林 順， 向 波, 蔣瑜陽, 王曉文

(四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司, 四川成都 610041)

[通信作者]向波(1973～)，男，博士，高級工程師，主要從事巖土工程方面的勘察設(shè)計與研究工作。

我國正處于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)蓬勃發(fā)展的關(guān)鍵時期,大量的公路工程新建在地形條件嚴(yán)峻、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、邊坡災(zāi)害類型多樣的山區(qū)，因此沿線邊坡工程的安全性對保障工程建設(shè)的順利進(jìn)行以及今后線路的正常運(yùn)營具有重要意義[1-2]。

框架錨索是通過對固定于穩(wěn)定巖層中的錨索施加張拉力，利用框架梁將力均勻分布在坡面上，從而形成一種主動受力的邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)。隨著錨索技術(shù)和防護(hù)工藝的日趨完善，已廣泛應(yīng)用于公路、鐵路、礦山、水電等巖土工程中[3-5]。雖然關(guān)于框架錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)的加固設(shè)計和內(nèi)力計算已有較多的研究成果[6-8]，但是這些傳統(tǒng)的計算方法假設(shè)條件較多，存在一定的局限性，且缺少模型試驗(yàn)為基礎(chǔ)進(jìn)行驗(yàn)證。現(xiàn)場監(jiān)測試驗(yàn)雖然能得到真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)下框架錨索的工作性能和狀態(tài)，真實(shí)性和準(zhǔn)確性較高，但是所需試驗(yàn)費(fèi)用較高，時間較長，隨機(jī)性較大，不便開展重復(fù)試驗(yàn)。土工離心機(jī)試驗(yàn)通過離心加速度作用可以將按尺寸縮放的試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦€原到真實(shí)的應(yīng)力狀態(tài)，可在模型內(nèi)部靈活布置各種傳感器，開展多種工況下的可重復(fù)模型試驗(yàn)，有助于我們更加直觀、系統(tǒng)地研究邊坡支護(hù)或支擋結(jié)構(gòu)的工作機(jī)理，各部件的受力狀態(tài)。趙偲聰[9]、張澤林等[10]、周健等[11]、李祥龍等[12]基于離心機(jī)模型試驗(yàn)研究了不同類型邊坡的宏觀變形模式和支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性狀。離心機(jī)模型試驗(yàn)作為一種較新的試驗(yàn)手段，鮮有關(guān)于框架錨索加固邊坡的離心機(jī)試驗(yàn)研究。

目前，對于框架錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計施工還主要依賴經(jīng)驗(yàn)，缺乏較為系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)，對框架梁的受力狀態(tài)以及框架梁下邊坡土體反壓力的分布特征尚不明確?；诖耍疚脑O(shè)計了3種不同巖性結(jié)構(gòu)組合的邊坡，通過離心機(jī)試驗(yàn)研究框架錨索支護(hù)體系加固不同巖性結(jié)構(gòu)邊坡時的受力特征及框架錨索-邊坡的相互作用。

1 土工離心機(jī)模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在西南交通大學(xué)巖土工程研究所土工離心機(jī)試驗(yàn)室進(jìn)行，該實(shí)驗(yàn)室采用TLJ-2型離心機(jī)，最大離心加速度200g，最小離心加速度10g·t，最大容量100g，有效半徑2.7 m，最大半徑3 m。包含兩個模型箱，其中大型模型箱內(nèi)部凈空0.8 m×0.6 m×0.6 m(長×寬×高)，大型模型箱內(nèi)部凈空0.6 m×0.4 m×0.4 m(長×寬×高)，離心機(jī)設(shè)備如圖1所示。

圖1 土工離心機(jī)設(shè)備

1.2 相似關(guān)系設(shè)計

根據(jù)相似三定律，以幾何尺寸、離心加速度和密度為主控量，推導(dǎo)出其余物理量的相似常數(shù)(表1)。首先確定幾何相似常數(shù)(n=Hp/Hm，Hp為原型邊坡高度，Hm為模型邊坡高度)，然后根據(jù)幾何相似常數(shù)計算離心模型試驗(yàn)加載加速度以及加載的荷載容量，與約束條件(包括模型邊坡高度、最大離心加速度、最大載荷重量)進(jìn)行比較，如果不滿足需調(diào)整幾何相似常數(shù)n，直到滿足條件為止。

1.3 模型制作及加載工況

為研究框架錨索結(jié)構(gòu)加固不同巖性結(jié)構(gòu)邊坡時的力學(xué)性狀和變形機(jī)理，設(shè)計了3種不同的邊坡結(jié)構(gòu)，分別為框架錨

表1 離心機(jī)試驗(yàn)物理量相似關(guān)系

索加固直線滑動型巖質(zhì)邊坡(上風(fēng)化巖-下基巖)、框架錨索加固基覆層邊坡(上覆土-下基巖)以及框架錨索加固均質(zhì)土坡。3個邊坡模型幾何相似常數(shù)及外部尺寸均相同，即n=50，左側(cè)高度15 cm，坡高20 cm，底部長80 cm，橫向?qū)?0 cm，上部滑動層長20 cm，坡率1∶0.75。在模型箱底部澆筑混凝土模擬基巖，直線滑動型巖質(zhì)邊坡的上風(fēng)化層材料采用河沙、石膏粉、黏土和水按7.5∶2∶2∶0.9質(zhì)量比配置而成，基覆邊坡的上覆土采用河沙、黏土和水混合攪拌均勻制成，在滑動面上鋪設(shè)塑料薄膜并涂抹凡士林以模型上下巖土體之間的相對滑動。均質(zhì)土坡的材料采用河沙、黏土和水按1.5∶1∶0.35質(zhì)量比配置而成。采用直徑為5 mm的細(xì)圓形鋼筋模擬錨索，錨固段位于基巖內(nèi)部，長270 mm，自由端位于上部坡體中，長120 mm，錨索張拉段位移坡面處，長30 mm。在錨索的錨固段、自由段均布置應(yīng)變片，布置方式如圖2所示。3個邊坡模型的錨索各部分長度及應(yīng)變片布置方式均相同?？蚣芰翰捎煤穸葹? mm，外邊長為15 mm的不銹鋼方管來模擬，并在框架梁的受壓側(cè)和受拉側(cè)布置應(yīng)變片以計算不同截面位置處的彎矩值，如圖3所示，在框架梁底部布置

(b)錨索表面粘貼應(yīng)變片圖2 錨索應(yīng)變片布置

(a)應(yīng)變片布置示意

土壓力計以獲取坡體反力的大小。3個邊坡的框架梁應(yīng)變片布置方式均相同，而直線滑動型巖質(zhì)邊坡和基覆邊坡的土壓力計布置方式相同，均質(zhì)土坡土壓力計不同方式與前兩者不同。3個邊坡的具體幾何尺寸、制作完成的邊坡模型以及土壓力計布置方式如圖4～圖6所示。

(a)應(yīng)變片布置示意

(b)框架梁表面粘貼應(yīng)變片圖3 框架梁應(yīng)變片布置

離心機(jī)試驗(yàn)加載運(yùn)轉(zhuǎn)加速度范圍為20～70g，采用以10g為一個量級的分級加載方式，加載到20g、30g、40g時分別保持穩(wěn)定狀態(tài)10 min，加載到50g時保持穩(wěn)定狀態(tài)30 min，加載到60g和70g時分別保持穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)10 min，直到試驗(yàn)結(jié)束，加載過程曲線如圖7所示。3種邊坡結(jié)構(gòu)的離心機(jī)試驗(yàn)分3次試驗(yàn)進(jìn)行，試驗(yàn)一為框架錨索加固直線滑動型巖質(zhì)邊坡離心機(jī)試驗(yàn)，試驗(yàn)二為框架錨索加固基覆層邊坡離心機(jī)試驗(yàn)，試驗(yàn)三為框架錨索加固均質(zhì)土坡離心機(jī)試驗(yàn)。

2 離心機(jī)試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 框架梁彎矩

以離心加速度為50g，錨索預(yù)應(yīng)力為400 kN的工況為例分析框架梁的縱梁和橫梁彎矩變化，采用材料力學(xué)相關(guān)公式根據(jù)框架梁的抗彎剛度EI將應(yīng)變轉(zhuǎn)變?yōu)閺澗?，圖8給出了框架梁的縱梁彎矩變化，橫坐標(biāo)表示框架梁縱梁，圖中虛線表示與縱梁相交的橫梁。圖9給出框架梁橫梁的彎矩變化，虛線表示與橫梁相交的縱梁，規(guī)定受拉為正，受壓為負(fù)。

(a)邊坡平面尺寸(單位:mm)

(b)制作完成的邊坡模型

(c)土壓力計方式圖4 框架錨索加固直線滑動型巖質(zhì)邊坡

從圖8縱梁不同位置處的彎矩變化可以看出，三個試驗(yàn)的縱梁在預(yù)應(yīng)力作用點(diǎn)附近均承受正彎矩作用，其中縱梁中部預(yù)應(yīng)力作用點(diǎn)附近所受的正彎矩值較大，上下兩個預(yù)應(yīng)力作用點(diǎn)附近所受正彎矩值較小。在縱梁的兩個端點(diǎn)位置處彎矩值為零，在兩個錨索中間部位處框架梁所受彎矩值為負(fù)。整個縱梁呈現(xiàn)出受拉和受壓狀態(tài)交替出現(xiàn)的特征。從圖9橫梁不同位置處彎矩變化可以看出，在中間預(yù)應(yīng)力作用點(diǎn)附近框架梁承受較大的正彎矩，其余各點(diǎn)均承受負(fù)彎矩，橫梁也呈現(xiàn)出與縱梁相似的受拉和受壓交替出現(xiàn)的特征。在錨索的約束下將框架梁假設(shè)為Winkler地基梁作用于坡面上，由于框架梁下邊坡巖土體材料物理力學(xué)性質(zhì)不同，所以地基反力系數(shù)也不同，因此不同試驗(yàn)的縱、橫梁彎矩值有一定的差異性，呈現(xiàn)出離散型變化，框架梁受力狀態(tài)與其下臥巖土體(地基)的物理力學(xué)性質(zhì)、軟硬程度有關(guān)。

2.2 框架梁彎矩與錨固力的關(guān)系

通過改變試驗(yàn)三中錨索張拉段的預(yù)應(yīng)力大小，研究不同預(yù)應(yīng)力下框架梁縱、橫的彎矩變化規(guī)律。開展144 kN、256 kN及400 kN錨索預(yù)應(yīng)力下的離心機(jī)試驗(yàn)，得到框架梁的中間縱梁距頂部不同位置處的彎矩值，及中間橫梁距左側(cè)不同位置處的彎矩值，圖10為不同錨索預(yù)應(yīng)力作用下，框架梁縱、橫梁彎矩的變化曲線。

(a)邊坡平面尺寸(單位:mm)

(b)制作完成的邊坡模型圖5 框架錨索加固基覆層邊坡

從圖中可以看出隨著錨索預(yù)應(yīng)力值的增大，縱梁不同位置處的正、負(fù)彎矩值均呈現(xiàn)出線性增大的趨勢，增大幅度較小。橫梁不同位置處的正、負(fù)彎矩值隨著錨索預(yù)應(yīng)力的增大也呈現(xiàn)出線性增大的趨勢，但是增大幅度較為明顯，說明橫梁對錨固力的變化較為敏感，在確定框架錨索的錨固力時，應(yīng)綜合考慮縱梁和橫梁的間距、尺寸以及荷載分擔(dān)比等因素。

2.3 框架梁下坡體壓力分析

圖11為離心加速度50g，錨索預(yù)應(yīng)力400 kN工況下，中間縱梁下坡體壓力大小分布圖，其中橫坐標(biāo)表示與坡面緊貼的中間縱梁，虛線為預(yù)應(yīng)力作用點(diǎn)位置。

從圖中可以看出三個試驗(yàn)的最大梁底坡體壓力均出現(xiàn)在框架梁中部，在縱梁上下端點(diǎn)附近坡體壓力較小。在計算梁底地基反力時應(yīng)考慮梁底坡體壓力的非線性分布，以便于框架梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計能更接近實(shí)際受力狀態(tài)。由于試驗(yàn)二的梁底坡體材料相比于其他兩組試驗(yàn)最軟，因此所測得的坡體壓力最大。試驗(yàn)一的梁底坡體材料與試驗(yàn)三的相比較硬，地震反力系數(shù)較大，所得到的坡體壓力也大于試驗(yàn)三的坡體壓力。在梁長6～8 m之間，試驗(yàn)一的坡體反力大于試驗(yàn)三的坡體反力，可能是由于坡面平整度或測量誤差引起。坡體材料的地基反力系數(shù)越大，梁底的坡體壓力越小?？蚣芰旱撞康钠麦w壓力也與梁底坡體材料的物理力學(xué)性質(zhì)、軟硬程度及松散破碎程度有關(guān)，在進(jìn)行框架錨索結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)考慮以上因素。

(a)邊坡平面尺寸(單位:mm)

(b)制作完成的邊坡模型

(c)土壓力計方式圖6 框架錨索加固均質(zhì)土坡

圖7 離心機(jī)加載過程曲線

圖8 框架梁縱梁彎矩變化

圖9 框架梁橫梁彎矩變化

(a)縱梁彎矩值

(b)橫梁彎矩值圖10 框架梁縱、橫梁隨錨索預(yù)應(yīng)力的變化曲線

圖11 框架梁下坡體壓力分布

3 結(jié)論

本文詳細(xì)地介紹了框架錨索加固邊坡的模型制作過程和離心機(jī)試驗(yàn)方案，通過框架錨索加固平面滑動型邊坡、基覆邊坡和均質(zhì)土坡的多組離心機(jī)模型試驗(yàn)，研究了不同邊坡巖性組合及不同錨索預(yù)應(yīng)力下框架錨索支護(hù)體系的受力特征和框架梁下的坡體壓力分布規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)框架梁的縱、橫梁均沿長度方向呈現(xiàn)出受拉和受壓交替變換的特征，在預(yù)應(yīng)力作用位置表現(xiàn)為較大的正彎矩，框架梁相鄰預(yù)應(yīng)力作用點(diǎn)之間受負(fù)彎矩作用，彎矩的大小與梁底邊坡材料的巖土體(地基)反力系數(shù)及錨索預(yù)應(yīng)力大小有關(guān)。梁底坡體壓力在梁中部較大，兩端較小，呈現(xiàn)出“兩頭小，中間大”變化規(guī)律，坡體材料的軟硬程度、坡面平整度、施工質(zhì)量均對坡體壓力存在較大的影響，巖土體(地基)反力系數(shù)越大，坡體壓力越小。