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        基于理論分析的邊坡格構(gòu)錨固結(jié)構(gòu)施工順序研究

        2011-12-20 03:49:24呂仁軍馮玉金王錚
        城市建設(shè)理論研究 2011年23期
        關(guān)鍵詞:格構(gòu)縱梁橫梁

        呂仁軍 馮玉金 王錚

        摘要:格構(gòu)錨固結(jié)構(gòu)是邊坡治理的一種有效措施,在地質(zhì)災(zāi)害治理中應(yīng)用廣泛。在利用格構(gòu)梁治理邊坡過程中,發(fā)現(xiàn)采用不同的施工順序,對其內(nèi)力及彎矩影響很大。本文通過Winkler地基梁理論,試對其進行理論分析,提出一個合理的施工的順序。

        關(guān)鍵詞:施工順序,Winkle彈性地基理論,邊坡,格構(gòu)錨固結(jié)構(gòu)

        1 引言

        格構(gòu)錨固結(jié)構(gòu)是近年來在邊坡支護中開始廣泛使用的一種支擋結(jié)構(gòu)。格構(gòu)錨固結(jié)構(gòu)由預(yù)應(yīng)力錨索和格構(gòu)梁兩部分組成,預(yù)應(yīng)力錨索的深層抗滑和格構(gòu)梁的表層護坡共同形成一個由表及里的加固體系,達到防止整體邊坡失穩(wěn)的目的。這種結(jié)構(gòu)治理效果好、施工方便,在滑坡治理、道路邊坡防護中得到越來越廣泛的使用。格構(gòu)錨固結(jié)構(gòu)中的格構(gòu)梁一般為現(xiàn)澆框架梁,錨索作用在框架梁的交叉處,由橫梁與縱梁共同承擔錨索錨固力。一榀框架梁往往有若干個錨索,我們在格構(gòu)錨固結(jié)構(gòu)的施工過程中發(fā)現(xiàn),張拉預(yù)應(yīng)力錨索的順序?qū)Ω駱?gòu)梁的內(nèi)力、變形影響較大,因此優(yōu)化格構(gòu)錨固結(jié)構(gòu)的施工順序很有必要。本文以格構(gòu)錨固結(jié)構(gòu)治理重慶忠縣順溪場滑坡為例,考慮格構(gòu)梁與地基的相互作用,在Winkle彈性地基理論的基礎(chǔ)上,分析不同施工順序下格構(gòu)梁的內(nèi)力變化情況,提出合理的錨索張拉順序。

        2 格構(gòu)梁內(nèi)力分析方法

        2.1彈性地基梁的計算

        近一百多年來,國內(nèi)外學(xué)者對彈性地基梁的分析方法進行了大量的研究,提出了許多理論和計算假定,由于Winkle假設(shè)使彈性地基梁的計算大為簡化,在實際工程上得到廣泛應(yīng)用。

        格構(gòu)梁可以簡化為Winkler彈性地基梁模型,同時假定鋼筋砼梁為彈性材料;錨索預(yù)應(yīng)力作為集中力作用在格構(gòu)梁上;假定格構(gòu)梁僅考慮縱梁對荷載的傳遞作用,則格構(gòu)錨固結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型如圖1所示。

        Winkler假定認為:土體表面任一點的壓力強度與該點的沉降成正比,即

        (1)

        式中 k為基床系數(shù)(kN/m3)。

        根據(jù)以上假定及力學(xué)模型,可推知彈性地基梁的撓曲微分方程為:

        (2)

        式中Eb、Ib為梁的彈性模量和慣性矩;b為梁寬(m);q(x)為梁上荷載。

        該方程的通解為:

        (3)

        式中 為彈性地基梁的彈性特征(1/m);y為梁的變形;待定積分常數(shù)c1~c4可由荷載位置及邊界條件確定。

        根據(jù)變形協(xié)調(diào),梁的彎矩M和剪力V分別為:

        , (4)

        實際邊坡治理工程中的格構(gòu)梁通常屬有限長梁,按有限長梁上受預(yù)應(yīng)力錨索作用,可簡化成集中力作用,當梁上有n個錨索作用時,有限長梁變形和內(nèi)力的表達式為:

        (5)

        式中I1、I2、I3分別為:

        2.2縱橫梁的荷載分配

        實際上格構(gòu)梁的橫梁與縱梁是共同受力的,則格構(gòu)梁可按交叉梁與地基之間的相互作用的受力模式來進行分析。為簡化分析,將格構(gòu)梁簡化為地基上正交交叉梁系,錨索錨固力簡化為集中荷載由橫梁與縱梁共同承擔。然后進一步簡化,將格構(gòu)梁簡化分離為兩個方向的地基上梁。根據(jù)靜力平衡和變形協(xié)調(diào)條件,對交叉點處荷載進行分配[3],最后分別按縱、橫兩個方向的彈性地基梁來進行分析。

        錨索錨固力Pi可分配為

        Pi= Pix+ Piy (6)

        式中Pi x、Piy分別表示i結(jié)點處x、y方向(即縱、橫方向)梁上的豎向分力(kN)。

        根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件,可知中間荷載作用點及角荷載作用點處的Pi x、Piy:

        (7)

        邊荷載作用點處結(jié)點荷載可分解為:

        (8)

        式中bx、by——縱、橫梁在x、y 坐標軸方向上的寬度,m;

        Ix、Iy——x、y方向梁慣性矩,m4;

        Lx、Ly——沿x、y方向梁的特征長度,m,即1/λx,1/λy, 為彈性地基梁的彈性特征,1/m。

        3 施工順序分析

        3.1工程背景

        忠武管道順溪場Ⅰ號滑坡位于重慶忠縣順溪場爛泥灣,滑坡區(qū)出露地層為侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組(J3p)厚層狀灰綠色塊狀長石石英砂巖及紫紅色泥巖,巖層產(chǎn)狀平緩(155∠5)。巖層中普遍發(fā)育一組長大節(jié)理,傾向北東,傾角中等到陡傾?;潞缶壖澳蟼?cè)側(cè)緣陡傾滑壁明顯,具圈椅樁形態(tài)。滑體上具臺階式特點,可見三個滑坎和三個滑動平臺,橫向、縱向開口裂縫均極發(fā)育,裂縫寬者達1m。前緣剪出口在管溝及公路路面處,高出路面3m左右?;虑熬売袧B水的現(xiàn)象。

        為確?;麦w的穩(wěn)定性,在公路邊順管道沿線邊坡設(shè)置格構(gòu)錨固結(jié)構(gòu)阻滑工程,格構(gòu)錨固結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆鋼筋混凝土格構(gòu)梁與預(yù)應(yīng)力錨索復(fù)合結(jié)構(gòu)。預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)在縱橫砼格構(gòu)梁的交點處,格構(gòu)梁由縱梁和橫梁組成,縱橫間距為4m×4m,橫梁3排、縱梁3列為一榀??v梁長10m,伸臂長度1m,橫梁長12m,伸臂長度2m(如圖2所示);格構(gòu)梁的截面尺寸為b×h=0.4m×0.5m,錨索設(shè)計錨固力為700kN。

        3.2 基床系數(shù)的確定:

        根據(jù)Winkler假定和該場地百分表地表監(jiān)測數(shù)據(jù),估算出該場地地基的基床系數(shù)為30MN/m3。

        3.3施工順序選擇

        為了比較最優(yōu)的施工順序,本文選擇了四種典型的預(yù)應(yīng)力錨索張拉施工順序進行分析:

        施工順序一: S7,S8,S9,S2,S3,S4,S5,S6,S1;

        施工順序二: S6,S1,S2,S3,S4,S5,S7,S8,S9;

        施工順序三: S1,S2,S3,S4,S5,S7,S6,S8,S9;

        施工順序四: S1,S2,S4,S6,S8,S9,S5,S3,S7。

        3.4縱橫梁的荷載分配

        若格構(gòu)梁的縱、橫梁材料、截面尺寸、間距均相同,根據(jù)靜力平衡和變形協(xié)調(diào)條件,對交叉點處錨索錨固力700kN進行分配,則荷載分配如下:

        中間、角節(jié)點處: Pix=Piy=350kN

        邊節(jié)點處,橫梁: Pix=1/5P=140kN

        縱梁: Piy=4/5P=560kN

        利用Winkler彈性地基梁理論,按照一定施工順序給錨索施加預(yù)應(yīng)力,發(fā)現(xiàn)錨索錨固力的施加對沒有直接作用的梁的變形影響不大,可以忽略不計,故可進一步簡化施工步驟。比如施工順序一,討論邊縱梁時可以簡化為先張拉S9,然后張拉S2,最后張拉S3,討論中間橫梁時可簡化為先張拉S2,然后張拉S6,最后張拉S1。

        分析中還發(fā)現(xiàn),按理論分配荷載計算出的變形,縱橫方向的有時并不一致,為滿足變形協(xié)調(diào)的條件,對荷載進行了重新分配。在對縱橫梁荷載進行分配的基礎(chǔ)上分別討論上述四種施工順序的內(nèi)力變化情況。

        3.5 不同施工順序下格構(gòu)梁內(nèi)力變化分析

        圖3~圖6分別是四種施工順序下邊縱梁(縱梁一)和中間橫梁(橫梁二)彎矩變化情況。圖7為不同施工順序下最終彎矩的比較。

        從圖3~圖6中彎矩圖的變化,可以發(fā)現(xiàn),在施工過程中,梁的內(nèi)力變化很大。剛開始個別錨索加預(yù)應(yīng)力時梁的最大彎矩較大,隨著各錨索上的預(yù)應(yīng)力逐個被加上,梁的內(nèi)力分布逐漸均勻,最大彎矩減少,最終彎矩只是最大彎矩的40~60%??梢娨话阍O(shè)計時按所有錨固力全部加上去來計算是不合理的。應(yīng)考慮施工過程中最大彎矩的變化,取最大彎矩的包絡(luò)線進行設(shè)計更合理。

        從保證施工過程中梁的承載能力考慮,施工順序一的最大彎矩最小,可見張拉過程中按從角開始,由外向內(nèi)進行張拉,產(chǎn)生的彎矩最小,是最優(yōu)的施工順序。

        從圖7可見,施工完成后,不論哪種施工順序,梁的內(nèi)力分布都很接近。相對而言施工順序四最終的最大彎矩較小。所以從使用階段梁的受力情況看,施工順序4最優(yōu),即先從格構(gòu)中心開始施工,然后張拉與中心錨相鄰的錨索,最后再張拉角上的錨索。

        4 結(jié)論與建議

        本文以格構(gòu)錨固結(jié)構(gòu)治理重慶忠縣順溪場滑坡為例,考慮格構(gòu)梁與地基的相互作用,在Winkle彈性地基理論的基礎(chǔ)上,分析了四種典型施工順序下格構(gòu)梁的內(nèi)力變化情況,得出以下結(jié)論并提出建議:

        1) 從使用階段梁的受力情況看,先從格構(gòu)中心開始施工,然后張拉與中心錨相鄰的錨索,最后再張拉角上的錨索的施工順序最優(yōu);

        2) 若要使張拉過程中產(chǎn)生的彎矩最小,應(yīng)按從角開始,由外向內(nèi)進行張拉,效果最好;

        3) 建議設(shè)計中采用施工過程的最大彎矩包絡(luò)線進行設(shè)計計算;

        4) 為減小施工過程中的最大彎矩,建議采用分級循環(huán)張拉方法。

        參考文獻

        [1] 莫海鴻、楊小平.基礎(chǔ)工程[M],中國建筑工業(yè)出版社,2003

        [2]龔曉楠主編 深基坑工程設(shè)計施工手冊,中國建筑工業(yè)出版社,1998

        [3]鄭剛主編 基礎(chǔ)工程,中國建材工業(yè)出版社,2000

        注:文章內(nèi)所有公式及圖表請以PDF形式查看。

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