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        基于極限平衡法的錨索框格梁支護設(shè)計

        2022-03-21 02:33:34龍小鋒
        青海交通科技 2022年2期
        關(guān)鍵詞:設(shè)計

        龍小鋒

        (甘肅公航旅路業(yè)有限公司 蘭州 730070)

        0 前言

        隨著我國國民經(jīng)濟與科技水平的發(fā)展,高速公路工程的建設(shè)飛速發(fā)展。有研究資料表明,截至2019年初,我國高速公路總里程突破了14萬km,高速公路網(wǎng)日趨完善[1]。高速公路網(wǎng)逐步向多山、深谷地區(qū)發(fā)展的過程中,面臨著地形復(fù)雜、不良地質(zhì)發(fā)育、自然災(zāi)害頻發(fā)等問題,公路工程施工不可避免地遇到路塹開挖、高邊坡支護等問題,這對項目實施和施工進度帶來了極大的挑戰(zhàn)[2-3]。山區(qū)公路修建過程中,當邊坡的高度與坡度較大時,其穩(wěn)定性是整個邊坡工程的控制性因素,高邊坡的失穩(wěn)會導(dǎo)致該區(qū)域發(fā)生泥石流、崩塌、錯落、滑坡等病害,進而導(dǎo)致災(zāi)難性的后果[4-6]。

        1 公路工程高邊坡穩(wěn)定性分析

        1.1 高邊坡穩(wěn)定性影響因素及破壞

        由于施工現(xiàn)場環(huán)境多變,地質(zhì)條件復(fù)雜,公路工程高邊坡施工過程中的穩(wěn)定性受多種因素影響,結(jié)合以往專家學者的研究,可以將邊坡穩(wěn)定性影響因素分為內(nèi)因和外因兩類:內(nèi)在因素大致包含邊坡的內(nèi)應(yīng)力、巖體及土體物理力學性能、邊坡高度、地質(zhì)構(gòu)造、巖體及土體風化程度等;外在因素包括地下水、降雨量、地震活動、風化作用、地表植被等自然因素,也包括爆破、行車振動、路線形式、邊坡改造活動、施工方法等人為因素。高邊坡穩(wěn)定性分析中,內(nèi)在因素對高邊坡的設(shè)計、施工、防護、失穩(wěn)等起控制性作用,外部因素則誘導(dǎo)邊坡失穩(wěn)而發(fā)生對應(yīng)的破壞[8-12]。

        研究表明,公路工程高邊坡的失穩(wěn)破壞按照其內(nèi)部的變形與位移發(fā)展過程,可分為變形和破壞兩個階段[11]。邊坡內(nèi)部的滑坡體穩(wěn)定性被破壞發(fā)生變形,但尚未形成貫通性破壞面的階段為變形階段。變形階段的破壞模式主要有松動和蠕動兩種,松動主要發(fā)生在邊坡形成之初,滑坡體出現(xiàn)與邊坡表面平行的陡傾角張開裂隙,對邊坡的坡體產(chǎn)生較強的切割作用,使之不斷向邊坡的臨空面滑移;蠕動是滑坡體受到重力作用后,使之朝著邊坡臨空面產(chǎn)生緩慢的長期變形。

        當松動和蠕變的變形量發(fā)展到一定階段時,坡體中形成貫通性的破壞面,之后以一定的加速度發(fā)生位移,則邊坡進入破壞階段。邊坡進入破壞階段后,隨著位移量的增加,會導(dǎo)致坡體出現(xiàn)崩塌、滑坡、坍塌、傾倒、錯落等破壞形式,引發(fā)災(zāi)難性的后果。

        1.2 極限平衡法的分析過程

        基于定量分析的極限平衡法是邊坡穩(wěn)定性分析的傳統(tǒng)方法,計算過程相對簡便,在實際工程中被廣泛應(yīng)用且獲得國內(nèi)外學者的高度認可。利用極限平衡法求解問題時,將邊坡工作過程中受到的所有力簡化到同一個平面上,將邊坡位置復(fù)雜的巖土體簡化為不發(fā)生變形的剛體[13-14]。

        極限平衡法的目標在于求解邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)[13]。先依據(jù)實際工程地質(zhì)資料確定邊坡的結(jié)構(gòu)面,進而綜合考慮其受力性能后確定可能發(fā)生失穩(wěn)的潛在滑裂面作為計算巖體下滑的軟弱面,其破壞規(guī)則遵循摩爾—庫倫準則。對潛在滑裂面進行受力分析,對應(yīng)位置的抗滑力和下滑力的比值即為安全系數(shù)。

        如圖1所示的巖質(zhì)邊坡ABEG,由于滑動面AD的滑動力F和抗滑力Fr的變化,會導(dǎo)致滑動體ABCD沿滑動面產(chǎn)生下滑。

        圖1 巖質(zhì)邊坡受力分析圖

        采用極限平衡法分析邊坡穩(wěn)定性時,認為滑裂面與巖體中張拉裂縫的走向與坡面的走向互相平行,在深度為Z的裂縫中對應(yīng)的充水深度為ZW。由于滑動體對應(yīng)的巖體本身不會發(fā)生滲水,因此水分是沿著垂直方向的張拉裂縫滲透進入滑動體內(nèi)部,假定水壓力沿著裂縫深度呈線性分布。此外,滑裂隙中水的推力PW、滑裂面位置的上浮托力Ff、滑動體的重力W均作用在滑動體的中心,故滑動體只是沿著滑裂面滑動,而不產(chǎn)生轉(zhuǎn)動,且滑裂面的抗剪強度遵循庫倫準則τ=c+σtanφ。

        1.3 邊坡穩(wěn)定性分析

        根據(jù)巖質(zhì)邊坡破壞形態(tài)的差異,巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析的極限平衡分析方法可分為單平面滑動、多平面滑動、楔形滑動、傾倒和圓弧滑動等破壞。為簡化分析過程,以單平面滑動破壞為例,介紹極限平衡法在巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用。

        目前我國地鐵建筑工程的施工人員幾乎每天都會有變動,流動性比較大,在建筑單位進行進場前的安全教育培訓的過程中,加大了工作量,導(dǎo)致安全培訓過與形式化,不能將培訓效果最大程度的發(fā)揮出。當相關(guān)工作人員沒有安全意識時,就會非常容易出現(xiàn)安全事故。

        如圖1所示,巖質(zhì)邊坡單平面滑動過程中所受的力包括裂隙中水的推力PW、滑裂面位置的上浮托力Ff、滑動體的重力W、錨固力Fm、黏聚力Fc。依據(jù)簡單的力學分析可知,滑動體受力為[13]:

        (1)

        (2)

        Fc=cL

        (3)

        依據(jù)庫倫定律,巖體ABCD的下滑力F為:

        F=[Wsinα+PWcosα-Fmcos(α+λ)]

        (4)

        阻止滑動體向下滑動的抗滑力Fr為:

        Fr=[Wcosα-pWsinα-Ff

        +Fmcos(α+λ)]·tanφ+cL

        (5)

        由(4)式和(5)式可得巖質(zhì)邊坡的安全系數(shù)ζ為:

        ζ={[Wcosα-pWsinα-Ff

        +Fmcos(α+λ)]·tanφ+cL}

        ÷Wsinα+pWcosα-Fmcos(α+λ)

        (6)

        式中:γW為水的容重;c為內(nèi)聚力;L為滑動體的長度;φ為內(nèi)摩擦角。

        基于式(4)~式(6)所述的極限平衡法分析過程,結(jié)合實際工程的地質(zhì)資料,可以初步得到對應(yīng)邊坡的安全系數(shù),判斷其發(fā)生滑動的可能性,并為后續(xù)支護方式及參數(shù)設(shè)計、施工方法選擇等提供依據(jù)。

        2 基于極限平衡法的錨索框格梁設(shè)計

        2.1 工程概況

        該項目是我國西南某地干線公路網(wǎng)的組成路段,主線為雙線4車道高速公路,設(shè)計速度80km/h,線路全長235.966km?,F(xiàn)場勘探資料表明,上述三段均處于構(gòu)造剝蝕中、低山地貌區(qū),地表水為當?shù)睾恿?,與線路中心距離約150m,無其他明顯地表水體,路線區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度。

        根據(jù)現(xiàn)場資料,項目全線共有3處風險等級為Ⅲ級的高度風險邊坡工程。其中里程K143+490.00~810.00段為巖質(zhì)邊坡,全長320m,坡高68.6m,坡高1~5級分別為10 m、10 m、10 m、10 m、28.65m。設(shè)計為五級邊坡,每級邊坡設(shè)置2m平臺,設(shè)計坡率為1∶1,采用錨索框格梁防護。K143+720典型斷面如圖2所示。

        圖2 里程K143+720典型斷面圖

        該段地質(zhì)巖土自上而下分別為粉質(zhì)黏土、強風化砂巖、中風化砂巖。地質(zhì)勘探資料顯示,該里程范圍內(nèi)坡體平均內(nèi)聚力為10.5kPa,平均內(nèi)摩擦角φ為30°,自然坡度為40°,孔隙水及裂隙水的平均埋深為10.5m,巖土體天然重度取13.75kN/m3。

        2.2 錨索的索力設(shè)計

        依據(jù)(6)式所述的邊坡穩(wěn)定性分析,當邊坡的抗滑力Fr大于滑坡體的極限滑動力F時,滑動體處于穩(wěn)定狀態(tài)。錨索框格梁通過將預(yù)應(yīng)力錨索穩(wěn)固地錨固于邊坡坡體內(nèi)部的穩(wěn)定持力層,依靠坡體自身強度和可靠的自穩(wěn)能力使體系產(chǎn)生足夠的抗滑力[13]。以滑動體產(chǎn)生滑動的臨界狀態(tài)為限值,設(shè)計錨索索力的臨界值。由(6)式可知,當安全系數(shù)ζ=1時,滑動體處于臨界狀態(tài)。因此,可得錨索的臨界索力為:

        Fm=[W(sinα-tanφ·cosα)

        +pW(cosα+pWtanφ·sinα)

        +Fftanφ-cL]/cos(α+λ)·(tanφ+1)

        (7)

        將本項目對應(yīng)的地質(zhì)數(shù)據(jù)代入(7)式,得到臨界索力為805.6kN,低于實際工程中采取的索力1040kN,錨索最大極限張拉力為索力的一半。

        2.3 錨索錨固角設(shè)計

        依據(jù)(6)式所述的邊坡穩(wěn)定性分析,邊坡的抗滑力Fr大于滑坡體的極限滑動力F時,滑動體處于穩(wěn)定狀態(tài)。錨索框格梁通過將預(yù)應(yīng)力錨索穩(wěn)固地錨固于邊坡坡體內(nèi)部的穩(wěn)定持力層,依靠坡體自身強度和可靠的自穩(wěn)能力使體系產(chǎn)生足夠的抗滑力[15]。錨索的受力分析如圖3所示。

        圖3 錨索受力分析圖

        由圖3可知,錨索通過在平行垂直于滑動面兩個方向上產(chǎn)生錨固力,使框格梁體系產(chǎn)生足夠的抗滑力。錨固角不同,所產(chǎn)生的抗滑力大小會產(chǎn)生較大的差異??紤]施工成本的基礎(chǔ)上,為使錨索達到最佳的受力狀態(tài),選用最大抗滑力對應(yīng)的錨固角為最優(yōu)錨固角[15]。如圖3所示,根據(jù)力學平衡原理,可得錨索持力后提供的最大總抗滑力為:

        Fr=Fv+Fn

        =FT[sin(α+β)tanφ+cos(α+β)]

        (8)

        式中:FT為錨索極限承載力;Fn、Fv分別為Fr的水平分量和垂直分量;β為錨固角。

        結(jié)合(4)~(6)式,依據(jù)設(shè)計所提供的錨索極限承載力及實地勘探所得的地質(zhì)資料,計算得錨固角為25°。實際工程中取錨固角為30°,以保證錨固性能,偏安全地設(shè)計錨索工作性能。

        2.4 錨固段長度、錨索長度及間距

        實際工程中錨索框格梁的錨索錨固段長度、錨索材料、錨索長度及錨索間距等參數(shù),在滿足錨固力設(shè)計要求的基礎(chǔ)上符合構(gòu)造要求。錨索的構(gòu)造需綜合考慮經(jīng)濟成本和加固效果。錨索長度包括錨固段、自由段和鎖定頭。錨索的總埋深應(yīng)大于潛在滑裂面的深度,巖層錨索的錨固長度應(yīng)大于3m。

        此外,預(yù)應(yīng)力錨索的耐久性是制約其使用壽命的重要因素之一,對支護效果起控制性作用,需對錨索采取防腐措施,如涂覆防腐涂層、外套防腐塑料管等。設(shè)置錨索的間距過小時會引發(fā)群錨效應(yīng),降低單根錨索的工作效率,顯著增加施工成本。因此,依據(jù)規(guī)范規(guī)定,本項目錨索框格梁錨索的各個參數(shù)取值如表1所示。

        表1 錨索框格梁錨索的參數(shù)取值(單位:m)

        為保證錨固效果,本項目錨索由四根φ15.2mm、強度為1860MPa的高強度低松弛無黏結(jié)的鋼絞線組成。為保證防腐效果,對鋼絞線進行除銹處理,涂刷強力防腐涂料。在自由段涂防護油并套上厚度為1mm的原生塑料管。自由段與錨固段相接處采用止水效果較好的黏膠帶纏封。與實際工程的保守型設(shè)計對比后發(fā)現(xiàn),采用極限平衡法設(shè)計的錨索參數(shù)符合施工要求。

        3 結(jié)語

        錨索框格梁通過將預(yù)應(yīng)力錨索穩(wěn)固地錨固于邊坡坡體內(nèi)部的穩(wěn)定持力層,依靠坡體自身強度與自穩(wěn)能力使體系產(chǎn)生足夠的抗滑力,錨索工作性能是影響其支護和加固效果的主要因素之一。采用極限平衡法求解邊坡穩(wěn)定系數(shù)的思路,基于巖質(zhì)邊坡單平面滑動破壞的受力分析,反算得到了錨索的臨界索力;依據(jù)對錨索的受力分析,結(jié)合實際工程的地質(zhì)參數(shù)設(shè)計了錨索索力、錨固角、錨固段長度、錨索長度及間距等參數(shù)。將計算得到的錨索設(shè)計值與實際工程采取的錨索工作參數(shù)對比表明,采用極限平衡法設(shè)計的錨索工作參數(shù)能滿足施工要求。

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