預(yù)應(yīng)力錨索地梁在邊坡工程中的狀態(tài)分析與計算

預(yù)應(yīng)力錨索地梁在邊坡工程中的狀態(tài)分析與計算

1預(yù)應(yīng)力錨索地梁極限狀態(tài)的設(shè)計計算方法預(yù)制混凝土砌塊（包括單梁結(jié)構(gòu)變更結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)類型）在邊坡加固工程中得到了廣泛應(yīng)用。許多文獻對其設(shè)計方法和施工技術(shù)進行了研究，并描述了[1、2、3、4、5、6、7、8、9、10和11]。這為預(yù)備防護結(jié)構(gòu)新邊坡的支撐加固結(jié)構(gòu)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。從目前預(yù)應(yīng)力錨索地梁的設(shè)計計算方法來看，都是針對地梁在正常設(shè)計工作狀態(tài)范圍內(nèi)的計算，而在邊坡加固工程中，坡體的變形和應(yīng)力狀態(tài)有可能發(fā)生較大的變化，且隨著這種變化，預(yù)應(yīng)力錨索有可能超出其設(shè)計承載能力而進入極限承載力階段，為了在維持坡體穩(wěn)定的條件下盡量發(fā)揮錨索的承載能力，此時相應(yīng)的地梁承載能力也應(yīng)與錨索的承載能力相適應(yīng)，即應(yīng)進行極限狀態(tài)階段的設(shè)計?？紤]到預(yù)應(yīng)力錨索地梁在邊坡加固中的這種實際工作特點，本文在對預(yù)應(yīng)力錨索地梁受力狀態(tài)進行詳細分析地基礎(chǔ)上，提出了預(yù)應(yīng)力錨索地梁極限狀態(tài)設(shè)計的思想，并由此對地梁極限狀態(tài)的設(shè)計計算方法進行了初步探討。關(guān)于本文的研究內(nèi)容需要做兩點說明，第一，文中的設(shè)計計算是指預(yù)應(yīng)力錨索地梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計算，只要得到了地梁的設(shè)計內(nèi)力，就可以按相關(guān)規(guī)范對其進行結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計，不列入本文的研究內(nèi)容；第二，文章的重點是研究地梁結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)設(shè)計，而對錨索設(shè)計承載力和極限承載力不做研究，認為其值是已知的。2預(yù)測預(yù)測鋼筋混凝土壓力的分析2.1預(yù)應(yīng)力錨索地梁加固結(jié)構(gòu)在預(yù)應(yīng)力錨索工程中，由于外錨頭位置常常處于一種高應(yīng)力狀態(tài)區(qū)，并會在外錨頭附近的淺層巖土表面出現(xiàn)應(yīng)力受拉區(qū)，為了分散其高應(yīng)力狀態(tài)，避免淺層局部巖土的壓縮變形過大，進而引起預(yù)應(yīng)力的損失，同時也為了調(diào)整被壓縮土層體的應(yīng)力狀態(tài)，使其成為三向受壓，對外錨頭的結(jié)構(gòu)就提出了一定的要求。預(yù)應(yīng)力錨索地梁就是在這種要求下發(fā)展起來的一種常用于邊坡支擋加固的結(jié)構(gòu)型式，在此類結(jié)構(gòu)中，地梁作為錨索與坡體的連接體除了相當于錨索外錨頭的作用外，在工作過程中地梁尤其是框架型地梁能加強各錨索之間的作用聯(lián)系，保證錨索在抗滑中的均勻性、連續(xù)性及整體性，達到完全穩(wěn)固邊坡的目的。預(yù)應(yīng)力錨索地梁結(jié)構(gòu)中，錨索與地梁共同作用，它們加固邊坡的機理主要還是錨索加固坡體的機理，即錨索通過強大的預(yù)應(yīng)力對坡體起到預(yù)加固作用，坡體在預(yù)應(yīng)力的作用下，首先巖土體在預(yù)壓應(yīng)力的作用下力學(xué)性能得到一定程度的改善，充分利用巖土體的自身抗滑能力，增強坡體的穩(wěn)定性；其次，滑體垂直于滑面方向的壓力有較大的增加，增大了滑動面上的摩擦力，從而減小了滑體的下滑力；同時，地梁將坡面分為若干單元（縱向或雙向），巖土體的變形被限制在這些單元格內(nèi)，地梁在錨索的強大拉力作用下有效的抑制了坡體的變形。地梁主要起承受并傳遞錨固力的作用，同時加強了結(jié)構(gòu)的整體效能。從預(yù)應(yīng)力錨索加固坡體的作用機理可以看出，預(yù)應(yīng)力錨索地梁是一種主動支擋加固結(jié)構(gòu)，提前對坡體進行加固，以防止坡體出現(xiàn)失穩(wěn)或穩(wěn)定性繼續(xù)惡化的情況。2.2預(yù)應(yīng)力錨索地梁的正常工作階段在預(yù)應(yīng)力錨索地梁加固坡體的有效工作期內(nèi)，根據(jù)上述預(yù)應(yīng)力錨索地梁加固邊坡體的作用機理和具體的施工過程，可將其受力狀態(tài)分為以下3個階段，如圖1所示，其具體含義如下。第一階段：錨索預(yù)應(yīng)力的分級張拉階段。該段是根據(jù)預(yù)應(yīng)力錨索地梁的施工過程劃分的，在此階段，為了防止地梁出現(xiàn)局部過大的受力而影響工程質(zhì)量，對地梁上的錨索按一定的順序分級施加預(yù)應(yīng)力到設(shè)計噸位，工程中為了防止預(yù)應(yīng)力松弛，一般均根據(jù)具體情況進行超張拉。由于施工時按順序分級張拉，地梁一般不會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的破壞，可不對此階段的地梁進行內(nèi)力計算。第二階段：錨索預(yù)應(yīng)力張拉完畢后的錨索地梁正常工作階段。由于預(yù)應(yīng)力錨索地梁加固坡體是一種主動制約機制，所以，當錨索預(yù)應(yīng)力通過地梁傳遞到坡體上以后，對坡體提供了維持其設(shè)計穩(wěn)定性所需的潛在抗滑力，或者可以根據(jù)滑坡穩(wěn)定分析中的概念而將其稱為剩余抗滑力。在預(yù)應(yīng)力錨索地梁支擋加固邊坡的穩(wěn)定性設(shè)計中，該剩余抗滑力的值是根據(jù)自然狀態(tài)下邊坡體為了維持設(shè)計穩(wěn)定狀態(tài)所需的抗滑力計算的，因此，雖然由于條件的惡化坡體會產(chǎn)生更大的下滑力，但由于預(yù)應(yīng)力錨索地梁對坡體進行了加固，只要此時的坡體穩(wěn)定性在設(shè)計考慮的范圍內(nèi)，則理論上錨索地梁提供的剩余抗滑力應(yīng)該可以抵消此多余的下滑力，從而維持坡體的穩(wěn)定，預(yù)應(yīng)力錨索地梁通過上述過程來維持坡體設(shè)計穩(wěn)定狀態(tài)的階段，可稱為預(yù)應(yīng)力錨索地梁的正常工作階段。此階段的特點是，由錨索地梁所提供的預(yù)加固力（或稱剩余抗滑力），能保證邊坡體在其所考慮的不利因素范圍內(nèi)維持穩(wěn)定性。錨索地梁在該階段的內(nèi)力保持恒定，不涉及坡體蠕變等效應(yīng)對地梁內(nèi)力的影響，而將這種影響考慮到錨索地梁的第三階段內(nèi)力計算中。此階段作用于地梁上的外力主要有：錨索張拉力、梁下巖土體反力、地梁的重力和梁底的摩擦力。由于地梁緊扣在坡面上，其下部一般支承于各級邊坡平臺或路基側(cè)溝表面處，故可以認為地梁自重和摩擦力能夠被下部的支承力所平衡，因此，地梁主要是承受預(yù)應(yīng)力錨索的錨固力和由此而產(chǎn)生的梁底巖土體反力。第三階段：預(yù)應(yīng)力錨索地梁的極限狀態(tài)工作階段。該階段多是由于在錨索地梁加固邊坡體的設(shè)計計算中一些難以考慮的因素造成的，如由邊坡巖土體的蠕變效應(yīng)所引起的坡體長期緩慢變形，或是一些未考慮到的坡體上作用外力的突然變化，都可能最終導(dǎo)致錨索地梁所提供的潛在抗滑力（或剩余抗滑力）喪失殆盡，這時預(yù)應(yīng)力錨索地梁對邊坡體的主動制約機制變成了被動制約機制，即此時由于下滑力超過了支擋坡體的抗滑力，多余的下滑力會通過巖土體的變形作用到錨索地梁上，由預(yù)應(yīng)力錨索地梁來承受。上述情況在實際工程中有時確實存在，此作用于錨索地梁上的下滑力在設(shè)計中難以考慮，但只要此時坡體的變形在允許的范圍內(nèi)并且錨索還有承載能力，就應(yīng)充分地利用錨索的抗滑能力，保持被支擋坡體的穩(wěn)定性，所以，此時的地梁設(shè)計應(yīng)與錨索的承載能力相適應(yīng)，設(shè)此階段的錨索承載能力已達到極限狀態(tài)，則地梁亦應(yīng)達到其極限狀態(tài)。由于在該階段錨索地梁的工作中已挖掘了其全部的承載能力，因此，將其稱為預(yù)應(yīng)力錨索地梁的極限狀態(tài)工作階段。一旦錨索的承載力超過了其極限，則整個邊坡體將由于失去支撐或變形太大而失穩(wěn)破壞。同第二階段一樣，該階段可不考慮地梁的重力和梁底的摩擦力，地梁此時的作用力除了第二階段的錨索預(yù)應(yīng)力和由此而產(chǎn)生的梁底反力外，又增加了來自邊坡巖土體的滑坡推力（下滑力）以及由此而引起的錨索拉力增量作用。3必要河岸防護梁的開口3.1錨索的極限承載力在錨索地梁極限狀態(tài)的設(shè)計計算中，包含以下2個基本假定：（1）極限狀態(tài)系指當?shù)亓荷系腻^索（只要有任一束錨索）達到其極限承載力時，地梁也恰好達到其極限承載能力的狀態(tài)，錨索的極限承載力可以是其真正的極限承載力，也可以是人為規(guī)定的某一安全系數(shù)下的承載能力，這一方面取決于坡體變形的限制，另一方面也取決于工程的重要性等其他因素；（2）極限狀態(tài)階段增加的滑坡推力（下滑力）在錨索地梁上均勻分布，不考慮錨索的松弛。3.2錨索地梁結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)下的內(nèi)力計算錨索地梁經(jīng)歷了第一、二階段后才進入第三階段即極限狀態(tài)工作階段，因此，錨索地梁極限狀態(tài)的設(shè)計應(yīng)在其第一、二階段內(nèi)力計算的基礎(chǔ)上進行。由于第一階段是錨索預(yù)應(yīng)力的分級張拉階段，可不對此階段進行內(nèi)力計算。第二階段為錨索地梁的正常工作階段，在該階段由于錨索預(yù)應(yīng)力對坡體進行了預(yù)加固，錨索地梁屬于主動支擋加固結(jié)構(gòu)，錨索預(yù)應(yīng)力的施加增強了坡體自身的抗滑能力，坡體下滑力在未超過錨索加固力的情況下不會再作用到地梁結(jié)構(gòu)上，所以，此階段的地梁計算模型即是在錨索預(yù)應(yīng)力及由此而引起的地基反力為外荷載情況下的內(nèi)力計算，關(guān)于其計算方法研究較多，在此推薦采用文中的方法進行計算。在錨索地梁第二階段內(nèi)力計算的基礎(chǔ)上，可進行其極限工作狀態(tài)下的內(nèi)力計算。此階段錨索地梁已經(jīng)由主動加固的結(jié)構(gòu)變?yōu)榱吮粍蛹庸唐麦w的支擋結(jié)構(gòu)，其計算模型可視為以錨索作用點為彈性支座的連續(xù)梁（或框架）結(jié)構(gòu)，在計算過程中應(yīng)考慮地梁與錨索的協(xié)調(diào)變形，其上作用的增量荷載為滑坡體作用到地梁上的下滑力?；谏鲜龅?個基本假定，可計算錨索地梁結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)下的內(nèi)力，方法如下。先設(shè)定新增滑坡推力的初值P0，計算此時地梁在以錨索為彈性支座情況下的內(nèi)力和變形增量以及錨索的拉力增量，并與第二階段的計算結(jié)果疊加，此時錨索的拉力即為錨索預(yù)應(yīng)力與新增拉力之和，對所有的錨索進行判斷，只要有一束錨索達到其極限承載力，則計算停止，此時的地梁內(nèi)力和變形即為其極限狀態(tài)下的相應(yīng)值；如果錨索均不等于其極限值（大于或小于），則應(yīng)調(diào)整設(shè)定的滑坡推力增量，重新計算，直到有一束錨索達到其極限狀態(tài)為止。極限狀態(tài)設(shè)計計算的具體過程如圖2所示，其中ε可取為一大于零的較小數(shù)值。4預(yù)應(yīng)力值的衰減在川藏公路上的某大型滑坡，其坡體的主要地層是志留系下統(tǒng)羅惹坪組鈣質(zhì)泥巖巖組，其次是表層坡殘積物。在滑坡整治工程中，采用了預(yù)應(yīng)力錨索框架地梁和預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁等綜合整治措施，框架地梁的結(jié)構(gòu)形式如圖3所示，框架上縱梁與橫梁的9個交點處分別設(shè)置了錨索，每束錨索由12根φ15.2mm的鋼絞線組成，平均長度為55.0m，錨固段長度為14.0m，設(shè)計拉力為1200kN，在張拉鎖定之后的1～2個月內(nèi)錨索預(yù)應(yīng)力值衰減至設(shè)計值的76%左右，為910kN?？蚣艿亓翰捎肅25混凝土澆筑，立柱的截面為.08m×10.m，橫梁的截面為.06m×0.6m；地基系數(shù)K=20.×105kN/m3。在本例的計算中，取正常工作階段錨索垂直于地梁平面的預(yù)應(yīng)力為910kN，極限狀態(tài)階段錨索垂直于地梁平面的極限承載力為1500kN。利用文中的計算方法，并根據(jù)本文提出的地梁極限狀態(tài)設(shè)計思想，對該框架地梁正常工作階段和極限工作階段的內(nèi)力分別進行了計算，將框架中間立柱和中間橫梁的內(nèi)力計算結(jié)果示于圖4和圖5。由于在實際工程中對該框架地梁中間立柱的鋼筋內(nèi)力進行了監(jiān)測，因此，將立柱的實測計算彎矩繪于圖4(b）中，可用來與計算結(jié)果作對比。首先，從正常工作階段地梁的計算彎矩與實測計算彎矩的對比分析來看，二者的分布規(guī)律基本一致，符合一般地梁的彎矩分布趨勢，說明所采用的地梁內(nèi)力計算方法是可信的。其次，從地梁正常工作階段與極限工作階段的內(nèi)力計算結(jié)果分析，可以看出，地梁極限狀態(tài)階段的剪力值較正常工作階段的剪力值均有不同程度的提高；而對于彎矩，在各錨索作用點處的彎矩值一般都有較大幅度的增加，在地梁跨中部分的彎矩值變化不大，這與本文的基本假定和地梁實際計算條件等多種因素有關(guān)。從整體而言，地梁在極限工作狀態(tài)下的內(nèi)力值較正常工作狀態(tài)下的內(nèi)力值有不同程度的增大，因此，當允許錨索進入極限工作狀態(tài)時，則相應(yīng)的地梁也應(yīng)進行極限工作狀態(tài)的設(shè)計。5邊坡體正常工作階段的設(shè)計方法對于邊坡加固工程中預(yù)應(yīng)力錨