高速鐵路預應力錨索框架梁的設計與分析及論大學生寫作能力

西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文)第Ⅰ頁西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文)第頁第1章緒論問題的提出滑坡是指斜坡上的土體(巖體)，在河流沖刷、地下水活動、地震及人工切坡等因素影響下，沿著一定的軟弱面或者軟弱帶，整體地或者分散地順坡向下滑動的自然現(xiàn)象?；率歉咚勹F路建設中遇到的常見地質(zhì)災害現(xiàn)象之一。其發(fā)生的后果通常是中斷交通、侵占河道、造成人身財產(chǎn)的損害，而且它的分布面廣、發(fā)生比較頻繁、產(chǎn)生條件復雜，作用因素繁多使得治理滑坡的費用昂貴。由于地質(zhì)環(huán)境和自然條件的區(qū)域性的特點，從而決定了滑坡的分布具有區(qū)域集中的特點。因此在許多山區(qū)，滑坡多是成群狀分布，這無疑給滑坡的治理方面帶來了巨大的困難。在高速鐵路交通運輸方面，滑坡的危害主要表現(xiàn)在：（1）破壞鐵路線路，造車中斷行車；（2）危害鐵路站場、站房，嚴重威脅車站安全；（3）造成橋梁墩臺的推移以及隧道明洞摧毀；（4）中斷鐵路交通運輸，影響國民經(jīng)濟建設；（5）造成行車事故和人身傷亡；（6）加大維修費用，增加了財政支出。隨著我國社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，西部大開發(fā)的不斷推進，邊坡治理在國民經(jīng)濟建設中占有著舉足輕重的地位，如何有效地加固邊坡是滑坡防治至關(guān)重要的核心內(nèi)容。支擋結(jié)構(gòu)的發(fā)展在邊坡的治理方面，支擋結(jié)構(gòu)的形式是多種多樣的，比如預應力錨索、錨桿、抗滑樁、擋土墻等等。但其發(fā)展過程大致可以分為以下幾個階段：第一階段（20世紀50年代以前），采用抗滑擋墻結(jié)合支撐錨桿，取得了一定效果。但由于滑坡的推力較大，致使抗滑擋墻的體積龐大，墻基須置于滑面以下一定深度，施工開挖對滑體的穩(wěn)定影響大。第二階段（20世紀70年代），采用抗滑樁支擋，工程效果比較明顯。國外則多采用鋼筋混凝土鉆孔樁，用群樁和承臺共同受力。而國內(nèi)采用矩形截面的鋼筋混凝土挖孔樁，由于抗滑樁提供的抗力大，施工對滑體的擾動小、安全、見效快，因此曾被廣泛采用。第三階段（20世紀80年代以后），隨著錨固技術(shù)的發(fā)展，預應力錨索在邊坡加固中得到了廣泛的應用，在不斷的工程實踐中演化出了各種各樣的結(jié)構(gòu)形式，主要有：①預應力錨索抗滑擋墻；②預應力錨索抗滑樁；③預應力錨索抗滑樁板墻；④預應力錨索框架梁。預應力錨索在工程中的應用大大地改善了抗滑結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，降低了工程造價。常見支擋結(jié)構(gòu)類型隨著我國交通運輸基礎(chǔ)建設的不斷發(fā)展，支擋結(jié)構(gòu)在邊坡工程中的運用是變得越來越廣泛。在許多的山區(qū)地帶，由于沿線的地形陡緩交錯頻繁，一般的支擋結(jié)構(gòu)的高度有限，就很難滿足設計要求。因此需要開發(fā)使用高輕型支擋結(jié)構(gòu)，以降低工程造價，下面簡單介紹這兩種支擋結(jié)構(gòu)：一般支擋結(jié)構(gòu)一般的支擋結(jié)構(gòu)包括各種類型的擋土墻和其他具有承重能力的支撐結(jié)構(gòu)，主要形式有：重力式擋土墻、錨索（桿）擋土墻、錨定板擋土墻、抗滑樁、土釘支護、樁板式擋土墻等等。它們適用于墻高不超過一定高度的支擋工程，在一般的公路工程中使用比較廣泛。高輕型支擋結(jié)構(gòu)高輕型支擋結(jié)構(gòu)是指在一般支擋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上使用了新材料、新技術(shù)、新工藝的結(jié)構(gòu)形式，專指高度大于12m的支擋工程，目前在我國現(xiàn)行的公路、鐵路規(guī)范中還沒有明確規(guī)定的一類支擋結(jié)構(gòu)物。它的主要形式包括：高輕型預應力錨索樁板墻、高輕型錨定板擋土墻、高輕型預應力錨索框架梁。這幾種形式相比于一般支擋結(jié)構(gòu)而言，由于采用了預應力錨索，使得樁（板、框架）的受力形式發(fā)生改變，使得樁（板、框架）的內(nèi)力分布更加合理，從而極大地發(fā)揮了材料和結(jié)構(gòu)的性能。預應力錨索框架梁是隨著預應力錨索技術(shù)近年來在滑坡治理和邊坡加固工程中大量應用而發(fā)展起來的一種新型支擋結(jié)構(gòu)。因此，在邊坡治理方面，預應力錨索框架梁的應用空間會隨著科技的不斷進步變得越來越廣。應用研究現(xiàn)狀預應力錨索框架梁作為一種新型的輕型支擋結(jié)構(gòu)，由于其具有加固邊坡同時還能進行植物美化的效果，近幾年來在邊坡加固中被廣泛使用。但是這種新型支擋結(jié)構(gòu)的使用條件、設計計算方法等方面的理論研究已經(jīng)明顯落后于生產(chǎn)實踐。預應力錨索框架梁的設計理論已經(jīng)取得了一定的成果，但是仍然處于探索和研究的階段。在我國的相關(guān)設計規(guī)范中，還沒有對其具體設計計算原則和方法做出相應的規(guī)定和說明。而目前，大多數(shù)設計單位都是按照自己的設計方法并結(jié)合工程實踐進行設計。目前，對預應力錨索框架梁的計算方法多是采用一般地基梁的算法，將錨索框架梁拆分為橫梁和縱肋來計算，在若干假設的基礎(chǔ)上建立起來的分析計算。文獻中的反梁法，是將坡面的反力視為作用在框架梁上的均布荷載，將預應力錨索作用點視為支座，將框架梁看做是倒置的交叉格構(gòu)梁來進行設計，并且假設橫梁和縱肋是相互獨立的。但是，這種方法忽略了巨大錨索力作用下框架的變形，引起了底部反力的不均勻分布。支擋結(jié)構(gòu)發(fā)展前景邊坡支擋技術(shù)是高速鐵路路建設，特別是山區(qū)高速鐵路建設所面臨的一個重大問題。我國在這方面既沒有計算公式可依，也沒有自主知識產(chǎn)權(quán)的計算程序，僅依靠大量施工經(jīng)驗來設計，理論研究遠遠落后于工程實踐。隨著新材料、新工藝的不斷使用，高強度低松弛預應力錨索在工程中的應用促進了錨固技術(shù)的發(fā)展。在未來，高輕型支擋結(jié)構(gòu)的理論研究、應用關(guān)鍵技術(shù)必將得到進一步的發(fā)展。第2章工程簡介設計范圍K117+950～K118+090左側(cè)路塹高邊坡，長140.0m，高度約為40m，路肩標高為528.29m。該邊坡為永久性邊坡，邊坡工程重要性等級為一級。地形地貌本段路線處于威遠背斜北西翼地區(qū)，呈切脊狀低山，為侵蝕構(gòu)造低山地貌。坡體內(nèi)灌木叢生，植被繁茂；坡頂?shù)貏輰捑徠教?。斜坡四周呈椅狀溝槽地形，溝槽?nèi)坡殘積層發(fā)育。地質(zhì)概況根據(jù)鉆孔揭露及野外工程地質(zhì)測繪，勘察區(qū)出露的地層主要有：新生界第四系全新統(tǒng)殘坡積層（）、三疊系上統(tǒng)須家河組（）。新生界第四系全新統(tǒng)殘坡積層（）<6-1>低液限黏土：黃色，硬塑狀，土質(zhì)不勻，可見植物根系，含約占5%的砂、泥角礫，厚0~2m，主要分布于斜坡表層。三疊系上統(tǒng)須家河組（）<14-2-1>泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖夾煤層強風化層：褐黃色，青灰色，薄-中層狀，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)為主，泥質(zhì)膠結(jié)，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖層產(chǎn)狀120°∠12°。已風化呈碎塊石狀。一般厚2~6m，屬Ⅳ級軟石。<14-2-2>泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖夾煤層中風化層：綠灰、灰、灰黑色，薄-中層狀，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)為主，泥質(zhì)膠結(jié)，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖層產(chǎn)狀145°∠6°。遇水易崩解軟化，暴露易風化剝落，具飽脫水風化特征。屬Ⅳ級軟石。水文地質(zhì)區(qū)內(nèi)第四系松散土層孔隙潛水具淺埋藏，短流徑，緩流速之特點?；鶐r裂隙含水層之地下水徑流、補給條件差，較為貧乏，且在空間上分布不均勻。區(qū)內(nèi)總體水文地質(zhì)條件簡單。區(qū)內(nèi)環(huán)境水對混凝土具有中等結(jié)晶類腐蝕性，對混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具微腐蝕性，對鋼結(jié)構(gòu)有弱腐蝕性。氣候條件該地區(qū)屬亞熱帶濕潤季風氣候，年均氣溫17.8℃，一月均溫7.4℃，七月均溫27.2℃。極端高溫39℃，最低零下5.5℃。活動積溫6570℃。無霜期329天，日照1192小時。年平均降雨量985.2毫米，多集中于6-9月，常有春旱。設計參數(shù)表2.6設計參數(shù)巖土層重度γ（kN/m3）黏結(jié)強度c（kPa）內(nèi)摩擦角φ（°）泊松比μ泥巖夾砂巖強風化層2326220.3泥巖夾砂巖中風化層24.530280.3其它設計參數(shù)邊坡坡率安全系數(shù)1:0.751.3設計原則1、本邊坡工程為永久性支護，邊坡等級為一級。2、邊坡剩余下滑力的計算采用傳遞系數(shù)法。3、框架梁內(nèi)力計算“倒梁法”，并進行配筋計算。4、設計本著安全、經(jīng)濟、適用的原則進行。

第3章基本理論邊坡的類型和特征邊坡類型（1）按構(gòu)成邊坡的物質(zhì)種類分：=1\*GB3①土質(zhì)邊坡，整個邊坡主要由土體所構(gòu)成，按土體的種類通常又可分為粘性土邊坡、黃土邊坡、膨脹土邊坡、堆積土邊坡、填土邊坡。②巖質(zhì)邊坡，整個邊坡主要由巖石所構(gòu)成，按巖體的強度又可以分為硬巖邊坡、軟巖邊坡、風化巖邊坡等。③巖土混合邊坡，邊坡下部為巖層，而上部為土層的邊坡結(jié)構(gòu)。（2）按邊坡的高度分：①一般邊坡，巖質(zhì)邊坡總高度在30m以下，土質(zhì)邊坡總高度在15～20m。②高邊坡，巖質(zhì)邊坡總高度大于30m，土質(zhì)邊坡總高度大于15～20m。通常情況下，容易發(fā)生變形破壞和滑坡的邊坡多為高邊坡，因此，加強對高邊坡的研究將是邊坡治理的重點，對邊坡治理的成功也將起到關(guān)鍵作用。（3）按邊坡使用年限分：①臨時邊坡，一般只在施工期間存在的邊坡，如基坑邊坡。②短期邊坡，存在時間為10～20年的邊坡，如露天礦邊坡。③永久邊坡，長期使用的邊坡，如鐵路路塹邊坡。邊坡的特征（1）邊坡的自然特征人工邊坡是將自然邊坡部分改造成為人工構(gòu)筑物，其邊坡特征和穩(wěn)定性很大程度取決于自然邊坡的地形地貌特征、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、構(gòu)造特征。由于自然邊坡的地層巖性、地下水分布、地質(zhì)構(gòu)造和風化程度的不同，在自然力作用下形成了不同的形態(tài)，如有直線坡、凸形坡、臺階狀坡等。對于巖質(zhì)邊坡，其特殊的結(jié)構(gòu)特征．可保持較為高陡的邊坡。由于高陡邊坡容易發(fā)生滑動，因此必須設置支擋工程才能保持其穩(wěn)定。通常高陡邊坡坡體容易被沖刷，需要設置坡面防護工程。對于地下水較多、雨水豐沛的地區(qū)，土體重度增加，發(fā)生滑坡的危險增大。因此，需要做好排水工程，疏通地下水、截流雨水等。（2）邊坡的滑面特征無論是土質(zhì)邊坡還是巖質(zhì)邊坡，在坡體沒有開挖或填筑之前，坡體內(nèi)不存在明顯滑面，即使坡體中存在軟弱土夾層或軟弱結(jié)構(gòu)面，也不能視作滑面，因為它們沒有滑動的趨勢。這正是邊坡與滑坡的不同之處。邊坡破壞形式邊坡廣義的破壞形式包括有崩塌、坍塌、滑塌、傾倒等，下面簡單講解下其含義。崩塌，是指陡峭邊坡上的巨大巖石或土體，在重力和其他外力作用下，發(fā)生突然崩落的現(xiàn)象。整個過程中巖石（或土體）猛烈的翻滾、跳躍、相互撞擊，最后堆積于坡腳，原巖石（或土體）結(jié)構(gòu)受到嚴重的破壞。坍塌，是指土層、堆積層或風化破碎巖層斜坡，由于土壤的水和裂隙水的作用、河流沖刷等作用而產(chǎn)生逐層塌落的變形現(xiàn)象?；侵感逼律系膸r體或土體，在重力和其他外力作用下，沿坡體內(nèi)新形成的滑面發(fā)生整體向下以水平滑移為主的現(xiàn)象。它與坡體滑坡現(xiàn)象十分類似，滑坡是沿坡體內(nèi)一定的軟弱面（或軟弱帶）整體向下滑動的現(xiàn)象。傾倒，是指陡傾的巖體由于其他外力作用，繞著底部的某點向臨空方向傾倒的現(xiàn)象，它可以發(fā)展轉(zhuǎn)化為崩塌或滑塌，也可以停止在傾倒變形階段。邊坡穩(wěn)定性分析的意義對邊坡進行穩(wěn)定性分析通常具有以下兩方面的意義：一是定性的確定邊坡周圍的巖體對邊坡穩(wěn)定性的影響，用于評價巖體質(zhì)量，初步評判邊坡穩(wěn)定性，為工程的設計、施工、運行提供依據(jù)，減少邊坡破壞給人民帶來的人身財產(chǎn)損失；二是通過工程類比方法來定量確定作用于支擋結(jié)構(gòu)上的巖石壓力，為支擋結(jié)構(gòu)設計提供適當?shù)臄?shù)據(jù)，以便進行支擋結(jié)構(gòu)的設計。影響邊坡穩(wěn)定性的因素影響邊坡穩(wěn)定性的因素主要有地理條件、地質(zhì)條件、氣候條件、水文和水文地質(zhì)條件、土的類別等。其中影響巖石邊坡穩(wěn)定性的因素為巖石的結(jié)構(gòu)類型與完整性、結(jié)構(gòu)面的結(jié)合程度、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、地下水及巖石的強度等。其中最主要的影響因素是巖體的完整性、結(jié)構(gòu)面的結(jié)合程度與結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，水對邊坡穩(wěn)定性的影響與邊坡巖體性質(zhì)有關(guān)，有時是主要影響因素，有時又影響不大。邊坡穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀密切相關(guān)，當結(jié)構(gòu)面走向與邊坡走向相近時，外傾結(jié)構(gòu)面對邊坡是不利的。對傾向與邊坡傾向相同，走向與邊坡走向的夾角小于的結(jié)構(gòu)面稱為外傾結(jié)構(gòu)面。但不是所有的外傾結(jié)構(gòu)面都會發(fā)生滑動，只有結(jié)構(gòu)面的傾角在之間（為結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角）時，結(jié)構(gòu)面才有可能發(fā)生滑動。外傾結(jié)構(gòu)面傾角越是接近時，邊坡越容易產(chǎn)生滑動，因而這是一個最不利的傾角，此時巖體的穩(wěn)定性最差。結(jié)構(gòu)面結(jié)合狀況，包括裂隙張開度、充填物的厚度與性質(zhì)。結(jié)構(gòu)面的粗糙情況，也是影響邊坡穩(wěn)定性的一個主要因素。邊坡穩(wěn)定性分析邊坡穩(wěn)定性分析是一個相當復雜的過程，其計算通常采用土力學中的極限平衡法來分析。極限平衡方法的基本特點是只考慮了靜力平衡條件和土的摩爾庫侖破壞準則，也就是說通過分析土體在破壞時的力的平衡來求解。然而多數(shù)情況下問題是靜不定的，極限平衡方法處理靜不定問題的對策是引入一些簡化假定，使問題變得靜定可解。由于簡化假定的引入，使得分析計算工作量大大的簡化，因而在工程中獲得廣泛應用。近年來，隨著計算機和有限元分析方法的發(fā)展，應用嚴格的應力應變分析方法來分析邊坡的變形和穩(wěn)定性已成為可能。因此有限元法也被廣泛應用于邊坡穩(wěn)定分析。然而有限元方法也擁有一些局限性，主要是在確定邊坡的初始應力狀態(tài)把握邊坡臨近破壞時的彈塑性本構(gòu)關(guān)系等方面遇到的難題。這里主要介紹一下極限平衡法在工程中的運用，根據(jù)邊坡失穩(wěn)時破裂面的形狀又可分為：直線破裂面和圓弧狀破裂面。直線破裂面邊坡穩(wěn)定性分析直線破裂面是指邊坡破壞時其破裂面近似為平面，斷面近似為直線，這種情形通常發(fā)生在均質(zhì)砂土、透水的砂石邊坡中。如下圖3.5.1所示，坡體重，坡角，抗剪強度指標為、，破裂面傾角為，滑面長度，沿邊坡長度方向取單位長度作為平面分析。圖3.5滑面上由重力產(chǎn)生的下滑力和土的抗剪強度產(chǎn)生的抗滑力分別為：則邊坡穩(wěn)定系數(shù)或安全系數(shù)，可用抗滑力與下滑力之比表示，即（3.5.1為了保證邊坡的穩(wěn)定性，通常安全系數(shù)值一般不小于1.25，特殊情況下可以減小至1.15。對于的砂性土坡，公式又可以簡化為（3.5.2從上式我們可以看出，當時，值最小，此時邊坡表面土體最容易發(fā)生滑動，有（3.5.3圓弧破裂面邊坡穩(wěn)定性分析據(jù)大量觀測表明，黏性土山坡、人工填筑或開挖的邊坡在發(fā)生破壞時，其破裂面多呈圓弧狀，由于黏性土黏聚力的存在，黏性土邊坡在破壞時，滑動面近似于圓柱面。工程中為了簡化計算，通常假定滑動面為圓弧面，建立在這一假定上的土的穩(wěn)定性分析方法叫做圓弧滑動法。其中，最為常用的就是瑞典條分法。條分法是將滑動土體在豎向分為若干土條，將土條視為剛塑體，分別求得作用于各個土條上的力對圓心的滑動力矩和抗滑力矩，由抗滑力矩與滑動力矩之比求得安全系數(shù)。條分法假定不計條間力的影響，將土條兩側(cè)的條間力的合力看做大小相等、方向相反、作用在同一直線上。實際上，每個土條兩側(cè)的條間力是不平衡的，但經(jīng)驗表明，忽略條間力的作用對計算結(jié)果影響不大。如圖3.5圖3.5則垂直于滑面法向的分力與沿著滑面的切向分力分別為：，其中起抗滑作用的切向分力用表示，則整個滑弧上的抗滑力矩與滑動力矩分別為：安全系數(shù)為抗滑力矩與滑動力矩之比，即（3.5.4剩余下滑力的計算目前，計算滑坡剩余下滑力的方法比較多，使用較多的有瑞典條分法、畢肖普法、傳遞系數(shù)法、分塊極限平衡法等，其中傳遞系數(shù)法是驗算山區(qū)土層沿巖面滑動最常用的邊坡穩(wěn)定驗算方法，本次設計即采用傳遞系數(shù)法進行邊坡剩余下滑力進行計算。計算推力時假定：滑坡體是不可壓縮的介質(zhì)，不考慮滑體的局部壓縮變形，塊體間只傳遞推力而不傳遞拉力。塊間作用力（即推力）以集中力表示，它的作用線平行于前一滑塊的滑動方向。計算時將滑體沿滑面變坡點垂直分塊，然后由上至下逐塊計算推力。在滑體中取第塊土條，如圖3.6所示，假定第塊土條傳來的推力方向平行于第塊土條的底滑面，而第塊土條傳遞給第塊土條的推力平行于第塊土條的底滑面。也就是說，假定每一分界面上推力的方向平行于上一土條的底滑面。將各作用力投影到底滑面上，其平衡方程如下：圖3.6傳遞系數(shù)法（3.6.1）式中，為法向反力；——第塊滑體剩余下滑力；——第塊滑體剩余下滑力；——第塊滑體的自重；——第塊滑床反力；——第塊滑塊的法向反力；——第塊滑體滑面的傾角；、——第塊滑體滑面的抗剪強度指標；——邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)；——第塊滑體的滑面長度；，稱為傳遞系數(shù)。通常情況下，在鐵路支擋規(guī)范中，出于安全考慮，要通過增大下滑力來提高安全系數(shù)，考慮安全系數(shù)后，設計推力應為：（3.6.2）（1）若為正值，說明邊坡具有下滑力，是不穩(wěn)定的，應該傳遞給下一個滑體；若為負值，說明第塊滑體是穩(wěn)定的，不能傳遞，下一塊計算時按無上一塊推力考慮。（2）如果計算斷面中有逆坡時，即滑面傾角為負值的時候，分塊為負值，即它不再是下滑力，而是抗滑力了。推力計算時，就不該乘以安全系數(shù)。預應力錨索框架梁的結(jié)構(gòu)組成預應力錨索框架梁是20世紀90年代新興的一種支擋結(jié)構(gòu)，被廣泛運用于鐵路、公路滑坡治理和邊坡加固中。該結(jié)構(gòu)是將鋼筋混凝土框架和預應力錨索這兩種可以單獨使用的結(jié)構(gòu)組合在一起，通過預應力錨索、框架和邊坡巖土的相互作用，共同承受邊坡變形時產(chǎn)生的外力。預應力錨索框架梁的組成主要由主體結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)兩個部分。其中，主體結(jié)構(gòu)是承受邊坡變形產(chǎn)生的外力的主要受力構(gòu)件，主要由預應力錨索、框架和邊坡巖土共同組成；附屬結(jié)構(gòu)是指為保證主體結(jié)構(gòu)正常工作、發(fā)揮主要功能的一些附屬設施，其中包括為了保證土體穩(wěn)定和綠化美化而設置的植被防護結(jié)構(gòu)，排水設施，以及為了保證梁頂平臺穩(wěn)定的頂梁。這些結(jié)構(gòu)對主體結(jié)構(gòu)長久發(fā)揮穩(wěn)定性有著重要的作用。作用機理由土體極限平衡理論得知，邊坡變形后邊坡變形部分在重力作用下，會沿著破裂面向下成滑動趨勢。而在破裂面上存在著阻止變形體下滑的抗力和法向力，如果變形體在自重作用下的下滑力大于抗力時，變形體就會沿著破裂面向下滑動，此時邊坡就會發(fā)生失穩(wěn)破壞。預應力錨索框架的作用機理就是在此基礎(chǔ)上通過錨索拉力共同作用在框架梁上，與破裂面上的摩擦力和法向力共同作用，平衡邊坡下滑產(chǎn)生的下滑力。如圖3.8所示，預應力錨索主要是承受邊坡下滑產(chǎn)生的下滑力，而框架梁則是使變形體保持整體穩(wěn)定性。圖3.8變形體的受力示意圖預應力錨索產(chǎn)生的錨固力主要是使破裂面上的法向力增加，從而使得破裂面上的摩擦力增大，相當于增大了抗滑力。另一方面，框架梁的緊箍作用，使得變形體變得更加固結(jié)、穩(wěn)定，相當于減小了下滑力。結(jié)構(gòu)特點預應力錨索框架梁在工程中得到了廣泛的應用，自然跟其自身的特點密不可分，其特點主要有：（1）預應力錨索框架梁體系充分利用了邊坡巖體自身的強度；（2）結(jié)構(gòu)容易和其他抗滑結(jié)構(gòu)如抗滑樁等組合使用；（3）結(jié)構(gòu)布置位置靈活，不受地形的限制，適用于高陡邊坡的加固；（4）易于改善邊坡土體的受力狀態(tài)，使邊坡土體趨向處于三向受力狀態(tài)；（5）減少邊坡開挖量，有效降低了邊坡的開挖高度；（6）施工簡便，技術(shù)風險較低；（7）結(jié)構(gòu)輕便，施工速度較快，施工造價低。預應力錨索的設計預應力錨索的設計包括邊坡錨固力的確定、錨固力的分配、錨索間距和傾角的確定、錨固段長度的確定。要使預應力錨索框架梁發(fā)揮作用，必須將預應力錨索錨固在穩(wěn)定的地層中，其次還要保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。總錨固力的確定預應力錨索設計時，對于滑坡加固，宜采用錨索預應力（抗滑力）的方法計算，通過邊坡穩(wěn)定性分析、計算滑坡的下滑力從而確定錨固力。對邊坡進行穩(wěn)定性計算的時候，錨固力可以簡化為作用于坡面上的一個集中力，由《鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》確定的方法計算可按下式：如圖3.圖3.（3.10式中——滑坡下滑力（kN）；——設計總錨固力（kN）；——滑動面內(nèi)摩擦角（°）；——錨索與滑動面相交處滑動面傾角（°）；——錨索與水平面的夾角。對單一滑面，式（3.10.（3.10式中為邊坡下滑力的水平分量，為錨索與水平面的夾角。錨固力分配原則為了簡化計算，需要明確總錨固力是如何分配到各級預應力錨索框架梁上，同時錨固力是如何分配到每一根錨索上的，分配原則如下：（1）根據(jù)現(xiàn)場試驗的規(guī)律，單根錨索的加載對于同一框架上的其他錨索的拉力的影響極小。因此，可以做出結(jié)論：作用在同一框架上的總錨固力可以近似的平均分配到各個節(jié)點上的預應力錨索上。（2）同一變形體上的總錨固力是平均分配到各級邊坡預應力錨索上的。（3）同一孔位下的錨固力是平均分配到該孔位下每根預應力錨索上的。錨索間距與傾角的確定錨索間距的確定應當以設計的錨固力能對地基提供最大的張拉力為標準，預應力錨索存在群錨機制，錨索間距過大時，起不到安全錨固的作用。但如果錨索間距過小時，受群錨機制的影響，單根錨索的承載力會降低。根據(jù)長期施工經(jīng)驗，錨索間距取值宜大于1.5m或5倍孔徑。設計時還應該考慮施工偏差而造成錨索的相互影響。因此規(guī)范規(guī)定錨索間距宜采用3～6m,最小不應小于1.5m。預應力錨索與水平面的夾角稱為錨固角，從施工工藝方面考慮，認為錨索設置方向以水平向下傾為宜。通過技術(shù)經(jīng)濟的綜合分析，按照單位長度錨索能夠提供抗滑增量最大時的錨索下傾角為最優(yōu)錨固角。另一種方法按以下經(jīng)驗公式計算最優(yōu)錨固角：（3.10.3）規(guī)范規(guī)定錨索設計下傾角為15°～30°錨固體的設計對于拉力型錨索，錨索的錨固段長度取值一般在4～10m間。通過大量試驗研究數(shù)據(jù)，錨固段必須置于良好的地基之中。拉力型錨索錨固段的破壞通常是從靠近自由段處開始的，灌漿材料與地基之間的黏結(jié)力逐漸被剪切破壞。當錨固段的長度超過8～10m后，錨固力的增量很小，幾乎不可能提高錨固效果。當錨固段的計算長度超過10m時，通常采用增大孔徑或減小錨索的間距或增加錨索孔數(shù)等來調(diào)節(jié)。錨索的錨固段長度采用計算值、中的大值。（1）按水泥砂漿與錨索張拉鋼材黏結(jié)強度確定錨固段長度，即（3.10.4）當錨索錨固段為棗核狀時，（3.10.5）（2）按錨固體與孔壁的抗剪強度確定錨固段長度，即（3.10.6）式中——錨固體拉拔安全系數(shù)，對于臨時性錨固采用，永久性錨固采用QUOTEFs2≥2.5；——單孔錨固力設計值；——張拉鋼材外表直徑（m）；——單根張拉鋼材直徑（m）；QUOTEdh——錨固體（即鉆孔）直徑（m）；QUOTEτu——錨索張拉鋼材與水泥砂漿的極限黏結(jié)應力，按砂漿標準抗壓強度QUOTEfck的10%取值（kPa）；——錨孔壁對砂漿的極限剪應力（kPa）。框架梁的設計目前，計算預應力錨索框架梁的設計理論和設計方法都在不斷的完善和成熟的過程中，結(jié)構(gòu)受力模型主要有：（1）彈性地基框架梁結(jié)構(gòu)模型，此方法主要是基于彈性地基梁的假設，將框架梁下的土體視為彈性地基，將錨索力視為是作用在框架梁的集中力來計算。實際計算時，通?？紤]框架本身的對稱性，對框架梁進行簡化，根據(jù)梁的節(jié)點力的平衡、連續(xù)條件、邊界條件等建立方程組，解得作用于橫梁和縱肋上的力。（2）剛性支座連續(xù)梁模型，該方法是假設框架梁縱肋和梁底的接觸應力，把預應力錨索作用點視為剛性支座，按照連續(xù)梁進行設計計算。本次計算主要采用彈性地基梁模型，下面主要介紹其方法。節(jié)點荷載的分配原則為了簡化計算，由基礎(chǔ)工程相關(guān)知識，當節(jié)點間距較大時，不考慮荷載的相互作用。此時，橫梁和縱肋應該滿足靜力平衡條件和變形協(xié)調(diào)條件，用公式表達為：（3.11.1）（3.11.2）式中——橫梁和縱肋節(jié)點處的豎向荷載；——方向（橫梁）分擔節(jié)點處的豎向荷載；——方向（縱肋）分擔節(jié)點處的豎向荷載；——節(jié)點處在作用下方向的產(chǎn)生的豎向變形；——節(jié)點處在作用下方向的產(chǎn)生的豎向變形；節(jié)點荷載的分配方法（1）內(nèi)柱節(jié)點，當節(jié)點間距較大時，可以將橫梁和縱肋看做是受單個集中力作用的無限長梁，由（3.11.2（3.11.3）聯(lián)立（3.11.3）和（3.11.（3.11.4）（3.11.5）式中——地基土的基床系數(shù)；、——、方向梁的寬度；、——、方向梁的特征長度，、。（2）邊柱節(jié)點，在方向?qū)⒘阂暈闊o限長梁，方向?qū)⒘阂暈榘霟o限長梁。由（3.11.2）得：（3.11.6）聯(lián)立（3.11.6）和（3.11.（3.11.7）（3.11.8）（3）角柱節(jié)點，在、方向都將梁視為半無限長梁，由（3.11.2）得：（3.11.9）聯(lián)立（3.11.9）和（3.11.（3.11.10）（3.11.11）當角柱節(jié)點在兩個方向的梁均無外伸時，。鋼筋混凝土設計原理根據(jù)作用在框架梁上的內(nèi)力，可以對混凝土構(gòu)件進行配筋計算。從《鋼筋混凝土設計原理》中，我們可以知道鋼筋混凝土受彎構(gòu)件正截面破壞形式主要有：（1）少筋梁破壞，縱向受力鋼筋配置過少，受拉區(qū)混凝土開裂后，受拉鋼筋的應力突然增大，當應力增加超過鋼筋的屈服強度時，鋼筋會屈服發(fā)生破壞。而這種破壞是突然的，屬于脆性破壞，工程中應該盡量避免。（2）超筋梁破壞，與少筋梁相反，超筋梁是縱向受拉鋼筋配置過多，受拉區(qū)混凝土開裂后，應力由鋼筋來承受。隨著應力的增大，鋼筋應力也增大，但受壓區(qū)混凝土應力也隨著增大。受壓區(qū)混凝土首先被壓壞，而此時，鋼筋尚未屈服。由于混凝土石脆性材料，破壞時沒有明顯預兆，屬于脆性破壞。（3）適筋梁破壞，縱向受拉鋼筋配置適量，受拉區(qū)混凝土開裂后，應力由鋼筋來承受。隨著應力的增大，鋼筋應力也增大，直到鋼筋首先發(fā)生屈服。此時裂縫寬度增大、撓度增加，而混凝土尚未發(fā)生破壞。這種破壞具有明顯的預兆，破壞不突然，屬于塑性破壞。單筋矩形截面梁抗彎設計如下圖3.12.1所示，對于單筋矩形截面梁可以進行計算簡化，由此便可以建立平衡方程，如下：圖3.12.1單筋矩形截面梁計算簡圖，（3.12.1），（3.12.2）或（3.12.3）式中——計算截面上產(chǎn)生的彎矩設計值；——混凝土軸心抗壓強度設計值；——鋼筋的抗拉強度設計值；——縱向受拉鋼筋的截面面積；——截面寬度；——混凝土受壓區(qū)高度；——截面有效高度，即受拉鋼筋合力作用點到截面受壓區(qū)邊緣的距離，其值為，為縱向受力鋼筋合力作用點到截面受拉邊緣的距離。令，稱為相對受壓區(qū)高度，則式（3.12.2）又可以改寫為：（3.12.4）式中，稱為截面抵抗矩系數(shù)。驗算截面適用條件時，滿足一下條件：（非超筋）（3.12.5）（非少筋）（3.12.6）式中為相對界限受壓區(qū)高度，其值通常由下表取值：表3.12.1相對界限受壓區(qū)高度取值混凝土強度等級鋼筋級別0.6140.5500.5180.5940.5310.499雙筋矩形截面梁抗彎設計當梁的截面尺寸受到限制，在選用最大截面下，設計為單筋梁仍出現(xiàn)超筋或是梁的截面受到變號彎矩作用時，需要采用雙筋截面梁，其設計原理如下：圖3.12.2雙筋矩形截面梁計算簡圖如圖3.12.2所示，由靜力平衡條件，可以建立以下方程：，（3.12.7），（3.12.8）式中為縱向受壓鋼筋的面積；為受壓鋼筋到受壓區(qū)邊緣的距離。驗算適用條件時，應該滿足：（3.12.9）（3.12.10）斜截面抗剪設計梁斜截面的抗剪承載力主要是由以下三部分構(gòu)成的，即：（3.12.11）式中——斜截面抗剪承載力；——剪壓區(qū)混凝土的抗剪能力；——箍筋抗剪能力總和；——彎起鋼筋抗剪能力總和。為了防止發(fā)生斜壓破壞，設計時應該滿足截面限制條件：對于一般梁（）有：（3.12.12）式中——構(gòu)件最大剪力設計值；——混凝土強度影響因素，當混凝土強度不超過時，??；其余符號意義同上。當時，說明理論上混凝土本身能夠抵抗其剪力，無需按計算設置腹筋，只需按構(gòu)造要求配置箍筋即可。箍筋的最小直徑和最大間距應該滿足規(guī)范要求，如下表3.12.2和3.12.3所示。當時，說明混凝土不能提供足夠的抗剪能力，需要按計算配置箍筋，同時應該滿足最小配箍率的要求：（3.12.13）表3.12.2箍筋最小直徑要求梁高箍筋最小直徑梁高箍筋最小直徑有計算的縱向受壓鋼筋時表3.12.3箍筋最大間距要求項次梁高1150200220030032503504300400

工程實例工程實例一馬嶺山滑坡（一）工程概況馬嶺山滑坡位于四川汶川縣境內(nèi)，阿壩州草坡水電廠引水隧道進口段位于滑坡體內(nèi)，1989年小金縣及邛崍地區(qū)相繼發(fā)生地震后，古滑坡復活造成進口地段長約48m的隧道變形錯斷，鋼筋混凝土拱圈開裂、壓碎，洞內(nèi)的引水大量向滑體內(nèi)滲透?；轮鬏S斷面見圖3.13.1。圖3.13.1馬嶺山滑坡主軸斷面該滑坡為占滑坡，上寬下窄，主軸長約310m，寬120～180m，厚約35m，滑坡體約117萬，為上部順根據(jù)滑坡穩(wěn)定性計算，每延米設計下滑力為1130kN。在隧洞的下方共布置5排72孔預應力錨索，錨索采用1×7×15的4束鋼絞線制作，單根錨索長度為36～53m。錨索水平間距1.5～4.5m，垂直間距2～3m，下傾角30°，錨固段置于滑床下泥盆系片巖中。錨索外錨結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土墊墩，墊墩尺寸為1.5m×1.5m（二）施工工藝1、錨索制作采用4束15的鋼絞線組裝，錨固段鋼絞線設計成棱形(棗核狀)。自由段采用三道防護措施，即鋼絞線上涂防護油，用聚乙烯塑料套管隔離，再用水泥砂漿裹護。2、錨索鉆孔由于滑坡體巖層破碎．呈碎塊石土狀，在滑體中采用了套管跟進鉆孔，鉆過滑面后，鉆錨固段時，停止套管跟進。并根據(jù)巖性及完整性確認通過滑動面破碎帶至穩(wěn)定地層中，有足夠錨固長度后終孔。最后采用高壓風洗孔。3、錨索安裝將制作好的錨索放人孔內(nèi)。個別孔因坍孔設錨困難，采用鉆機重鉆后再置人錨索證錨索在孔內(nèi)居中，在錨固段錨索每隔lm設置彈性定位片。4、注漿采用孔底注漿的方式。注漿材料為水泥砂漿，采用525號普通硅酸鹽水泥。砂為清潔的河砂，篩分粒徑的中砂。水泥：砂：水＝1：1：0.45～0.5，注漿壓力600。為提前施加預應力，在水泥砂漿中加入了2.5%的MZS常溫型早強減水劑。5、錨索張拉為防止錨固段上端拉裂段過長，一般在灌漿28天齡期后進行張拉。本工程采用了與各排錨索施工速度相匹配的張拉間隔時間，需提前張拉的錨索分兩次進行張拉，第一次張拉在灌漿后7天進行，施加張拉力約為設計張拉力的60％，第二次張拉在28天齡期后進行。本工程采取了分級間隔張拉，分5級施加預應力，每級張拉力為120kN。每根錨索上每次加力的穩(wěn)定時間為10～15min或千斤頂張拉頭位移變化在0.1～0.2mm以內(nèi)，即可移至下一個錨索。從現(xiàn)場張拉情況看，地層壓縮徐變等變形在張拉時可大量完成，停止加力。約3.5min后，即可穩(wěn)定。（三）工程效果錨索于1991年9月全部張拉完成，滑坡上緣滑壁下錯從每月180～220mm減小到每月18～20mm，并趨于穩(wěn)定。隧洞及渠道9處水泥觀測標在張拉后有3處完好，6處僅出現(xiàn)細小的閉合裂縫，說明變形已得到控制。隧洞補漏后．原滑坡的緣的泉水已干枯．隧洞至今也未再進行補漏。錨索加固技術(shù)在馬嶺山隧洞進口段滑坡整治應急工程中發(fā)揮了工期短、經(jīng)濟效應好等優(yōu)勢，錨索竣工后，滑坡及隧洞變形已被控制，確保了隧洞正常引水發(fā)電。工程實例二內(nèi)昆鐵路李子溝特大橋11號墩岸坡加固工程（一）工程概況李子溝特大橋位于貴州省威寧縣境內(nèi)，是內(nèi)昆鐵路重點控制工程。11號墩高103m，昆明端岸坡在施工前為45°的穩(wěn)定斜坡，坡面植被茂盛。橋墩邊坡開挖時未及時加固防護，多次出現(xiàn)坍塌，形成約80m高的陡坡，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，嚴重影響11號墩的施工，而且將危及12號墩基礎(chǔ)的穩(wěn)定。岸坡位于3條斷層交匯處附近，河谷又處于李子溝背斜的軸部，巖性為灰?guī)r與炭質(zhì)頁巖互層，巖層非常破碎，灰?guī)r呈碎塊石狀，風化嚴重的炭質(zhì)頁巖呈土狀，且具有弱膨脹性。橋墩邊坡開挖時正值雨季，雨水下滲，加劇了頁巖軟化，而開挖邊坡過高過陡，暴露面積過大，加固防護工程未及時施作，致使11號墩邊坡發(fā)生變形、開裂、坍塌。（二）工程措施根據(jù)邊坡的工程地質(zhì)條件、工程的重要程度，經(jīng)穩(wěn)定性分析，綜合確定該邊坡穩(wěn)定坡角為40°。經(jīng)多方案比選，設計最終采用預應力錨索結(jié)合噴錨支護加固邊坡，如圖3.13.2所示。加固高度為橋墩基底至開挖邊坡坡頂，高約80m。一級平臺以上12號墩基礎(chǔ)范圍內(nèi)，巖層風化破碎嚴重，應力集中，是加固的重要坡段。設計7排預應力錨索加固。邊坡下部，為加強坡腳，采用3排預應力錨索補強。其余坡段采用5～10m長錨桿加固。圖3.13.2邊坡工程整治斷面示意圖錨索間距均為4m，上部長37～47m，下部長16～20m。單孔錨索由6根1860MPa級直徑15.24mm的鋼絞線組成．設計每孔張拉力為800為防止邊坡表層坍塌，邊坡采用噴錨網(wǎng)防護，錨桿長5～10m，間距1.5m。坡面噴射15cm厚混凝土，噴層中部設置8鋼筋網(wǎng)（三）工程施工車子溝特大橋11號墩邊坡加固施工正值雨季，邊坡加固工程具有邊坡高、地質(zhì)構(gòu)造復雜、工期緊、技術(shù)難度大等特點，在施工組織設計前進行了詳細的工程地質(zhì)調(diào)查。根據(jù)邊坡出露巖層特點進行巖組劃分，共劃分為9個工作區(qū)，其中厚層炭質(zhì)頁巖區(qū)在雨水作用下易軟化而導致邊坡坍塌，施工搶險時作為重點及時進行加固。錨索造孔采用無錫探礦機械廠MD-50型及重慶MJG-50型潛孔沖擊鉆成孔，孔徑114、鉆進中采用高壓風力排碴和清洗孔壁，成孔后將預制外的錨索立即下入扎底，如遇坍孔，再用鉆機重新掃孔，直到錨索下入孔底為止。注漿采用M35水泥砂漿，通過錨索中間的注漿管，自孔底一次性灌漿至孔口溢漿，注漿壓力0.6～0.8MPa，若漏漿嚴重，采用間隙注漿，待次日補灌，直至注漿飽滿為止。錨索張拉時，第一次張拉200kN將鋼絞線先行拉伸，第二次張拉在墊蹬及孔內(nèi)砂漿強度達到90％以上時，分三級進行張拉，考慮預應力損失，按設計張拉力的20％進行超張拉。（四）整治效果錨索、錨桿加固工程實施后，高邊坡得以穩(wěn)定，確保了11號墩的施工安全和工期，也確保了12號墩基的穩(wěn)固，保證了李子溝特大橋順利施工。由以上兩個工程實例可以看出，預應力錨索用于工程加固是安全可靠的，施工方面也是簡單易行。因此，本設計采用預應力錨索和框架梁復合結(jié)構(gòu)加固邊坡，經(jīng)工程實例證實也是安全可行的。

第4章設計計算書設計思路本次設計為某高速鐵路預應力錨索框架梁的設計，首先閱讀相關(guān)資料，根據(jù)具體的邊坡現(xiàn)狀進行支擋設計。預應力錨索框架梁的設計過程主要分為以下幾點：①首先按照錨索所在位置，計算出邊坡的剩余下滑力，從而得知所需要的錨固設計力；②然后根據(jù)錨索間距來求得單孔錨索的錨固設計力，然后再根據(jù)安全系數(shù)及極限抗摩阻力來計算錨索根數(shù)；③對于錨索中框架的計算，主要把框架視為十字交叉基礎(chǔ)梁，把錨固力分配到橫梁和縱肋上，然后利用“倒梁法”來求得橫梁（縱肋）的彎矩和剪力，最后進行配筋。坡體特征從路塹邊坡斷面圖上可以看出，開挖之后該處坡高為40m，長140.0m。設計分三級開挖，每級開挖坡比為1：0.75，每級設1.5m的臺階，并設置排水溝。開挖后邊坡一級露出巖層為泥巖夾砂巖中風化層，二級露出泥巖夾砂巖中風化層、泥巖夾砂巖強風化層。三級僅露出泥巖夾砂巖強風化層。由于開挖后存在三處潛在滑動面，第一處在三級邊坡處，由于巖石風化嚴重，巖體力學性質(zhì)較差，易在產(chǎn)生圓弧形滑坡；第二處在兩風化巖層交界處，容易沿分界面產(chǎn)生直線形滑坡；第三處在中風化巖層中產(chǎn)生折線形滑坡。剩余下滑力的計算按傳遞系數(shù)法計算邊坡剩余下滑力，由于地下水對邊坡穩(wěn)定性影響較小，暫時忽略地下水的影響。利用Excel工具計算各滑面的剩余下滑力。按式（3.6.2），由上至下，按滑塊順序逐一計算剩余下滑力，若為負值，說明第塊滑體是穩(wěn)定的，不能傳遞，下一塊計算時按無上一塊推力考慮。對于第一潛在滑動面，如下圖4.3圖4.3計算表格如下表4.3表4.3第一潛在滑動面塊段編號土塊體積(m3/m)土體容重(kN/m3)土塊重量（kN/m）滑面長度（m）滑面傾角（°）粘聚力（kPa）內(nèi)摩擦角（°）傳遞系數(shù)穩(wěn)定系數(shù)剩余下滑力（kN/m）17.8323180.097.842262201.30210.0723231.613.93826220.9691.310.232314.223326.604.13626220.9851.346.290417.3223398.3643526220.9931.3107.152516.5223379.963.33126220.9691.3140.886617.1523394.453.13126221.0001.3187.785718.7623431.482.92826220.9771.3217.571815.9623367.0832826221.0001.3232.655911.9623275.085.72426220.9691.3121.251從表中，我們可以看出，第一潛在滑動面的剩余下滑力為121.25kN/m，下滑力較小，加固時可以采取客土噴播的形式。

第二潛在滑動面如下圖4.3圖4.3第二潛在滑動面剩余下滑力計算如下表4.3表4.3第二潛在滑動面塊段編號土塊體積(m3/m)土體容重（kN/m3)土塊重量（kN/m）滑面長度（m）滑面傾角（°）粘聚力（kPa）內(nèi)摩擦角（°）傳遞系數(shù)穩(wěn)定系數(shù)剩余下滑力（kN/m）115.923365.709.125262201.30233.4123768.436.925262211.3-38.60355.48231276.047.625262211.3-2.39473.14231682.228.525262211.384.85574.45231712.358.625262211.3175.00677.92231792.168.925262211.3271.98750.56231162.888.725262211.3258.86813.1623302.686.525262211.3145.32第二潛在滑動面的剩余下滑力為145.32kN/m，下滑力也較小，加固時可以采取客土噴播的形式。

第三潛在滑動面如下圖4.3.3所示：圖4.3.3第三潛在滑動面示意圖第三潛在滑動面剩余下滑力計算如下表4.3.3所示：表4.3.3第三潛在滑動面下滑力計算第三潛在滑動面塊段編號土塊體積(m3/m)土體容重(kN/m3)土塊重量（kN/m）滑面長度（m）滑面傾角（°）粘聚力（kPa）內(nèi)摩擦角（°）傳遞系數(shù)穩(wěn)定系數(shù)剩余下滑力（kN/m）141.524.51016.7515.558302801.30272.624.51778.709.14930280.9051.3851.65385.524.52094.757.54330280.9391.31617.274152.524.53736.258.13730280.9391.32612.05597.124.52378.956.73230280.9501.32846.21675.824.51857.106.32730280.9501.32730.70754.624.51337.706.12330280.9601.32464.53824.824.5607.604.21930280.9601.32192.81913.224.5323.405.11630280.9711.31926.37由此表可以看出，邊坡的最大剩余下滑力為1926.37kN/m，該滑動面處于滑動狀態(tài)。需要對其采用預應力錨索框架梁方法進行支護處理。

錨固力的計算確定鋼絞線的規(guī)格由《鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》規(guī)定方法，選定邊坡錨固使用的鋼絞線規(guī)格，便可得知其極限張拉荷載。預應力鋼絞線規(guī)格如下表所示：表4.4.設計本路段采用直徑15.2mm、公稱抗拉強度1860MPa、截面積139mm2鋼絞線，每根鋼絞線極限張拉荷載為259kN，屈服張拉荷載為220kN。錨索間距與傾角的確定根據(jù)《鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》推薦的方法，錨索間距應以所設計的錨固力能對地基提供最大的張拉力為標準。錨索間距宜采用3～6m,最小不應小于1.5m。本設計錨索間距取4m錨索設計中自由段伸入滑動面長度不應小于1m，本設計取1.5m。錨索布置在滑坡前緣。最優(yōu)錨固角一般通過技術(shù)經(jīng)濟綜合分析，按單位長度錨索提供抗滑增量最大時的錨索下傾角為最優(yōu)錨固角。另一種方法按以下經(jīng)驗公式計算最優(yōu)錨固角β：規(guī)范規(guī)定錨索設計下傾角為15°～30°。本設計取值20°?？傚^固力的計算根據(jù)長期工程經(jīng)驗，路塹邊坡的水平推力對邊坡才具有破壞作用，豎向推力對路塹邊坡的破壞作用很小，故錨索設計錨固力可以簡化計算，由式（3.10.錨索根數(shù)的確定根據(jù)總錨固力可以推算出每孔錨索設計錨固力，根據(jù)現(xiàn)場試驗的規(guī)律，單根錨索的加載對于同一框架上的其他錨索的拉力的影響極小。因此，可以做出結(jié)論：作用在同一框架上的總錨固力可以近似的平均分配到各個節(jié)點上的預應力錨索上。設計錨索間距4m，錨索支護段斜長度為37.5m，故設計=根據(jù)每孔錨索設計錨固力和所選用的鋼絞線強度，可按下式計算每孔錨索鋼絞線的根數(shù)，其中安全系數(shù)取1.8。所以，根，為安全起見，該處單孔錨索鋼絞線取7根。錨索錨固段長度的確定設計采用錨索鉆孔直徑，單根鋼絞線直徑，張拉鋼材外表直徑；注漿材料采用水泥砂漿，查《鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》,錨索張拉鋼材與水泥砂漿的極限黏結(jié)應力；錨索錨固段置于中風化的巖層中，錨孔壁對砂漿的極限剪切應力；錨固體設計安全系數(shù)。由（3.10.4）節(jié)確定的方法計算得：（1）按水泥砂漿與錨索張拉鋼材黏結(jié)強度確定錨固段長度，即（2）按錨固體與孔壁的抗剪強度確定錨固段長度，即錨索的錨固段長度采用、中的最大值，規(guī)范規(guī)定錨索的錨固段長度通常在4～10m。所以，根據(jù)規(guī)范要求取錨固段長度為8m。由錨索總長度=錨固段長度+自由段長度+張拉段長度(本設計取1.5m)。則可以繪制錨索的布置圖4.4.5。圖4.4.5錨索布置圖

框架梁的內(nèi)力計算由（4.4.4）節(jié)框架梁形式的確定目前我國在邊坡工程中主要使用漿砌塊石和現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架梁，框架梁的常用型式有4種：方型、菱型、人字型、弧型。其中，方型和菱型框架梁的水平間距均應小于5.0m，人字型和弧型框架梁的水平間距均應小于4.5m。由于本工程荷載比較大，故選取方型現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架梁，水平間距取4m。確定框架梁截面尺寸根據(jù)規(guī)范得知，框架梁的截面尺寸的確定范圍：高×寬在300mm×250mm～500mm×400mm之間取值。初步設計框架梁的截面為400×400mm，采用C25號混凝土，HRB335級螺紋鋼。查相關(guān)規(guī)范，框架梁的慣性矩：框架梁彈性模量，地基基床系數(shù)則框架梁的彈性特征值（柔度系數(shù)）：因為本工程橫梁、縱肋寬度相等，故有=0.360、方向的特征長度、方向的基底寬度。節(jié)點內(nèi)力分配計算節(jié)點荷載為每孔錨索設計錨固力，即，由（3.12.2）節(jié)方法計算分配到橫梁和縱肋上的力。（1）內(nèi)柱節(jié)點（2）邊柱節(jié)點（3）角柱節(jié)點單根梁內(nèi)力分析以縱肋為例，在求得作用在縱肋上的所有荷載后，可利用“倒梁法”計算內(nèi)力?！暗沽悍ā笔窃诳紤]了基礎(chǔ)梁具有足夠剛度的前提下，把上部結(jié)構(gòu)的剛度視為無窮大。利用“倒梁法”原理，把縱肋看作是一個多跨連續(xù)梁，梁體沒有整體彎曲。將錨索作用點視為固定鉸支座，以線性分布的基底反力為均布荷載，則該梁可以視為一個倒置的連續(xù)梁，由此解得連續(xù)梁的內(nèi)力。從中選取三跨作為一個計算模型進行計算，A、D兩端視為外伸的懸臂梁。由基礎(chǔ)工程相關(guān)知識，懸挑長度時，懸挑端對節(jié)點荷載分配才有較大影響。經(jīng)驗證本例不在此范圍內(nèi)，故仍視為邊柱節(jié)點計算，如圖4.5圖4.5計算基底凈反力，在對稱荷載作用下，基底反力均勻分布，基底凈反力為：查《房建》規(guī)范，三跨連續(xù)梁在反向均布荷載作用下支座和跨中彎矩內(nèi)力系數(shù)，，，點按懸臂梁計算其彎矩。作出彎矩圖如下圖4.5.2所示：圖4.5.2剪力計算部分，計算三跨連續(xù)梁的剪力：A點左邊剪力：A點右邊剪力：B點左邊剪力：B點右邊剪力：C點左邊剪力：C點右邊剪力：D點左邊剪力：D點右邊剪力：作出剪力圖如下圖4.5.3所示：4.5.3由此計算出，我們得到縱肋的最大彎矩、最大剪力，并進行配筋計算。配筋計算由《鋼筋混凝土設計原理》的相關(guān)知識，根據(jù)最大彎矩進行相關(guān)配筋計算。已知條件：框架梁的最大彎矩為、最大剪力，選定鋼筋級別后，知鋼筋強度，截面相對界限受壓區(qū)高度為，混凝土強度、正截面抗彎計算本設計采用C25混凝土，、，HRB335級螺紋鋼，截面尺寸為。取，則截面有效高度，相對界限受壓區(qū)高度。，按單筋截面進行設計。下面按單筋截面進行配筋計算：選用818(HRB335鋼筋)，驗算適用條件：（非超筋梁）（非少筋梁）斜截面抗剪計算由（4.5.4）節(jié)得出梁的最大剪力滿足截面限制條件，非斜壓破壞。梁的抗剪承載力：，說明混凝土自身不足以抵抗其剪力，需要按計算配置箍筋。選取雙肢8箍筋（HPB235）：則箍筋間距為：取，經(jīng)驗證箍筋間距滿足要求。最小配箍率配置完所有鋼筋后，繪制鋼筋配置圖紙，詳見附圖4。

第5章施工簡介預應力錨索框架梁的施工工藝和施工方法決定著工程的施工質(zhì)量，因此必須做好預應力錨索框架梁的施工。施工步驟主要分為：施工準備、邊坡開挖、成孔、預應力錨索的制作、預應力錨索的安裝、灌漿、框架梁鋼筋制作安裝、混凝土澆筑、錨索張拉鎖定、封錨、坡面綠化等工藝。施工準備施工準備包括施工技術(shù)資料準備和編制施工組織設計。施工技術(shù)資料包括編制施工組織設計和工程施工圖紙等資料，施工前需要向勘察、設計、建設單位及有關(guān)部門進行搜集，并會同設計、施工、監(jiān)理三方人員對圖紙進行現(xiàn)場核對，主要內(nèi)容如下：（1）獲取設計文件資料獲取的文字資料包括工程地質(zhì)勘查報告、施工圖設計文件等。（2）工程施工條件調(diào)查預應力錨索框架工程對其他工程的影響，施工降噪和排污處理等，環(huán)保法規(guī)法律對工程的影響等。工程材料市場的調(diào)查及物流渠道調(diào)查，在施工前應該協(xié)調(diào)好與施工有關(guān)的各類因素。（3）技術(shù)交底和開工報告施工前需組織技術(shù)管理人員和施工人員學習相關(guān)施工技術(shù)規(guī)范及要求；認真研究施工圖紙，掌握施工工藝和要點；做好勞動力組織、施工機具的調(diào)配和施工前得準備工作。按要求準備開工報告，經(jīng)審批后，按時開工。（4）人員組織根據(jù)施現(xiàn)場工需要配備工程技術(shù)管理人員和施工人員。主要工種施工人員有：鉆機機長、混凝土工、電工、鉗工、爆破工、鑿巖機工、架子工、木工、鋼筋工、測量工、挖掘機司機等，并在開工前進行安全技術(shù)培訓。（5）施工機械的準備對常用施工機械進行購置或調(diào)配，并做好開工前的設備檢查，保證施工機械的安全性、穩(wěn)定性。對施工機械操作員進行安全知識培訓，并進行相關(guān)任務分配等。邊坡開挖邊坡土石方開挖是預應力錨索框架施工中最關(guān)鍵的工序之一，它將直接影響到邊坡的穩(wěn)定與安全，也直接控制著框架梁的施工進度和質(zhì)量。開挖應該遵循以下原則：（1）按設計開挖原則嚴格按設計坡率、坡高測量放線，安放坡度架，按線開挖，不得超、欠挖。采用機械開挖邊坡時，應該有專人在現(xiàn)場放線，確保變邊坡開挖坡形坡率達到設計要求。（2）分級開挖、分級支護原則在高邊坡及地質(zhì)條件差的情況下，必須先施工上一級邊坡預應力錨索框架，并進行張拉達到有效防護的條件下，才能開挖施工下一級邊坡。（3）分層開挖原則當邊坡地質(zhì)條件較差或上一級邊坡的防護還沒有達到要求而下一級邊坡需要開挖時，為了減少施工對邊坡的擾動，應采取減少邊坡開挖高度的辦法，將設計的每級進行分層開挖。（4）做好坡面排水工作邊坡開挖后，坡體發(fā)生松動現(xiàn)象，大氣降水更加容易滲入到邊坡巖土體內(nèi)，地表徑流條件發(fā)生了改變，從而形成邊坡失穩(wěn)的條件。因此，做好邊坡的臨時排水工作對工程的成功十分重要。同時邊坡工程的臨時性排水措施應滿足地下水、暴雨和施工用水等的排放要求，有條件時宜結(jié)合邊坡工程的永久性進行排水措施設置。邊坡在開挖過程中或開挖完成后邊坡坡體出現(xiàn)拉裂、局部滑動甚至失穩(wěn)破壞情況時，應該及時分析其原因，包括施工因素的影響等，據(jù)此進一步研究加固治理措施，提出補充設計文件。成孔預應力錨索框架的成孔工藝，是確保預應力錨索達到設計的錨固地層，實現(xiàn)有效錨固的關(guān)鍵工序之一。預應力錨索鉆孔的位置、方向、孔徑及孔深，應符合施工圖要求。鉆孔的孔深、孔徑均不得小于設計值，鉆孔的傾斜度、方位角應符合設計要求。預應力錨索的錨固段應當位于穩(wěn)定的基巖中，若孔深已達到預定施工圖所示的深度，而錨固段仍處于破碎帶或斷層等軟弱巖層時，應會同設計、監(jiān)理共同協(xié)商，對原設計的部位進行固結(jié)灌漿改良、改變錨固段的位置或繼續(xù)鉆進延長孔深等處理措施。目前，鉆孔多采用機械風動潛孔錘沖擊成孔，鉆孔施工順序工藝如下：（1）測量確定孔位嚴格按設計測設錨索孔位，其標高和平面位置誤差不得大于規(guī)范和設計要求。（2）搭設鉆機平臺根據(jù)測量所定的孔位搭設鉆機平臺，平臺寬度按中型鉆機要求3～4m，小型鉆機為2m左右，以滿足擺放鉆機及施工人員操作需要為原則，操作平臺腳手架的搭設質(zhì)量要求符合建筑施工腳手架有關(guān)安全規(guī)范。錨索的制作錨索制作應當在有防雨設施的加工廠內(nèi)完成。按照施工圖紙所示各錨固單元的尺寸下料，下料前應檢查鋼絞線的表面有無粘結(jié)，沒有損傷的鋼絞線才能使用。錨索的鋼絞線和各單元承載體應按一定的規(guī)律編排并綁扎成束，編索時一定要把鋼絞線理順后再進行綁扎，最后在內(nèi)錨固段端頭裝上錐形導向帽，隔離支架應選用塑料隔離支架。錨索捆扎完畢，應采取保護措施以防止鋼絞線和承載體銹蝕，運輸過程中應防止錨索發(fā)生彎曲、扭轉(zhuǎn)和損傷。錨索的安裝錨索安裝前應對錨索體進行詳細的檢查，檢查止?jié){袋位置，排氣管位置及暢通情況，并核對錨索編號與鉆孔孔號，對損壞的配件應進行及時的修復和更換。推送錨索時用力要均勻一致，應防止在推送過程中損傷錨索配件和防護層。推送錨索時不得使錨索體轉(zhuǎn)動，并要不斷的檢查排氣管和注漿管，應確保將錨索體推送止預定深度后排氣管和注漿管的通暢，否則應拔出錨索體排除故障后再重新安放。錨索灌漿無粘結(jié)式錨索灌漿分錨固段、張拉段灌漿和外錨段灌漿兩部分，錨固段、張拉段灌漿應在錨索入孔后進行，外錨段灌漿則應在錨索張拉鎖定及驗收后的三到五天進行。錨索錨固段、張拉段可一次性灌漿，采用孔底返流法灌漿工藝，進漿管和回漿管均具有屏漿裝置。錨固段、張拉段灌漿一般使用純水泥漿（或水泥砂漿），其28d抗壓強度不得低于40MPa，與圍巖的黏結(jié)強度不得低于1MPa。錨固段和張拉段灌漿長度應符合施工圖的要求，止?jié){裝置位置應該準確，無論錨索孔的方向如何，注漿均可以采用排氣法注漿。將注漿管插至孔底，漿液由孔底注入，空氣由止?jié){環(huán)處的排氣管排出?？蚣芰轰摻畹闹谱靼惭b（1）鋼筋加工：建立專用的鋼筋加工場地，鋼筋必須先除銹、調(diào)直，鋼筋可在現(xiàn)場進行制作與安裝，但鋼筋的數(shù)量、配置按設計確定。橫梁要根據(jù)設計要求留置伸縮縫位置進行下料，下料時需要預留足夠的搭接長度。（2）測量放樣：在安裝框架梁鋼筋之前，要按設計坐標進行測量放樣、掛線，準確測定橫、豎梁的位置和坡度，對超挖或塌方的地方應用漿砌片石回填至設計坡面后再進行鋼筋的安裝，按設計要求留設橫梁伸縮縫的位置，經(jīng)復核無誤后，再進行鋼筋綁扎。（3）鋼筋的連接和綁扎：鋼筋焊接或搭接長度應該符合規(guī)范或設計要求，施工前先做焊接試驗。除按規(guī)范要求綁扎外，還應注意在橫、豎梁交叉的地方，應該保證橫梁上、下主筋均從豎梁主筋中穿過。（4）鋼筋籠的固定：豎梁底部基礎(chǔ)松軟時，在綁扎鋼筋前應支墊混凝土板，以防止框架梁的下沉。混凝土澆筑混凝土的澆筑應架設模板，模板應加支撐固定。與巖石接觸處不架設模板，混凝土緊貼巖體澆筑?；炷凉嘧⑦^程中，當必須留置施工縫時，應留置在兩相鄰錨索作用的中心部位，同時做好混凝土的搗實工作，并按《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工及驗收規(guī)范》(GBJ50204—92)的有關(guān)規(guī)定進行處理。對已澆注完畢的框架梁，應及時派專人進行養(yǎng)護，養(yǎng)護期應在7天以上。錨索張拉預應力錨索的張拉作業(yè)應按照下列程序進行：機具率定→分級理論計算→外錨墩混凝土強度的檢查→張拉機具的安裝→預緊→分級張拉→鎖定→簽證。當錨固段注漿體強度達到設計強度的85%，錨墩混凝土抗壓強度達到C30后，才能對預應力錨索進行張拉。張拉過程：分為單股預緊和整束分級張拉兩個階段。單股預緊應進行兩次以上，預緊實際伸長值應大于預緊的理論值，且兩次預緊值之差應在10%之內(nèi)，以使錨索各股鋼絞線受力均勻，再進行整束張拉。整束張拉共分四個量級進行，即張拉荷載分別按設計張拉力的50%～115%逐級依次進行，并且應控制最大張拉力不得超過預應力鋼材強度標準值的70%。對于松散邊坡，預應力錨索長期預應力損失可能較大，在施工一定時間后可進行補償張拉，其值根據(jù)錨索拉力實測損失結(jié)果確定。施工流程總結(jié)預應力錨索框架梁的施工流程，如下圖5.10.1所示：

播草種播草種綠化養(yǎng)護移交運營錨索張拉封錨安裝六棱磚或換填土錨索入孔安裝注漿框架梁鋼筋安裝框架梁混凝土澆筑角度調(diào)整孔深角度調(diào)整固定環(huán)定位安裝注漿管測設孔位搭設鉆井平臺鉆機就位鉆孔、清孔準備工作制作錨索邊坡放樣開挖錨索去銹人員、材料、設備進場混凝土養(yǎng)護檢測混凝土強度圖5.10坡面綠化本設計采用客土噴播綠化，所謂“客土”即采用外來的適宜于植物生長的土壤或基材。它是將客土基材、侵蝕防止劑、緩效性肥料和植物種子按照一定的比例混合后，采用專門的噴射機進行噴播，達到綠化邊坡的目的?？屯羾姴ゾ哂幸韵绿攸c：（1）適用于巖石邊坡綠化，由于巖石邊坡沒有土壤母質(zhì)，且邊坡坡度較大，采用噴射技術(shù)能夠很好的解決土壤基質(zhì)的問題。（2）客土噴播可以對現(xiàn)有的漿砌片石和坡面進行重新的生態(tài)綠化，改造邊坡的生態(tài)環(huán)境。（3）客土通常呈流塑狀，為了防止客土的流失，通常在坡面采用鐵絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)，鐵絲網(wǎng)可以按照需要設置為一層或是兩層。

結(jié)論目前，我國高速鐵路建設中面臨著諸多復雜多變的地形地質(zhì)條件，對邊坡的加固提出了很大的挑戰(zhàn)。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，如何更加有效加固邊坡、更加生態(tài)地保護邊坡環(huán)境對一代又一代的工作者提出了新的挑戰(zhàn)和機遇。本文通過查閱各種文獻和規(guī)范，對預應力錨索框架梁的設計與計算理論有了深入的了解。根據(jù)《鐵路路基設計規(guī)范》、《材料力學》、《混凝土設計原理》等相關(guān)知識，結(jié)合工點資料，通過對錨索和框架梁結(jié)構(gòu)工作特點的研究，以及對錨索框架梁加固機制的分析。利用傳遞系數(shù)法計算出邊坡的最大剩余下滑力，然后根據(jù)錨索的受力狀態(tài)，對錨索進行設計計算。最后通過作用在框架梁的錨固力，計算框架梁的內(nèi)力。本設計對工點資料進行相關(guān)的設計與計算，最后確定出邊坡剩余下滑力、錨索根數(shù)、錨索間距和長度、錨索傾角、框架梁間距和配筋等信息。并采用客土噴播技術(shù)對框架梁內(nèi)進行相關(guān)綠化，達到了美化環(huán)境、減少污染的目的。在對預應力錨索框架梁的設計計算中，本文得出了一下結(jié)論：（1）在預應力錨索框架的設計與計算中，設計人首先要掌握相關(guān)設計理論，對設計目標有明確的認識。最重要的一點是要熟悉相關(guān)設計規(guī)范，明確設計規(guī)范的不同適用范圍，才能達到舉一反三。（2）本設計的相關(guān)設計值的取值是建立在相關(guān)設計經(jīng)驗值的基礎(chǔ)上的。由于設計不可能一步到位，只能先假設一個值，再利用該值進行相關(guān)驗算。這在設計單位做來比較容易，畢竟他們擁有眾多的設計實例，在設計經(jīng)驗方面較我們成熟。而對于我們可能要通過反復的驗算，才能達到一個滿意的結(jié)果。因此，對于工程實例的收集，對于我們的畢業(yè)設計是十分有益的。（3）根據(jù)滑坡穩(wěn)定性計算，錨索單孔設計錨固力為894.3kN。在邊坡上布置9排每孔7束直徑為15.2mm高強低松弛抗拉強度不小于1860MPa的鋼絞線。單根錨索長度為10～24m，錨索鉆孔直徑0.13m。錨索水平間距為4m，垂直間距也為4m，錨索下傾角為20°，錨固段置于泥巖夾砂巖中風化層（4）框架梁選用方型現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架梁，水平、垂直間距取4m，框架梁的截面尺寸為400×400mm，采用C25號混凝土施工?？v向配筋采用818的HRB335鋼筋，箍筋采用雙肢8的HPB235鋼筋。經(jīng)驗算，最小配筋率和最大配筋率都滿足設計要求。（5）通過一系列的設計計算，最終找到了能夠有效加固邊坡同時能夠很好的美化邊坡環(huán)境的方案。利用預應力錨索和框架梁的復合結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮這兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，對邊坡坡面進行有效的防護。同時在框架梁內(nèi)種植草坪，達到綠化邊坡、保護環(huán)境、降低污染的目的。由于本人所學知識有限，本文在理論設計方面還存在不足之處。同時，在設計原理和工程實踐方面還有待深入研究，本人也將會在以后的學習中不斷完善這方面的知識。

致謝在此設計完成之際，首先向四年來授于我知識、熱情幫助、悉心指導我的各位土木的老師們，向他（她）們致以崇高的敬意和深切的謝意。感謝您們對我學習和生活上的幫助，感謝您們?yōu)槲抑敢_的人生道路，讓我學會的不僅是專業(yè)知識和技能，更多的是培養(yǎng)了我正確的人生觀、價值觀。同時感謝母校為我們營造的良好學習氛圍，為我們配備的一流的教師資源和完善的配套設施。感謝蘇謙、王迅老師對我畢業(yè)設計的指導，感謝您們對我的悉心指導和教誨，以及為我提供的無私的幫助。感謝這四年來，和我一起學習生活的同學，感謝你們對我的關(guān)心和幫助。正是有了你們的幫助，我才能在學習中取得優(yōu)異的成績，并順利的完成了自己的畢業(yè)設計。最后，還要感謝我的家人，為我的學習和成長給予的無私支持和關(guān)愛，正是有了您們的鼓勵，才能有我的今天，謝謝您們了。

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