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预应力锚索抗滑桩的设计方法探讨摘要:本文简要介绍了弹性地基杆系有限单元法锚索抗滑桩结构体系内力计算的原理,并用陶家坡滑坡治理工程实例介绍了该方法的计算步骤,还简单介绍了预应力锚索和抗滑桩结构设计的主要内容,提出了三峡库区地质灾害防治工程中锚索应采用双层防护无粘结结构预应力锚索的建议。关键词:锚索抗滑桩,杆系有限单元法,结构计算,滑坡治理0.引言锚索抗滑桩是由预应力锚索与钢筋混凝土抗滑桩联合组成的一种抗滑支挡结构,因其具有结构受力合理、投资节省、能主动承受部分滑坡推力、位移小、对滑坡扰动小等优越性,所以目前锚索抗滑桩逐步取代悬臂式抗滑桩广泛应用于边坡治理工程中。本文将简要介绍预应力锚索抗滑桩的设计方法,包括锚索抗滑桩结构体系的内力计算、预应力锚索和抗滑桩的结构设计。锚索抗滑桩的结构内力计算滑坡治理工程中使用的悬臂式抗滑桩、锚索抗滑桩与基坑支护工程中常用的悬臂式、支锚式挡土结构的结构形式和受力模式是极为相似的,只不过抗滑支挡结构承受的推力更大一些、抗滑桩往往采用刚度较大的矩形截面。因此悬臂式抗滑桩、锚索抗滑桩的结构内力计算可以运用比较成熟的基坑支护结构内力计算的各种方法。基坑支护结构内力计算的方法大致可以分为以下四类[1]:荷载结构法,如等值梁法、太沙基法等;修正的荷载结构法,如山肩邦男法和《日本建筑结构基础设计规范》中弹性法和弹塑性法;弹性地基杆系有限单元法;连续介质有限单元法。第一、二类方法由于不能考虑桩(墙)变形时土压力的变化和支锚轴力的变化、不能考虑支锚施加预应力时桩(墙)内力和位移的变化、不能考虑桩(墙)和支锚的变形以及桩(墙)与土体的相互作用,采用这些方法所得的计算结果误差较大。第四类方法虽然更加合理可靠,但由于计算参数多而且难以准确确定以及受计算机容量和速度的限制,目前还没有得到广泛的应用。第三类方法的计算模型简单、设计参数少,能模拟桩(墙)与土的相互作用,能模拟出桩(墙)的变形而引起支锚轴力的变化,能考虑支锚预加力对桩(墙)内力、位移的影响。目前运用该方法编写的应用软件较多,因此该方法目前被广泛应用于基坑支护工程设计,近年来该方法开始应用于边坡治理工程的抗滑桩、锚索抗滑桩的设计。目前地质灾害治理工程中运用得比较多的理正抗滑桩设计软件也是采用该方法的原理编写的。1.1弹性地基杆系有限单元法分析原理弹性地基杆系有限单元法计算图示如图1[2]:帐该方法将主动摆土压力卡(今e独aik茅)作为已知荷蓬载,地下桩(敢或墙)视为竖胸向弹性地基上店的梁,支撑(贴或锚杆)甜图艰1态健弹性地基杆系火有限单元法法慨计算图示尿和被动土压力键侧的土体均视式为与其弹性模尤量及截面积有班关的弹簧。该微方法首先把桩望或墙分为若干秆段,每个分段趁作为一个梁单塔元。每道支撑叨(或锚杆)假袄设为一根弹簧荒,在被动土压充力区各个结点患下分别假设为侵一根弹簧,弹边簧的作用可按得通常的弹性地遵基梁方法假定拢,既可采用弹垫性地基梁的局量部变形理论,搂即蠢Winke匆r侨假定,也可以骗考虑土体弹簧央之间的相互影伶响,即采用所购谓的整体变形卧理论匀[亭1冶]抬。陈支撑(或锚杆乏)的水平刚度怜系数按有关规稻程的锚杆基本个试验确定。对剧于锚杆,当无物试验资料时,友可按下式计算虫[与2举]贫:杠滔叹音(短1孔)捡式熟中融道A吃—寸杆体截面面积膜;稍E箱S妻—触杆体弹性模量晒;允A竿c腿—锡锚固体截面面扔积;存L兄f热—僵锚杆自由段长董度;西θ香—朵锚杆水平倾角毛;置E军c跌—袖锚固体组合弹幅性模量,按下赤式确定骆[跃2砖]升:细捎什栽(姻2网)渗式泰中怖全E垄m帆—氏锚固体中注浆拉体的弹性模量胃。惠第码i执根梨“悟弹浴簧万”蜻的刚度运k食ai矿代表基底面积广b黄(肚L吐i优+L过i+1若)腿/奴2箩上的集中变基窗床系数构[篮3摩]最。当采团用势Winke扫r渐模型时:绣土反显力筋劣p=k勿ai鄙δ聚k剂ai涉=ah枣n东式与中腥尽p团—觉被动侧桩的弹柳性土抗力发(象k折N冲);买派k旱ai抖—闸被动侧土的弹虾性抗力系数;订蹲δ鼓—别桩的位达移种(拣m);响烫h哀—惜从基坑底面或玉滑动面起算桩方的埋深。哈根据计算系数忧a行、务n穷的不同,形成俱不同的计算方赔法:递n=1享,唯a=m述:称杏为庭“狱m召法诵”锋;辉n店=0.予5陵,壳a=c拘:宾作称优为专“映c寨法损”嗽;途n彼=搜0府,凤a=k醋:订尾称州为查“羽k沿法恰”脑。怜桩(墙)内力宽的矩阵方程为欧[浸4倦]廊:帅[[像K臭z碑]到+远[岗K灰a猴]糖+锤[拆K年a0淡]]{稍δ扑}谣=持{互p要}朝山袋(凳3痛)招[盏K常z魄]衰—朝桩的弹性刚度财矩阵;嚷[届K闹a番]职—膛被动侧土体的激弹性刚度矩阵单;尺[倒K浙a0呈]简—拒被动侧土体的楚初始弹性刚度朱矩阵;草{乎δ疤}遇—谎桩的位移矩阵渔;迷{疑p尊}拍—篇桩的荷载矩阵未。至桩底点的边界狱条件有:自由净、铰支、嵌固域。弦第伏j设层支点边界条易件为杂[厕2哪]俘:嫌T负j腥=k盘Tj席(姐δ料i族-涂δ钥0i计)乱+T梨0j覆T知j才—歌第醋j杏层支点支点力乏;肤k丙Tj叔—敢第拢j煤层支点水平刚尝度;例δ致i除—雪第挤j劲层支点水平位隐移;纯δ壶0i店—割支点设置前的锅水平位移;杰T胞0j墨—腾第侵j关层支点预加力桃。蛮1.具2利弹性地基杆系饰有限单元法锚呜索抗滑桩内力荡计算实例求默计算实例为三迁峡库区秭归县逃归州镇陶家坡夜四号滑坡治理骗工程的锚索抗科滑桩。该滑坡萄的剩余下滑己力侦E=876k帜N/黎m根,抗滑桩桩敌长勇22但m堂,其中挡土段多长榨14筛m避,嵌岩段环长化8拆m齐。桩的中心珍距去5.5排m控。桩的截迎面且1.8×2.涝8偏m达,混凝土强度别等帅级屈C2妙5栗。桩顶设一狡束费1000k潮N溜级锚索,采砖用秋7别根强度等发级帆1860MP秩a绢的霸7巡φ所5询钢绞线,其渔Es扬=1.9×1文0恭5稀MP擦a鸣,斤A宽=7×139榜mm滋2蒜,一束锚索的坏承载力设计辆值续Pa=108众7.8kN(熄0.6Pu虚)金,锚索自由段诉长村25脸m垮,锚固段令长滚8燥m询。锚索倾始角领20欧°讲。滑床为粘土蔑岩胜,腐0~4惰m么风化带男k忠ai上=80~10劈0MN/m锋4椒,梅4或m勇以下弱风化带享k盯ai派=300MN耻/m述3天。滑体碎块石字土的吉k躲ai虎=60MN/真m死4尾。计算软件为滴理正抗滑桩设集计软件和弹性霉地基杆系有限全单元法软件。芒猫聋无预加力时锚铅索抗滑桩内力歇计算根弹性地基杆系详有限单元法锚朵索抗滑桩计算石图示及计算结球果见申图豪2骤:欲唤图怜2较旋无预加力锚索瞧抗滑桩内力图弹计算得:锚索晚分配的水平拉艰力瞒T论1催=562.1缠9k剃N途,桩顶位含移膨83m公m池,桩身最大弯边矩凭=28534挠.9kN·扒m全、距桩陶顶仆15.33均m兴,最大剪颤力何6814.8啦k没N绳、距桩陡顶站19.33帝m血。故1.2.鞭2誉有预加力时锚懒索抗滑桩内力乱计算出锚索施加预加煎力塑T拿0钓=泊437.8k徒N秤,使锚索在使虫用阶段承受的尚水平拉力达到大预设的承载力闹设计值水平分病力槐T=1000淹k壤N殃。录赴滴尺村冲有预加力时锚揪索抗滑桩承受办的荷载一是滑膝坡推力,二是织锚索预加力。沉在满足小变形粪假定的条件下窑,桩身内力可乐由各分力单独照作用时的结果旁叠加得出。调预加力单独作辞用时桩身内力删采用弹性地基狡杆系有限单元爹法软件计算,液计算图示和结冲果见抹图戒3称。登百用图判3鸭汤预加力单独作钞用抗滑桩内力肚图学图中:扣T绑0用—冻锚索的预加力笋。年计算得最大反碧弯服矩版6253.4拾kN·广m徒、距桩孕顶粘14宰m挖,最大剪评力漫1302.3粒k善N胶、距桩耻顶漠18纸m距,桩顶反向位症移谈13.1m欧m刊。摊滑坡剩余下滑菠力单独作用于插锚索抗滑桩的埋内力已在蚕(暗1嘱)中算出。将闸图加2滩、生图忆3电对应叠加即得秋有预加力锚索挑抗滑桩结构内矛力图(灵图那4祖)。探图喝4轰蒙有预加力锚索咐抗滑桩内力图赴叠加后得有预德加力锚索抗滑挂桩的桩顶位蒙移泳69.9m狮m造,桩身最大弯英矩捞22356.豪4kN·积m京、距桩阴顶灾15.27屋m浊,最大剪描力娱5543.3政3k心N盯、距桩植顶你19.31茅m饱,锚索承受的瑞水平拉掠力婆T列从存T植0么(急437.8k仔N哀)增加毒到难T仇0验+T祖1是(份1000k跟N州)。像光岩将寸图汉3怪、颗图用4锹进行对照可以肾发现预应力与泊滑坡推力的作顺用相反,所产争生的桩身内力秧也相反。叠加您后桩的内力减结小且趋于均匀赢,桩的位移减绕小。这正是施六加预加力所要椅达到的目的。大栏卧以上有预加力即时锚索抗滑桩慈内力计算是分测两步进行的,城在一些弹性地争基杆系有限单达元法基坑支护锁工程结构计算蚕软件中只需将魂预加力、滑坡闹推力等参数输刑入后就可以一韵步得出计算结扭果。漆1.2.策3扣预应力阶段锚控索抗滑桩内力键计算警考虑到由于地成层蠕变、锚具伐滑移、钢绞线端松驰等原因引微起的锚索预应抢力损失,锚索卡预应力通常增启加促1沾0法~异15波%显实施超张拉,千本工程施工时伸锚索的锁定荷蹈载水平分力按虚如下方法确定幼:橡T茂0旱′拢=1.15志T泥0研+0.15谜T般1栋=1.15×跳437.8+心0.15×5露62.19=胃587.8(慕kN)喜施加预应力阶皇段桩身内力、画位移仍用弹性腿地基杆系有限饿单元法计算,单计算图示如携图窝5元,此时由于施苏工阶段滑坡还洋没有滑动,所疤以计算中要考溜虑滑体土对桩社的支承作用,刃因此整个桩都喘作为弹性地基梯上的梁,但滑奴面上、下岩土扬的弹性抗力系艘数不同。本工兵程滑体的付k问ai惑取横60MN/m偿3乳。计算得桩顶赔位民移羞-0.7m幼m咸,桩身最大反滤弯朽矩垦1123.8船kN·本m捎、距桩托顶壳4.94哭m中,最大剪止力插587.8k谱N享、在桩顶。施斥工阶段预应力裙作用下桩身内至力、位移见有图讽5穴。垦图繁5怎驶预应力阶段抗奴滑桩内力图柿杰绘制桩身内力夫包络图帐根据使用阶段眯、预应力阶段肝桩身内力图可跨得桩身内力包亿络图(犯图疲6董),桩身内力撕包络图为桩身哥最不利内力图迁,为抗滑桩配垫筋设计的依据凭。拐锚索抗滑桩的掉计算过程中要挤反复调整桩间巴距、桩的截面叫尺寸、锚索的懒刚度系数和预蔬加力值等进行肠计算直到满足倦各项设计要求躲,而且桩的截稳面与锚索的吨彼位要互相匹配苍。舅一般要求抗滑货桩的间距币取砖6绣~廊10麦m宪,桩的截面宽旷度扁取阻1.堂2宜~元2.5牲m脱,截面高度为愁宽度厚的让1.皱5舱倍左右。桩的辟嵌固深度对于患土层或软质岩肿层约怀为虹1/胁3寇~貌1/务2蚕桩长比较合适文,对于完整、简较坚硬的岩层亭,可以采喊用节1/已4徐~阻1/贡3玉桩长。通常在且桩顶设一束锚旅索,必要时设舍两束,一束锚灭索的承载力设类计值慌在掩50落0吃~扬2000k衰N浊之间。现行有吐关坟图五6甘蚂预应力锚索抗作滑桩桩身内力铸包络图药规范已明确要望求校核桩后岩剧土的地基承载著力,对于桩顶医位移和桩身裂忠缝宽度,当有究特殊要求时尚太应进行验算。粗2裕.议锚索与抗滑桩练的结构设计搅2.莫1怀预应力锚索据垄煤预应力锚索设社计包括:一、母锚杆体的选型叠,二、锚杆体恒的结构设计,夏三、锚杆体的宁防腐设计,四熟、张拉力的控巨制和张拉程序超设计,可遵循即《水电工程预转应力锚固设计因规范在》袋DL/T51仍76-300化3台进行设计。由椅于三峡库区地键质灾害治理工挪程位于水库岸哗坡地带,三峡引地区降雨丰沛浆,岸坡地下水偿活跃,锚索往构往长期处在地奋下水环境中,泳所以锚索的防绑腐设计尤为重脊要。目前,欧咳、美、日本等渡技术先进国家肌的锚索普遍采公用具有双层防馆护的电绝缘型占锚索,而且英睁国、德国等欧奴洲国家的岩土遇锚索规范中均谋要求永久锚杆盘(索)必须采滋用双层防护的般无粘结结构。葛我国在三峡永四久船闸高边坡胆工程中,在学盟习国外先进锚债索的基础上成牵功开发了全长尺双层防护无粘减结结构锚索砌[盆5墓]京(见翁图版7舒)马这种锚索已经茅在三峡永久船奔闸高边坡监测痛锚索、水布垭喂水利枢纽、大浪潮山水电站地语下厂房和三峡肢库区秭归县归搬州镇陶家坡四井号滑坡、马槽惜岭滑坡等治理闯工程中得到应包用。龟图计7俭用双层防护无粘糕结结构预应力陵锚索结构图灰图司7尽中锚索钢绞线立采用带油脂和桃塑料套管的无绵粘结钢绞线。亮锚具采用工厂筐生产的定型产蜓品,锚索的对谜中隔离架为塑妙料制品,波纹顾管材质钱为第PV洲C鲁管。内锚段钢滔绞线剥皮并绑晒扎成枣核状,呼锚索全长套塑宴料波纹管,波可纹管内外均灌描注水泥浆或水薄泥沙浆。锚索窗张拉锁定后,肥孔口附近的空当隙灌注水泥浆偷或水泥沙浆。荡整个锚索体均裂达到了双层防洲护。皂这种锚索有三灰大优点:一、楼防腐可靠性好挖,二、自由段灵能自由伸展,熔三、锚固段为相压力分散型,溉能提供较大的蓝锚固力,在软倡岩地层中当需皂要较大的锚固挨力时更显示出催这种锚索的优仓越性。因此笔隔者建议在三峡绒库区地质灾害租防治工程中强楚制性要求采用容双层防护无粘语结结构撤锚索。2.2抗滑桩熊抗滑桩的配筋夸按受弯构件进片行设计。纵向已主要受力钢筋您的设计根据弯调矩图萌(彻M沟图)。由于在族桩长范围内弯爽矩变化很大,矛为了接省钢筋扩,冠可以将禁主要受力钢筋粉截断。沙根据绕《混凝土结构蝶设计规范》熔GB5001雕0-2002商,钢筋亭截断惯应符合以下规障定卸:党当优V骆≤否0.07卧f铜c环bh婚0倘时,牢应延伸至按正坡截面受湾承载仪力计算不需要嘉该钢筋的截面恶以外不小跪于态20截d疲处截断,且从柱该钢筋强度充愚分利用截面器伸出的长度不范应小于浪1.2沙蛮l办a赞;逆当康V俩>悉0.栗07f售c皂bh脂0质时居,欲饱应延伸至按正恐截面受湾承载辜力计算不需要教该钢筋的截面泽以外备不小于硬h蚁0袍且不小屑于傻20玩d狸处截断,且从卵该钢筋强度充协分利用截面伸路出的长度不应士小于最1.2金崖l腰a揭+h柴0拼。式中:电f膝c她-悼混凝土的轴心黄抗压强度设计言值;宾方b稼-少桩的截面宽度莫;草槐h今0部-睡桩的有效截面妙高度;的马l祥a慕-梁纵向钢筋的最爷小锚固长度。传抗滑桩的箍筋率的设计根据剪后力图下(沟V向图)。宁当若V姓<索0.07猎f邀c庙bh咐0莫时,按构造要页求(满足最小昼配箍率)配箍窃;邮当狠V领≥迷0.待07衫f蜂c遍bh榜0稿时聚,桥按公式奉V秀cs禁=艇0.07惧f娇c死bh蓝0扮+1.5f蹈yv逃设母计刊,丧同时应满足最债小配箍率的要深求。式中:房V添cs酬-有斜截面的抗剪节能力;伞市f午yv炎-颗箍筋抗拉强度鹅设计值;法A灵sv1姿-衣单肢箍筋的截保面积;侮n颈-肺同一个截面内瓣箍筋的肢数;虫s朗-邪箍筋的肢数。拍竟砖由于抗滑桩的淹截面往往比较哈大,混凝土的系水化热较高,塌为了抵抗混凝蜜土温度变化或及收缩所产生的直内力,在抗滑策桩的截面宽度条方向需布置适欲量拉筋。拉筋因采盖用蹲Ⅰ饰级钢筋,直径恒一般溉为阴1雾0身~学14m背m陪。工以岛秭归县归州镇讲陶家坡四号滑辫坡治理工程抗沾滑桩训的亡配筋毅设计为例,其此配筋图
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