预应力锚索锚固滑坡的设计原则探讨

刘劲华：预臆力铺索锚固滑坡的设计原则探讨　预应力锚索锚固滑坡的设计原则探讨　刘劲华　（铁道第二勘察设计院地路处　摘要　以铁道部第二勘测设计院研制的预应力锚索结构为倒，介招了预应力锚索加固滑坡　的原理，探讨了预应力锚索加固滑坡的主要设计原则　关键词预应力锚索　滑坡设计锚固　预应力锚索拄术是对滑体主动抗滑的一　种　技术，与抗滑桩相比具如下优点：（１）双向受压　准型钢绞线的技术参数如表１。　锚固段是为锚索提供抗拔力的地段，加固滑坡　时一般置于滑动面（潜在滑动面）以下的稳定岩体　中，锚固段通过灌浆将钢绞线与岩体连为整体以提　结构；（２）小变形；（３）布设灵活，锚索长度和　平面位置可通过锚孔反馈的地质资料调整；（４）　施工速度快；（５）投资省。正是由于以上优点预　应力锚索技术在滑坡整治中应用越来越广泛：　本文以我院开发研制的预应力锚索结构为例，　研讨其设计原则　供抗拔力。锚固段提供的抗拔力大小与锚索钢绞线　强度、钢绞线与砂浆的握裹力以及砂浆与岩体的结　合力有关：　自由段为传递预应力的段落，钢绞线通过外套　塑料管与砂浆隔离以达到自由变形之目的，加固滑　１预应力锚索的结构和原理　坡时自由段往往置于滑体位置：锚索自由段一般要　穿过滑带，《长江三峡工程库区滑坡整治工程设计　与施工拄术规则（试行）》规定锚索自由段必须穿　过滑带２．ｏ　ｍ以上，对于隐蔽型滑面的松散层滑坡　预应力锚索主要由锚固段、自由段和外锚固段　构成，外锚固段又由结构物或抑制件（垫墩、格构　等）、钢垫板和锚具等组成（图１）。　预应力锚索采用高强度低松驰的钢绞线制作，　要求进入新鲜基岩面１　５　Ｉ／１以上，自由段　、须保证　预应力钢绞线有效防腐，避免因钢绞线锈蚀导致锚　钢绞线应符台国标标准（ＧＢ／Ｔ　５２２４—９５）或参照　美国标准（ＡＳＴＭＡ　４１６—９０　ａ）执行，常用的７丝标　索强度降低。　的双排桩，滑坡推力全部由第一排桩承担，第二排　分布　（４）桩排受到的滑床抗力，在第一排桩的桩后　桩用以提高第　排桩桩前滑体抗力从而起到辅助支　和第二排桩的桩前表现出与单排桩相同的分布形式：　挡的作用。当排间滑动面水平时，第二排受到的推　在第一排桩后为三角形，在第二排桩前为上部矩形、　力实际上是经滑体传递而来的第一排桩的桩前滑体　下部倒三角形，分布区域分别集中在桩转动中心以　抗力的反作用力，太小约为滑坡推力的６５昵；当桩　上、以下　排问的滑动面有…定坡度时，第二排桩承担的推力　桩排受到的滑床抗力，在第一排桩的桩前和第　还应该加上（减去）桩排间滑体的剩余下滑力（剩　　二排桩的桩后，表现出和单排桩试验不同的分布形　余抗滑力）。式：除了在第一排桩的桩前和第二排桩的桩后有类　４．３双排桩桩周岩土的应力传递　似于单排桩时的分布形态外．还在桩的转动中心以　的增加，分布区域和分布集度相应增大。　４．２滑坡推力在桩排上的分配。　两排桩存在着相互影响：在滑体中，第一排桩　大小紧密相关；在滑床中，两排桩受到的力相互影　响，使得第一排的桩前和第二排桩的桩后受到的滑　收稽臼靳：２００１—０５—１６　上各增加了一个抗力分布区，这一区域随荷载等级　受到的桩前滑体抗力和第二排桩受到的滑坡推力的　　对于第一排桩桩间距是桩截面宽度的３倍左右　床抗力表现出和单桩不同的分布形式（如前述）。维普资讯 http://www.cqvip.com

２　路基工程　２００２年第３期（总第１０２期）　外锚同畏　自由畏　锚固段　一骖　ｌ　、／　，　／　１　１．　。　，　／　／　　．，　ｌ　，ｌ　ｌ、Ｉ／　Ｉ，Ｊ　图ｌ预应力锚索结构示意图　表１常用的７丝标准型钢绞线的技术参数　外锚固段是通过锚具将锚索固定于结构物或抑　预应力锚索通过张拉对锚固段产生拉力，锚固　制件上，在承力的条件下锁定的部分，也是施加预　应力张拉后的锁定部件。滑体地表岩土体承载力较　高时往往采用钢筋混凝土垫墩，当地表岩土体承载　段则对滑体产生反作用力，此力分解成垂直滑面的　正压力及沿滑动面的抗滑反力如公式（１）　抗滑反力Ｐ＝Ｐ　。ｔａｎ９　Ｐ　＝Ｐ．［ｓｉｎ（ｄ＋卢）　ｔａｎ９＋ｃ０ｓ（口＋口ｊ　Ｊ　（１）　力较低或为易风化岩层时，往往采用地粱或格子　梁。　式中Ｐ．为锚索设　。预应力值；ａ为滑动面倾　角；ｐ为锚索与水平面夹角；０为滑动面内摩擦角。　预应力锚索，加固滑坡的原理为通过预应力的　施加，增强滑带的法向应力以加大滑面摩擦力和减　少滑坡下滑力，有效地增强滑坡体的稳定性，如图　２　此外滑体及滑带土在长期处于双向受力状态下　不断密实，其物理力学性质也不断改变，有试验资　料表明：某工点软弱结构面上的ｃ、。值指标分别　提高了坩％和１１％。　２预应力锚索主要设计原则　２．１　确定滑动面的强度指标及滑坡下滑力　确定滑动面的强度指标可通过现场的滑动面野　外大剪试验获取，少量走剪试验往往离散性很大．　大量大剪试验费钱费工也不现实　目前设计取值多　固２预应力锚索加固边坡的力系图　采用反算法，即根据目前的滑坡状态，确定安全系　数，反算ｃ、　值指标，此时滑动面位置、形态、　维普资讯 http://www.cqvip.com

刊劲华：预应力锚索锚固滑坡的设计原则探讨　滑体后缘裂隙状态，地下水资料等变得非常重要，　为此需进行详细的地质工作，而目前在施工过程中　所遇的许多滑坡又不允许花很多时问进行地质工　作，此时要充分利用地质反馈资料分析，通过锚索　钻孔时揭示的滑面情况对原设计进行修改，这种动　态设计有赖施工与设计的密切配台来完成，此外滑　坡体所处状态的评价带有很大的经验性，此时应发　挥专家的作用。确定了滑动面的强度指标后，根据　工程的重要等级等情况确定新的安全系数，按照有　关下滑力公式计算出滑坡下滑力。　２．２设计锚固力的确定　设计锚固力是根据滑坡下滑力确定，若单位宽　滑坡下滑力为Ｆ，则单位宽滑坡所需锚固力，由　（１　Ｊ式为：　Ｐ．：Ｆ／［ｓｉｎ（ａ＋　）ｔａｎ？＋ＣＯＳ（ｎ＋　）］　（２）　根据滑坡的总下滑力则可确定设计的总锚固　力。对于每一根预应力锚索承担的锚固力则应控制　在容许锚固力范围之内。　容许锚固力＝极限锚固力／安全系数　设计中安全系数取２．０～２．５　预应力锚索极限锚固力通常由破坏性拉拔试验　确定。极限锚固力受锚索钢绞线、钢续线与砂浆的　握裹力及砂浆体与锚固岩体的结台力控制。为了节　约成本，锚索钢绞线的极限破断力、钢绞线与砂浆　的极限握裹力及砂浆与锚固岩体的极限抗拔力三者　之间尽量不要相差太悬殊，一定的钢绞线其极限破　断力为一定值，钢绞线与砂浆的的握裹力则取决于　砂浆的标号、钢绞线的规格；砂浆体与锚固岩体的　结台力则取决于砂浆的标号、岩体的类型、节理裂　隙的发育程度等，通过试算，尽量使其接近。　２．３超张拉应力的确定　由于预应力锚索的张拉过程中锚具夹片内缩及　管道摩擦，以及钢绞线的松弛及地层压缩等均能引　起预应力损失，因此预应力锚索的张拉锁定值往往　要大于设计预应力（即超张拉）。　钢绞线锚紧在锚具内时，夹片会内缩６－兀ｍ，产　生一定的预应力损失，《公路钢筋混凝土及预应力　钢筋混凝土桥涵设计规范》规定．　Ⅳ　＝Ａ－（∑　Ｅ／Ｌ）・Ｅ　（３）　式中△Ｌ为锚具、夹片的回缩值；Ｌ为锚索　的有效长度；Ｅ、为钢绞线的弹性模量；Ａ为钢绞线　的截面积。　有资料表明钢绞线与管道摩擦造成预应力的损　失与锚具的后张力，管道摩擦系数，锚索每单位长　度内摆动系数等有关，实际应用还待进一步积累资　料研究。　钢绞线松弛是指施加在钢绞线上的预应力随时　间的推移而减少的现象，故需通过选用低松弛的钢　绞线来达到最小预应力损失的目的，国标ＧＢ／　Ｔ５２２４—９５及美国标准ＡＳＴＭ　Ａ　４１６ａ一９０均规定钢　铰线７０％破断荷载１　０００　ｈ最大松弛率为２．５％。　研究表明：松弛与初始应力有关，初始应力越小松　弛损失的终值也越低（图３），设计时设计预应力　往往为极限应力的６０％～７０％．因此钢绞线松弛　造成的预应力损失并不大　滑体及滑带土在长期的双向受压中产生压缩变　形而使预应力产生损失，试验发现加载时的压缩量　与地层岩土性质关系极大，紧密地层一般较小，松　散地层其压缩量较大，一般在加载后２～４个月内　可趋稳定，地层压缩１　０００小时其应力损失可参考　表２　表２地层压缩应力损失参考表　以上各种因素均能引起预应力损失，迭加在一　起则更复杂，预应力超张拉值一般根据经验而确　定，土体控制在２５％以内，岩体则控制在ｌ５％　以内　一一　松驰损耗的终氲　百分表示　Ｊ　ｆ　束取得　ｆ　梗Ｉ试结：晕对　采用的曲线　较台线种　劬　／　正常挫驰度　／　／／　‘　ｆ　８　／　／　／　坟旨城种粪（ｂ】　７／／　／　低松驰度　／．　／　／　／　／　／－　纹台线种　ｃ）　—　二　＝／　极低橙驰度　一　初始应力，以枉限应　力的百分比表示　６５　７０　７５　各种钢绞线挫驰损失终值　维普资讯 http://www.cqvip.com

４　路基工程　２００２年第３期（总第　２．４预应力锚索的内锚固段的长度及布设　根据有限元分析在坚硬岩层中，锚索的轴向应　力沿轴向方向迅速衰减，传递深度仅３　０　ｉＴ／，在坚　硬岩层中锚固长度不宜小于３　０　ｍ；在中硬岩层中　２．６锚索间距和排数的确定　锚索治理滑坡一般设计为群锚．锚索之问的间　距应不小于锚体直径的５倍及１．５　ｍ。根据设计总　锚固力和单根锚索所能承受的锚固力确定锚索之间　的间距和排数。　２．７锚索结构和　Ｌ径的确定　传递深度为５．０～６　０　ｍ，锚索锚固长度不宜小于　５　Ｏ～６．０　ｍ；在软弱岩层中，轴向应力在锚固段全　长范围内分布，但当锚固长度大于ｌ０　ｍ时锚索杆　体中轴向应力已很小，相应的粘结剪应力也较小，　根据单根锚索要求承受的锚固力，确定锚索的　钢绞线根数，并参照图１进行结构设计，５～８根钢　绞线的锚索，一般孔径设计为９０～１１５／１１１１２，９～１５　根钢绞线的锚索，一般孔径设计为１１５～１３５　ｍｍ。　靠增加锚固长度来提高锚索的抗拔力已变得效果不　明显，故在软弱岩体中锚固段长度不宜超过１０　ｍ。　一定的结台强度下．锚索的承载能力一定，当增长　锚固段时，锚体与锚　Ｌ壁的结合应力的峰值大于锚　体与锚孔壁的结台强度时，锚体在　Ｌ内产生滑移，　在滑移段只留下结合力的残值强度，其受荷长度不　变（图４），因此在所有岩层中锚固长度也不宜过　长，一般不大于１０　ｎｌ。为了减少内锚段岩体的应力　集中，相邻锚索不宜等长设计，可根据岩体强度和　完整性情况长短交错布置。　２．ｓ预应力锚索的下倾角的确定　从理论而言，单位长度锚索提供最大抗滑力时　锚固体顶端　的下倾角口为晟优下倾角，实际有不同情况　（１）同时考虑锚固段和自由段　口＝４５￣／（Ｋ＋１ｊ＋【（２　＋１ｊ／　２（　＋１）Ｊ　—ａ　（４）　Ｎ　ｉ　偏短　｜　ｔ　０释　辩　蝴　ｌ　（２）仅考虑锚固段时　口＝　—ａ　（３）仅考虑自由段时　口＝４５￣＋ｐ／２一ａ　（６）　螂　（５）　舍适　豁　，　’　．　偏长　以上式中　为锚索的锚固段长度与自由段长　图４加荷过程中结台力沿锚索长度的变化　收稿日期：２００２—０３一Ｊ３　度之比；ａ、　分别为设锚段滑动面的倾角和内摩　擦角。一般经验取值为１０。～３０。　无人驾驶的压路机　目前，在湘江大堤工地上，首次出现了元人驾驶振动压路机。这就是我国自主研制的重达１２．６吨的　高性能无人驾驶振动压路机，它标志着我国无人驾驶技术已跻身国际先进行列。　世界第一台无人驾驶压路机出现于１９９８年，自重量只有２吨。我国的无人驾驶振动压路机的外观与　普通压路机一样，但没有司机，在施工范围内能够自主完成点火、起步、变速、转向、倒车、停车等基本　操作，并能根据施工地面的软硬程度渊整振动等级，有效提高施工效率和压实质量。适合水利太坝、高速　公路、铁路、机场、港口等大型工程施Ｉ＿，尤其适合危险环境和极限条件下作业。｛李吉）　李作勇供稿