基于極限平衡法的錨索框格梁支護(hù)設(shè)計(jì)

龍小鋒

(甘肅公航旅路業(yè)有限公司 蘭州 730070)

0 前言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)與科技水平的發(fā)展，高速公路工程的建設(shè)飛速發(fā)展。有研究資料表明，截至2019年初，我國高速公路總里程突破了14萬km，高速公路網(wǎng)日趨完善[1]。高速公路網(wǎng)逐步向多山、深谷地區(qū)發(fā)展的過程中，面臨著地形復(fù)雜、不良地質(zhì)發(fā)育、自然災(zāi)害頻發(fā)等問題，公路工程施工不可避免地遇到路塹開挖、高邊坡支護(hù)等問題，這對(duì)項(xiàng)目實(shí)施和施工進(jìn)度帶來了極大的挑戰(zhàn)[2-3]。山區(qū)公路修建過程中，當(dāng)邊坡的高度與坡度較大時(shí)，其穩(wěn)定性是整個(gè)邊坡工程的控制性因素，高邊坡的失穩(wěn)會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域發(fā)生泥石流、崩塌、錯(cuò)落、滑坡等病害，進(jìn)而導(dǎo)致災(zāi)難性的后果[4-6]。

1 公路工程高邊坡穩(wěn)定性分析

1.1 高邊坡穩(wěn)定性影響因素及破壞

由于施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境多變，地質(zhì)條件復(fù)雜，公路工程高邊坡施工過程中的穩(wěn)定性受多種因素影響，結(jié)合以往專家學(xué)者的研究，可以將邊坡穩(wěn)定性影響因素分為內(nèi)因和外因兩類：內(nèi)在因素大致包含邊坡的內(nèi)應(yīng)力、巖體及土體物理力學(xué)性能、邊坡高度、地質(zhì)構(gòu)造、巖體及土體風(fēng)化程度等；外在因素包括地下水、降雨量、地震活動(dòng)、風(fēng)化作用、地表植被等自然因素，也包括爆破、行車振動(dòng)、路線形式、邊坡改造活動(dòng)、施工方法等人為因素。高邊坡穩(wěn)定性分析中，內(nèi)在因素對(duì)高邊坡的設(shè)計(jì)、施工、防護(hù)、失穩(wěn)等起控制性作用，外部因素則誘導(dǎo)邊坡失穩(wěn)而發(fā)生對(duì)應(yīng)的破壞[8-12]。

研究表明，公路工程高邊坡的失穩(wěn)破壞按照其內(nèi)部的變形與位移發(fā)展過程，可分為變形和破壞兩個(gè)階段[11]。邊坡內(nèi)部的滑坡體穩(wěn)定性被破壞發(fā)生變形，但尚未形成貫通性破壞面的階段為變形階段。變形階段的破壞模式主要有松動(dòng)和蠕動(dòng)兩種，松動(dòng)主要發(fā)生在邊坡形成之初，滑坡體出現(xiàn)與邊坡表面平行的陡傾角張開裂隙，對(duì)邊坡的坡體產(chǎn)生較強(qiáng)的切割作用，使之不斷向邊坡的臨空面滑移；蠕動(dòng)是滑坡體受到重力作用后，使之朝著邊坡臨空面產(chǎn)生緩慢的長期變形。

當(dāng)松動(dòng)和蠕變的變形量發(fā)展到一定階段時(shí)，坡體中形成貫通性的破壞面，之后以一定的加速度發(fā)生位移，則邊坡進(jìn)入破壞階段。邊坡進(jìn)入破壞階段后，隨著位移量的增加，會(huì)導(dǎo)致坡體出現(xiàn)崩塌、滑坡、坍塌、傾倒、錯(cuò)落等破壞形式，引發(fā)災(zāi)難性的后果。

1.2 極限平衡法的分析過程

基于定量分析的極限平衡法是邊坡穩(wěn)定性分析的傳統(tǒng)方法，計(jì)算過程相對(duì)簡便，在實(shí)際工程中被廣泛應(yīng)用且獲得國內(nèi)外學(xué)者的高度認(rèn)可。利用極限平衡法求解問題時(shí)，將邊坡工作過程中受到的所有力簡化到同一個(gè)平面上，將邊坡位置復(fù)雜的巖土體簡化為不發(fā)生變形的剛體[13-14]。

極限平衡法的目標(biāo)在于求解邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)[13]。先依據(jù)實(shí)際工程地質(zhì)資料確定邊坡的結(jié)構(gòu)面，進(jìn)而綜合考慮其受力性能后確定可能發(fā)生失穩(wěn)的潛在滑裂面作為計(jì)算巖體下滑的軟弱面，其破壞規(guī)則遵循摩爾—庫倫準(zhǔn)則。對(duì)潛在滑裂面進(jìn)行受力分析，對(duì)應(yīng)位置的抗滑力和下滑力的比值即為安全系數(shù)。

如圖1所示的巖質(zhì)邊坡ABEG，由于滑動(dòng)面AD的滑動(dòng)力F和抗滑力Fr的變化，會(huì)導(dǎo)致滑動(dòng)體ABCD沿滑動(dòng)面產(chǎn)生下滑。

圖1 巖質(zhì)邊坡受力分析圖

采用極限平衡法分析邊坡穩(wěn)定性時(shí)，認(rèn)為滑裂面與巖體中張拉裂縫的走向與坡面的走向互相平行，在深度為Z的裂縫中對(duì)應(yīng)的充水深度為ZW。由于滑動(dòng)體對(duì)應(yīng)的巖體本身不會(huì)發(fā)生滲水，因此水分是沿著垂直方向的張拉裂縫滲透進(jìn)入滑動(dòng)體內(nèi)部，假定水壓力沿著裂縫深度呈線性分布。此外，滑裂隙中水的推力PW、滑裂面位置的上浮托力Ff、滑動(dòng)體的重力W均作用在滑動(dòng)體的中心，故滑動(dòng)體只是沿著滑裂面滑動(dòng)，而不產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，且滑裂面的抗剪強(qiáng)度遵循庫倫準(zhǔn)則τ=c+σtanφ。

1.3 邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)巖質(zhì)邊坡破壞形態(tài)的差異，巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析的極限平衡分析方法可分為單平面滑動(dòng)、多平面滑動(dòng)、楔形滑動(dòng)、傾倒和圓弧滑動(dòng)等破壞。為簡化分析過程，以單平面滑動(dòng)破壞為例，介紹極限平衡法在巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用。

目前我國地鐵建筑工程的施工人員幾乎每天都會(huì)有變動(dòng)，流動(dòng)性比較大，在建筑單位進(jìn)行進(jìn)場(chǎng)前的安全教育培訓(xùn)的過程中，加大了工作量，導(dǎo)致安全培訓(xùn)過與形式化，不能將培訓(xùn)效果最大程度的發(fā)揮出。當(dāng)相關(guān)工作人員沒有安全意識(shí)時(shí)，就會(huì)非常容易出現(xiàn)安全事故。

如圖1所示，巖質(zhì)邊坡單平面滑動(dòng)過程中所受的力包括裂隙中水的推力PW、滑裂面位置的上浮托力Ff、滑動(dòng)體的重力W、錨固力Fm、黏聚力Fc。依據(jù)簡單的力學(xué)分析可知，滑動(dòng)體受力為[13]：

(1)

(2)

Fc=cL

(3)

依據(jù)庫倫定律，巖體ABCD的下滑力F為：

F=[Wsinα+PWcosα-Fmcos(α+λ)]

(4)

阻止滑動(dòng)體向下滑動(dòng)的抗滑力Fr為：

Fr=[Wcosα-pWsinα-Ff

+Fmcos(α+λ)]·tanφ+cL

(5)

由(4)式和(5)式可得巖質(zhì)邊坡的安全系數(shù)ζ為：

ζ={[Wcosα-pWsinα-Ff

+Fmcos(α+λ)]·tanφ+cL}

÷Wsinα+pWcosα-Fmcos(α+λ)

(6)

式中：γW為水的容重；c為內(nèi)聚力；L為滑動(dòng)體的長度；φ為內(nèi)摩擦角。

基于式(4)～式(6)所述的極限平衡法分析過程，結(jié)合實(shí)際工程的地質(zhì)資料，可以初步得到對(duì)應(yīng)邊坡的安全系數(shù)，判斷其發(fā)生滑動(dòng)的可能性，并為后續(xù)支護(hù)方式及參數(shù)設(shè)計(jì)、施工方法選擇等提供依據(jù)。

2 基于極限平衡法的錨索框格梁設(shè)計(jì)

2.1 工程概況

該項(xiàng)目是我國西南某地干線公路網(wǎng)的組成路段，主線為雙線4車道高速公路，設(shè)計(jì)速度80km/h，線路全長235.966km?，F(xiàn)場(chǎng)勘探資料表明，上述三段均處于構(gòu)造剝蝕中、低山地貌區(qū)，地表水為當(dāng)?shù)睾恿?，與線路中心距離約150m，無其他明顯地表水體，路線區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料，項(xiàng)目全線共有3處風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅲ級(jí)的高度風(fēng)險(xiǎn)邊坡工程。其中里程K143+490.00～810.00段為巖質(zhì)邊坡，全長320m，坡高68.6m，坡高1～5級(jí)分別為10 m、10 m、10 m、10 m、28.65m。設(shè)計(jì)為五級(jí)邊坡，每級(jí)邊坡設(shè)置2m平臺(tái)，設(shè)計(jì)坡率為1∶1，采用錨索框格梁防護(hù)。K143+720典型斷面如圖2所示。

圖2 里程K143+720典型斷面圖

該段地質(zhì)巖土自上而下分別為粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化砂巖。地質(zhì)勘探資料顯示，該里程范圍內(nèi)坡體平均內(nèi)聚力為10.5kPa，平均內(nèi)摩擦角φ為30°，自然坡度為40°，孔隙水及裂隙水的平均埋深為10.5m，巖土體天然重度取13.75kN/m3。

2.2 錨索的索力設(shè)計(jì)

依據(jù)(6)式所述的邊坡穩(wěn)定性分析，當(dāng)邊坡的抗滑力Fr大于滑坡體的極限滑動(dòng)力F時(shí)，滑動(dòng)體處于穩(wěn)定狀態(tài)。錨索框格梁通過將預(yù)應(yīng)力錨索穩(wěn)固地錨固于邊坡坡體內(nèi)部的穩(wěn)定持力層，依靠坡體自身強(qiáng)度和可靠的自穩(wěn)能力使體系產(chǎn)生足夠的抗滑力[13]。以滑動(dòng)體產(chǎn)生滑動(dòng)的臨界狀態(tài)為限值，設(shè)計(jì)錨索索力的臨界值。由(6)式可知，當(dāng)安全系數(shù)ζ=1時(shí)，滑動(dòng)體處于臨界狀態(tài)。因此，可得錨索的臨界索力為：

Fm=[W(sinα-tanφ·cosα)

+pW(cosα+pWtanφ·sinα)

+Fftanφ-cL]/cos(α+λ)·(tanφ+1)

(7)

將本項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的地質(zhì)數(shù)據(jù)代入(7)式，得到臨界索力為805.6kN，低于實(shí)際工程中采取的索力1040kN，錨索最大極限張拉力為索力的一半。

2.3 錨索錨固角設(shè)計(jì)

依據(jù)(6)式所述的邊坡穩(wěn)定性分析，邊坡的抗滑力Fr大于滑坡體的極限滑動(dòng)力F時(shí)，滑動(dòng)體處于穩(wěn)定狀態(tài)。錨索框格梁通過將預(yù)應(yīng)力錨索穩(wěn)固地錨固于邊坡坡體內(nèi)部的穩(wěn)定持力層，依靠坡體自身強(qiáng)度和可靠的自穩(wěn)能力使體系產(chǎn)生足夠的抗滑力[15]。錨索的受力分析如圖3所示。

圖3 錨索受力分析圖

由圖3可知，錨索通過在平行垂直于滑動(dòng)面兩個(gè)方向上產(chǎn)生錨固力，使框格梁體系產(chǎn)生足夠的抗滑力。錨固角不同，所產(chǎn)生的抗滑力大小會(huì)產(chǎn)生較大的差異。考慮施工成本的基礎(chǔ)上，為使錨索達(dá)到最佳的受力狀態(tài)，選用最大抗滑力對(duì)應(yīng)的錨固角為最優(yōu)錨固角[15]。如圖3所示，根據(jù)力學(xué)平衡原理，可得錨索持力后提供的最大總抗滑力為：

Fr=Fv+Fn

=FT[sin(α+β)tanφ+cos(α+β)]

(8)

式中:FT為錨索極限承載力；Fn、Fv分別為Fr的水平分量和垂直分量；β為錨固角。

結(jié)合(4)～(6)式，依據(jù)設(shè)計(jì)所提供的錨索極限承載力及實(shí)地勘探所得的地質(zhì)資料，計(jì)算得錨固角為25°。實(shí)際工程中取錨固角為30°，以保證錨固性能，偏安全地設(shè)計(jì)錨索工作性能。

2.4 錨固段長度、錨索長度及間距

實(shí)際工程中錨索框格梁的錨索錨固段長度、錨索材料、錨索長度及錨索間距等參數(shù)，在滿足錨固力設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上符合構(gòu)造要求。錨索的構(gòu)造需綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本和加固效果。錨索長度包括錨固段、自由段和鎖定頭。錨索的總埋深應(yīng)大于潛在滑裂面的深度，巖層錨索的錨固長度應(yīng)大于3m。

此外，預(yù)應(yīng)力錨索的耐久性是制約其使用壽命的重要因素之一，對(duì)支護(hù)效果起控制性作用，需對(duì)錨索采取防腐措施，如涂覆防腐涂層、外套防腐塑料管等。設(shè)置錨索的間距過小時(shí)會(huì)引發(fā)群錨效應(yīng)，降低單根錨索的工作效率，顯著增加施工成本。因此，依據(jù)規(guī)范規(guī)定，本項(xiàng)目錨索框格梁錨索的各個(gè)參數(shù)取值如表1所示。

表1 錨索框格梁錨索的參數(shù)取值(單位：m)

為保證錨固效果，本項(xiàng)目錨索由四根φ15.2mm、強(qiáng)度為1860MPa的高強(qiáng)度低松弛無黏結(jié)的鋼絞線組成。為保證防腐效果，對(duì)鋼絞線進(jìn)行除銹處理，涂刷強(qiáng)力防腐涂料。在自由段涂防護(hù)油并套上厚度為1mm的原生塑料管。自由段與錨固段相接處采用止水效果較好的黏膠帶纏封。與實(shí)際工程的保守型設(shè)計(jì)對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，采用極限平衡法設(shè)計(jì)的錨索參數(shù)符合施工要求。

3 結(jié)語

錨索框格梁通過將預(yù)應(yīng)力錨索穩(wěn)固地錨固于邊坡坡體內(nèi)部的穩(wěn)定持力層，依靠坡體自身強(qiáng)度與自穩(wěn)能力使體系產(chǎn)生足夠的抗滑力，錨索工作性能是影響其支護(hù)和加固效果的主要因素之一。采用極限平衡法求解邊坡穩(wěn)定系數(shù)的思路，基于巖質(zhì)邊坡單平面滑動(dòng)破壞的受力分析，反算得到了錨索的臨界索力；依據(jù)對(duì)錨索的受力分析，結(jié)合實(shí)際工程的地質(zhì)參數(shù)設(shè)計(jì)了錨索索力、錨固角、錨固段長度、錨索長度及間距等參數(shù)。將計(jì)算得到的錨索設(shè)計(jì)值與實(shí)際工程采取的錨索工作參數(shù)對(duì)比表明，采用極限平衡法設(shè)計(jì)的錨索工作參數(shù)能滿足施工要求。