×5/10=392.6KN，實際設計錨固力取Nt= 400 KN。

3.1.4 確定錨索的結構和錨孔的孔徑

錨索由若干股鋼絞線組成，根據預應力張拉值和鋼絞線的極限抗拉強度，加以一定的安全儲備，來計算組成錨索所需鋼絞線的股數， ，取3根。采用OVM15－3錨具。

鋼絞線按同心狀環列，根據鋼絞線的股數和單股直徑，再考慮灌漿管和砂漿體的空間，來確定錨孔的直徑，一般不小于110mm。

3.1.5 確定錨固段的位置與長度

錨索的錨固段全置于滑動面之下的穩定巖土體中，考慮應力擴散角，錨固段的起點應下離滑動面一段距離，以使兩錨索間的滑動面都能處于受壓狀態。錨固段的長度視預應力張拉噸位、錨索與砂漿的粘結力、砂漿與孔壁的粘結力而定，錨索與砂漿間的粘結力一般較充裕，故錨固段長度L據預應力張拉值T、砂漿與孔壁的抗剪力τ來計算：

=3.6m

式中：D—為錨孔直徑；K—為安全系數。

取錨固段長度4m。

3.2 框架梁內力計算

將框架梁視為彈性地基上的梁，錨固力作為梁上集中荷載，按照Winkler彈性地基梁假定計算梁內力。

圖4 框架梁受力圖

框架梁的集中力作用在橫縱梁交叉處，該處受到的集中力由橫縱兩個方向的梁共同承擔，進行內力計算時，需要確定橫縱梁所分配的荷載，然后就可以按單向條形基礎進行計算。

式中，L為橫向，T為縱向。

式中， 、 為橫縱梁柔性指數， 、 為橫縱梁慣性距。

從式中得出，取橫縱梁截面尺寸相同，同時認為坡面基床系數處處相等時，有，即節點橫縱向分配的荷載相等。因此在計算單根梁的內力時，可取錨桿錨固力設計值在垂直坡面方向分量的1/2作為作用在格構梁上的集中力。

節點荷載分配后，即可按Winkler彈性地基梁理論計算梁剪力和彎矩。

式中： 4 為彈性地基梁的彈性特征， 、 為梁的彈性模量和慣性矩， 、 、 參見文獻[2]。

根據公式可編制電算程序計算出得縱橫梁的內力，如圖5、6所示。

圖5 縱梁彎矩圖

圖6 縱梁剪力圖

橫梁內力計算同縱梁，根據內力分布，既可按受彎構件對縱橫梁配筋。

4 結語

該段病害邊坡最高超過70m，邊坡高陡，2005年采用預應力錨索框架梁加固后，邊坡穩定，沒出現任何不良情況。從工程質量，工程效益上都取得了良好的效果，從而可以看出錨索技術在加固高邊坡，控制邊坡變形，防止邊坡失穩方面是行之有效的方法，具有較高的應用價值和推廣價值。并具有施工工期短，投資少，見效快，施工作業對邊坡影響小，地面作業相對安全，適用于應急工程等優點，值得推廣。

參考文獻

[1] 李海光等. 新型支擋結構設計與工程實例[M].北京: 人民交通出版社， 2004.

[2] Hetenyi，M.Beams on Elastic Foundations[M]. University of Michigan Press， Ann Arbor，Michigan，1946.

[3] 肖世國，周德培.巖石高邊坡一種預應力錨索框架型地梁的內力計算[J].巖土工程學報.2002， 24(7):439-482.

[4] 李群，章廣成，唐輝明，王亮清等. 十字交叉格構梁內力分析與優化設計[J]. 煤田地質與與勘探， 2006， 34(6):50-53.