框架預(yù)應(yīng)力錨桿邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用分析

摘要：文章從邊坡極限平衡理論出發(fā)，以框架預(yù)應(yīng)力錨桿邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)的圓弧滑動模式作為破壞的基礎(chǔ)模式，分別考慮框架和錨桿的作用下對于土體邊坡穩(wěn)定性的影響，通過以上實驗的數(shù)據(jù)和結(jié)論分析，建立了內(nèi)部穩(wěn)定性安全系數(shù)的計算模型以及在最危險的滑移面上的搜索模型，從而對框架預(yù)應(yīng)力錨桿邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：邊坡工程；框架支護(hù)結(jié)構(gòu)；預(yù)應(yīng)力錨桿；穩(wěn)定性分析；圓弧積分法 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TU318 文章編號：1009-2374（2016）32-0107-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.32.053

框架預(yù)應(yīng)力錨桿邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)目前為止得到了廣泛的應(yīng)用。它主要是由混凝土框架、擋土板、小噸位預(yù)應(yīng)力錨桿等組成的。該種結(jié)構(gòu)隸屬于輕型柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)的組成部分中，最重要的一項就是錨桿的應(yīng)用。因為錨桿的加入，徹底改變了土體的力學(xué)性能及其受力狀態(tài)，能夠最大程度地利用土體自身的穩(wěn)定性，減少土體的相對位移和滑動，并且錨桿的支護(hù)力能夠隨著邊坡向外破壞力的增大而增大，當(dāng)該破壞力達(dá)到一定限度的時候，錨桿會被拔出，此時該結(jié)構(gòu)就成為真正意義上的柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)，支護(hù)力也就隨著錨桿的拔出而被減弱。該結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，有許多優(yōu)勢：（1）該結(jié)構(gòu)的支護(hù)高度不受限，可以根據(jù)實際情況的需要進(jìn)行確定；（2）該結(jié)構(gòu)的工程造價和工程量都要比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)低很多；（3）該結(jié)構(gòu)能夠最大限度地保證邊坡的穩(wěn)定性，同時在進(jìn)行施工時能夠保證邊坡基本不受到擾動。特別是其中加入了預(yù)應(yīng)力措施，更加能夠控制邊坡的變形程度。由于這些優(yōu)良的特性，該結(jié)構(gòu)在我國得到了十分廣泛的應(yīng)用，并且也取得了非?？捎^的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會評價。

1 穩(wěn)定性分析方法

1.1 穩(wěn)定性安全系數(shù)計算模型

在所有計算以及實驗進(jìn)行之前，我們首先要明確所需支護(hù)的邊坡可能會受到何種類型的破壞，通過明確破壞類型來確定邊坡的破壞形態(tài)以及破壞機(jī)理。在現(xiàn)有的實例中，邊坡一般有以下兩種破壞模式，即圓弧破壞模式和平面破壞模式。我們所研究的邊坡穩(wěn)定性分析就是將以上兩種破壞模式選擇其一，按照該種破壞模式的破壞機(jī)理以及破壞形態(tài)，同時結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件以及該邊坡的荷載條件進(jìn)行受力分析。想要在分析時將傳統(tǒng)的極限平衡法應(yīng)用其中，除了要考慮土體本身將會涉及的力學(xué)指標(biāo)以外，還要將錨桿預(yù)應(yīng)力的作用等考慮在內(nèi)，因此本文中筆者所選擇的假定破壞模型為圓弧滑動破壞。該破壞模式的破壞機(jī)理主要是由于土體的自重作用過大，導(dǎo)致地面與土體的摩擦力無法平衡其附加荷載所產(chǎn)生的滑動摩擦，從而導(dǎo)致整個邊坡出現(xiàn)超過圓弧滑動面的抗滑移力，使得整個邊坡出現(xiàn)相對位移。

想要準(zhǔn)確地分析出邊坡穩(wěn)定性，就必須要找出能夠滿足所有靜力平衡的條件，同時又能夠合理地滿足規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)的結(jié)果的解集。從以往的工程實例來看，我們所要尋找的安全系數(shù)就是某點的最小安全系數(shù)。根據(jù)以往的文獻(xiàn)以及試驗記錄，我們總結(jié)出了計算邊坡內(nèi)部安全系數(shù)的計算公式，即KS=（FS1+FS2+FS3+ΔFS）/F。我們可以從該式中明顯看出，我們所尋找的安全系數(shù)實際上就是圓弧滑動面上的抗滑移力以及與滑移力的比值。其中△FS的出現(xiàn)是為了中和錨桿預(yù)應(yīng)力對土坡穩(wěn)定性的影響。由于到目前為止我們無法將該參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的量化，因此在實際計算時我們一般根據(jù)工程需要自行確定。

1.2 圓弧滑移面搜索模型

想采用圓弧滑移面積分法進(jìn)行分析操作，最關(guān)鍵的一步就是要對滑移危險面的位置進(jìn)行確定。在確定危險面的過程中，需要考慮到以下假定內(nèi)容：（1）邊坡土土質(zhì)往往比較均勻，因此地下水以及孔隙應(yīng)力對于整體應(yīng)力的影響一般忽略不計，將邊坡穩(wěn)定問題劃分為平面應(yīng)變問題；（2）最危險圓弧滑移面的邊坡腳點處的錨桿需在水平方向和豎直方向均勻布置；（3）由于橫梁、立柱、擋土板以及預(yù)應(yīng)力錨桿形成了剛度較大的穩(wěn)定空間框架，因此在實際計算時可以將土壓力作用下產(chǎn)生的微弱不均勻變形忽略，并且假定在最危險截面下所有的錨桿所承受的軸力都達(dá)到了其抗拉極限。

在確定所用假定之后，要對滑移面模型的各個變量進(jìn)行確定。

在進(jìn)行變量確定時，要確定圓心的位置以及圓心與所要分析的點的夾角，即sinΦ=（x-xo）/R、cosΦ=（yo-y）/R。之后，通過地面附加荷載的等效自重可以間接表示出土體的等效自重，這樣可以更加直觀并且準(zhǔn)確地計算出土體自重，并且在進(jìn)行安全系數(shù)選擇時也更加準(zhǔn)確。接著，進(jìn)行滑移力的確定和分析。在進(jìn)行具體分析和計算之前，需要明確滑移力產(chǎn)生的原因是由土體自重以及地面附加荷載共同作用產(chǎn)生的，因此在實際計算的時候要將土體自重以及附加荷載的合力作為考量，同時確定合力位置。由于力的作用是相互的，因此在整個結(jié)構(gòu)中若出現(xiàn)了滑移力，那么就必將出現(xiàn)抗滑移力。但實際上在確定抗滑移力的時候不能只將其作為滑移力的相反力來考慮，能夠直接影響抗滑移力的因素有二：（1）錨桿抗拉極限承載力的大小；（2）圓弧半徑所在直線與錨桿所在直線夾角的大小。在計算錨桿抗拉承載力極限值的時候主要根據(jù)錨桿破壞時的強(qiáng)度大小來確定，忽略抗剪以及抗彎作用對其的影響，因此在進(jìn)行計算時我們可以假定錨桿恰好屬于受拉狀態(tài)，而在確定夾角大小時則可以根據(jù)圓心與合理的函數(shù)關(guān)系來進(jìn)行

計算。

2 最危險滑移面的確定

通過上文的分析以及統(tǒng)計，可以在確定函數(shù)中的幾個關(guān)鍵變量之后，得出給定圓心位置的錨桿作用下的整體穩(wěn)定性安全系數(shù)。在實際的工程當(dāng)中，圓心的位置并不固定，因此需要利用網(wǎng)格法以及文本算法對計算機(jī)軟件進(jìn)行進(jìn)一步編程，使得在實際使用過程中計算機(jī)軟件能夠?qū)Σ煌恢玫膱A心帶來的影響進(jìn)行分析和權(quán)衡。如果圓心所在位置位于搜索區(qū)域的邊界，那么該程序就會通過增量法對搜索區(qū)域進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，在更大的搜索范圍內(nèi)繼續(xù)搜索，最終目的是要保證圓心的位置位于搜索區(qū)域內(nèi)部而非邊界。

3 結(jié)語

本文中通過筆者對于框架預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的研究和參數(shù)選擇，主要得出了以下五個結(jié)論：

第一，根據(jù)極限平衡理論以及建立滑移面模型，成功推導(dǎo)出了滑移面圓心與安全系數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系。在確定安全系數(shù)的時候需要通過計算機(jī)建模，然后找到圓心所在的區(qū)域，根據(jù)已有的函數(shù)關(guān)系得出所需的安全系數(shù)。和傳統(tǒng)的經(jīng)驗法相比，該方法具有更強(qiáng)的針對性和確定性，能夠根據(jù)實際情況給出最合理的安全系數(shù)，同時由于計算機(jī)的加入，使其更容易操作。

第二，在綜合考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)以及錨桿對土體邊坡穩(wěn)定性的影響之后，得出最危險滑移面實際上是隨著設(shè)計參數(shù)的變化而變化的?？梢?，如果一味地將以往的經(jīng)驗公式用于工程中，就會出現(xiàn)盲目性甚至是重大失誤。因此，使用危險滑移面建模的方法可以更加準(zhǔn)確和直觀地確定安全系數(shù)，防止由于采用經(jīng)驗值和經(jīng)驗公式導(dǎo)致整個工程出現(xiàn)隱患。

第三，雖然建模是一種較為準(zhǔn)確的傳統(tǒng)方法，但是其中仍然有許多需要進(jìn)行不斷改進(jìn)的問題。例如土體穩(wěn)定性的影響因素有很多種，框架和錨桿與土體之間的相互作用都會使得土體穩(wěn)定性出現(xiàn)與模型不符的地方，因此在進(jìn)行安全系數(shù)確定的時候也不能只看重模型帶來的便利，還要結(jié)合現(xiàn)場實際以及相關(guān)試驗單位進(jìn)行的試驗數(shù)據(jù)以及勘察報告，將這些內(nèi)容與建模后得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，最終得出最為準(zhǔn)確的安全系數(shù)。

第四，本文在進(jìn)行框架預(yù)應(yīng)力錨桿邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)確定時所用的最危險滑移面建模的方法，不單單可以用在該種支護(hù)結(jié)構(gòu)中，還可以用在其他非純土坡的穩(wěn)定性治理以及加固中。

第五，在未來的實際工作中，應(yīng)該盡可能地去對現(xiàn)有的方法進(jìn)行完善，并且在完善的過程當(dāng)中創(chuàng)造出新的方法。很多邊坡穩(wěn)定性加固的工程中都需要提前通過許多大型現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行驗證，因此如何才能更高效地使用大型設(shè)備進(jìn)行理論研究是業(yè)內(nèi)工作人員在未來的工作和研究中需要重點解決的問題。

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作者簡介：楊琳琳（1985-），女，陜西人，廣西華藍(lán)巖土工程有限公司工程師，碩士，研究方向：邊坡支擋結(jié)構(gòu)。

（責(zé)任編輯：小 燕）