[摘要] 根據(jù)高陡邊坡病害的特點，提出了預(yù)應(yīng)力錨索框架梁的加固方法，并結(jié)合工程實例，介紹了預(yù)應(yīng)力錨索框架梁的設(shè)計流程，重點闡述了錨索以及利用Winkler地基模型進行框架梁的內(nèi)力計算，供今后類似工程參考。

[關(guān)鍵詞] 預(yù)應(yīng)力錨索 框架梁 高陡邊坡 病害整治

預(yù)應(yīng)力錨索框架梁是預(yù)應(yīng)力錨索的鎖定頭設(shè)置在鋼筋混凝土框架梁上與錨索結(jié)合加固邊坡的一種結(jié)構(gòu)形式。該結(jié)構(gòu)是采用高強低松馳鋼絞線對坡體主動施加大噸位的預(yù)應(yīng)力以平衡坡體的破壞力，通過框架的分散傳遞作用使臨空坡面的表層巖土受到預(yù)壓應(yīng)力，改善坡體巖土的應(yīng)力狀態(tài)，增強坡體的自穩(wěn)能力。

預(yù)應(yīng)力錨索框架梁被廣泛應(yīng)用于軟巖、破碎巖或土質(zhì)病害的預(yù)防與加固工程，它因具有工期短、機械化程度較高、施工條件好、效果顯著、外形美觀等優(yōu)點，另外框架梁在合理加固坡體的同時，還可在框架內(nèi)進行植被，達到綠化防護的目的。現(xiàn)以鷹廈線K157病害整治實例，闡述預(yù)應(yīng)力錨索框架梁在高陡邊坡病害整治中的應(yīng)用情況。

1 工程概況

鷹廈鐵路K157+260～+310位于福建北段王塘-曬口區(qū)間，富屯溪岸邊，屬低山丘陵區(qū)，線路以半塹半堤通過，左側(cè)路塹坡高約70米，坡度約1:1，未做防護，2005年6月受臺風(fēng)“海棠”影響，左塹高約70米處發(fā)生溜坍，坍體總量約1000m³，夾有大量雜草、倒樹，坍體覆蓋線路，經(jīng)搶修后恢復(fù)通車。

該路塹邊坡體的巖層從上至下依次為：

第四系坡殘積層（Q4el+dl）

①含碎塊石粉質(zhì)粘土：棕紅、土黃色，可塑。厚度約4～6m，含碎塊石約20%。

三疊系焦坑組（T3j）

②強風(fēng)化砂巖（W3）：灰、灰黃色，巖體呈散體～碎石狀結(jié)構(gòu)。

③弱風(fēng)化砂巖（W2）：青灰、灰黃色，巖體較完整，巖體呈層狀～碎石狀結(jié)構(gòu)。

2 病害原因分析及加固方案比選

該邊坡病害誘發(fā)原因系原路塹邊坡巖土體親水礦物含量極高，既有塹坡坡度較陡，加上本次雨季持續(xù)降水（月累計降雨量約603.5mm，最大持續(xù)降雨量約510.4mm，最大日降雨量約155.8mm）使巖土體飽和，抗剪強度降低，導(dǎo)致路塹邊坡上部土體沿巖土交界面向下溜坍。如果不處理，因下部邊坡的溜坍造成上部邊坡坡腳失去支撐而失穩(wěn)，邊坡破壞會逐漸向后發(fā)展，造成更大規(guī)模的邊坡破壞，破壞巖體將由山坡滑下，掩埋鐵路，危及列車行車安全。

由于該段路塹邊坡高達70m，坡度約1:1，且山頂建有移動通信基站和曬口水廠，若采用擋墻或土釘墻結(jié)構(gòu)來加固邊坡，則加固的邊坡高度有限，通常最高也僅為15m，須采用多級支擋結(jié)構(gòu)，還必須將支擋結(jié)構(gòu)上方邊坡按穩(wěn)定邊坡坡率刷方，并且不可能一坡刷到底的，必須刷成多級邊坡，每級邊坡之間設(shè)一平臺，這樣一方面刷方量巨大，工程造價高昂，且挖方及棄方條件都較困難。另一方面刷方將會影響曬口水廠和移動通信基站的安全。鑒于上述這些條件的限制，結(jié)合本工點的工程地質(zhì)條件，充分考慮到預(yù)應(yīng)力錨索框架梁結(jié)構(gòu)的特點，在不改變既有邊坡坡率的前提下，從經(jīng)濟、施工便利的角度出發(fā)，經(jīng)過計算決定采用間距為5m的預(yù)應(yīng)力錨索框架梁來作為高陡邊坡加固的結(jié)構(gòu)物。邊坡加固的代表斷面見圖1，框架梁結(jié)構(gòu)見圖2。

3 預(yù)應(yīng)力錨索框架梁的設(shè)計

預(yù)應(yīng)力錨索框架梁的設(shè)計流程見圖3所示。

3.1 預(yù)應(yīng)力錨索的設(shè)計

3.1.1計算滑體下滑力

選定滑坡的代表斷面，按下式計算滑坡的下滑力F：

式中:K為安全系數(shù)，取1.2；W為滑體重量；L為滑動面長度；按巖體容重γ＝20KN/m³，c=20KPa，φ=10°，計算出邊坡下滑力為604.1KN。

圖1 代表斷面加固示意圖

圖2 框架梁結(jié)構(gòu)圖

3.1.2計算錨索的下傾角

在施工工藝可行的前提下，單位長度錨索提供最大的抗滑增量時，錨索下傾角β的計算式為：

式中：A－錨索的錨固段長度與自由段長度之比；

－設(shè)錨索段滑動面的內(nèi)摩擦角和滑動面傾角。

根據(jù)一般經(jīng)驗，β角取10°～30°，本例β角取20°。

3.1.3計算錨固力和預(yù)應(yīng)力張拉值

按下式計算一米寬滑坡所需錨固力Pt：

＝785.1 KN/m

圖3 預(yù)應(yīng)力錨索框架梁設(shè)計流程圖

式中：F—滑坡下滑力；Pt—設(shè)計錨固力（KN）； —滑動面內(nèi)摩擦角（°）； —錨索與滑動面相交處滑動面傾角（°）； —錨索下傾角；λ—折減系數(shù)，與邊坡巖性及加固厚度有關(guān)，在0~1之間選取。

根據(jù)合理間距范圍，選擇縱橫向間距均為5m，即在邊坡上沿坡面74m長的范圍內(nèi)布置錨索10根，則單根錨索的設(shè)計錨固力Nt＝Pt×5/10=392.6KN，實際設(shè)計錨固力取Nt= 400 KN。

3.1.4 確定錨索的結(jié)構(gòu)和錨孔的孔徑

錨索由若干股鋼絞線組成，根據(jù)預(yù)應(yīng)力張拉值和鋼絞線的極限抗拉強度，加以一定的安全儲備，來計算組成錨索所需鋼絞線的股數(shù)， ，取3根。采用OVM15－3錨具。

鋼絞線按同心狀環(huán)列，根據(jù)鋼絞線的股數(shù)和單股直徑，再考慮灌漿管和砂漿體的空間，來確定錨孔的直徑，一般不小于110mm。

3.1.5 確定錨固段的位置與長度

錨索的錨固段全置于滑動面之下的穩(wěn)定巖土體中，考慮應(yīng)力擴散角，錨固段的起點應(yīng)下離滑動面一段距離，以使兩錨索間的滑動面都能處于受壓狀態(tài)。錨固段的長度視預(yù)應(yīng)力張拉噸位、錨索與砂漿的粘結(jié)力、砂漿與孔壁的粘結(jié)力而定，錨索與砂漿間的粘結(jié)力一般較充裕，故錨固段長度L據(jù)預(yù)應(yīng)力張拉值T、砂漿與孔壁的抗剪力τ來計算：

=3.6m

式中：D—為錨孔直徑；K—為安全系數(shù)。

取錨固段長度4m。

3.2 框架梁內(nèi)力計算

將框架梁視為彈性地基上的梁，錨固力作為梁上集中荷載，按照Winkler彈性地基梁假定計算梁內(nèi)力。

圖4 框架梁受力圖

框架梁的集中力作用在橫縱梁交叉處，該處受到的集中力由橫縱兩個方向的梁共同承擔(dān)，進行內(nèi)力計算時，需要確定橫縱梁所分配的荷載，然后就可以按單向條形基礎(chǔ)進行計算。

式中，L為橫向，T為縱向。

式中， 、 為橫縱梁柔性指數(shù)， 、 為橫縱梁慣性距。

從式中得出，取橫縱梁截面尺寸相同，同時認(rèn)為坡面基床系數(shù)處處相等時，有，即節(jié)點橫縱向分配的荷載相等。因此在計算單根梁的內(nèi)力時，可取錨桿錨固力設(shè)計值在垂直坡面方向分量的1/2作為作用在格構(gòu)梁上的集中力。

節(jié)點荷載分配后，即可按Winkler彈性地基梁理論計算梁剪力和彎矩。

式中： 4 為彈性地基梁的彈性特征， 、 為梁的彈性模量和慣性矩， 、 、 參見文獻[2]。

根據(jù)公式可編制電算程序計算出得縱橫梁的內(nèi)力，如圖5、6所示。

圖5 縱梁彎矩圖

圖6 縱梁剪力圖

橫梁內(nèi)力計算同縱梁，根據(jù)內(nèi)力分布，既可按受彎構(gòu)件對縱橫梁配筋。

4 結(jié)語

該段病害邊坡最高超過70m，邊坡高陡，2005年采用預(yù)應(yīng)力錨索框架梁加固后，邊坡穩(wěn)定，沒出現(xiàn)任何不良情況。從工程質(zhì)量，工程效益上都取得了良好的效果，從而可以看出錨索技術(shù)在加固高邊坡，控制邊坡變形，防止邊坡失穩(wěn)方面是行之有效的方法，具有較高的應(yīng)用價值和推廣價值。并具有施工工期短，投資少，見效快，施工作業(yè)對邊坡影響小，地面作業(yè)相對安全，適用于應(yīng)急工程等優(yōu)點，值得推廣。

參考文獻

[1] 李海光等. 新型支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計與工程實例[M].北京: 人民交通出版社， 2004.

[2] Hetenyi，M.Beams on Elastic Foundations[M]. University of Michigan Press， Ann Arbor，Michigan，1946.

[3] 肖世國，周德培.巖石高邊坡一種預(yù)應(yīng)力錨索框架型地梁的內(nèi)力計算[J].巖土工程學(xué)報.2002， 24(7):439-482.

[4] 李群，章廣成，唐輝明，王亮清等. 十字交叉格構(gòu)梁內(nèi)力分析與優(yōu)化設(shè)計[J]. 煤田地質(zhì)與與勘探， 2006， 34(6):50-53.