麻竹高速公路边坡加固中的格构锚固优化研究

第２８卷第２期　２０１４年４月　土　工　基　础　Ｓｏｉｌ　Ｅｎｇ．ａｎｄ　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｖ０１．２８　ＮＯ．２　Ａｐｒ．２０１４　麻竹高速公路边坡加固中的格构锚固优化研究　黄槐轩　，黄志刚　，汪　斌。，朱杰兵　（１＿湖北交投襄随高速公路建设指挥部，湖北宜城４４１４００；２．长江科学院水利部岩土力学与３－＿程重点实验室，武汉４３００１０）　摘要：格构锚杆（锚索）组合加固技术兼顾深层加固与浅层护坡，在高速公路路堑高边坡防护中被广泛采用。针　对格构梁优化设计中的一些问题，采用十字交叉格构节点处荷载分配方法，将坡面假定为弹性地基，运用Ｗｉｎｋｌｅｒ　弹性地基梁理论进行格构梁内力对格构梁的形态参数（间距、截面尺寸、悬臂情况等）的敏感性分析。研究表明：地　基梁剪力和弯矩的差异主要表现在边跨上，靠近中间部分弯矩趋于～致；梁的弯矩要比剪力对截面尺寸、间距更为　敏感；格构梁的设计应选截面较高、间距稍小、两端悬臂且大约为间距１／３的地梁。研究成果对格构锚同的参数优　化具有一定的参考价值。　关键词：格构锚梁；路堑边坡加固；优化设计；文克尔弹性基础梁理论　中图分类号：ＴＵ４７２　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００４—３１５２（２０１４）０２　００６８—０３　１　引言　２格构框架梁内力分析　麻（城）竹（溪）高速公路随州西段、襄阳东段、宜　钢筋混凝土格构梁是由纵梁和横梁交叉连接而　城至保康段是新增国家高速公路网上海至安康高速　成，锚杆集中荷载通过纵横梁共同作用传递到地基　公路（Ｇ２３）的重要组成部分，也是湖北省高速公路　上。计算了每个结点荷载在纵横向分配力的大小　“七纵五横三环”骨架网络中的一横。其中，宜城至　后，格构梁可以看作一个个独立的横向或纵向单向　保康段坡高３０　ｍ以上的高路堑和高路堤共计５３　条形基础，然后可以计算每个单向条形基础受力后　个，边坡总长度为７６１３　ｍ，边坡多采用锚杆（索）框　对荷载的传递作用（图１），格构梁与坡面之间传力　架梁等　程防护型式。　界面以及锚杆力与锚固端均采用土弹簧模型连接　（图２）。纵横向基础梁上所分配的荷载一旦确定，　边坡防护的结构体系多种多样，如预应力锚索、　就可按纵横向梁所分配的荷载，以单向条形基础进　锚杆、抗滑桩、挡土墙等，这些加固措施能起到较好　行计算，根据上面分析，此格构梁可认为是弹性地　的深层加固效果，但忽视了浅层坡面防护，治理效果　基，故对单向条形基础可采用ｗｉｎｋｌｅｒ地基上梁法　较单一。麻竹公路的高边坡防护工程大量采用了格　进行内力计算，有限长梁的解法可参考文献［５—８］。　构锚同，又称锚杆（锚索）框架梁防护技术。该法是　通过钢筋混凝土格构梁将锚固力传递给坡体，改善　坡体应力状态，使坡体受压，产生抗滑力，从而达到　稳同坡体的目的。格构锚杆组合加固技术既兼顾深　层加固与浅层护坡，又可利用框架梁的表层锚固进　行植被护坡，美观大方，适用于整体稳定性差、表层　坡面需防护的高陡边坡的整体防护治理，其加固效　果可靠、施工安全快速、后期维护方便，综合造价及　图１格构锚固示意图　社会经济效益优于传统的重型支挡结构。　格构锚设计一般格构梁纵横向截面尺寸一致，　收稿日期：２Ｏｌ３一Ｏ２　２７　基金项目：交通运输部科技项目（２００９３５３３４２５３０）、国家自然科学基金项目（４】２７２３５０、５１２０９０２０）　作者简介：黄槐轩（】９６３），男．高级　程师，研究方向为高速公路路桥技术及公路建设管理。　第２期　黄槐轩等：麻竹高速公路边坡加固中的格构锚固优化研究　＼　＼　图２格构锚固力学模型　每根锚杆锚固力设计值也相同，且纵横梁两段都存　在悬臂，依据Ｗｉｎｋｌｅｒ弹性基地梁理论，所有结点均　为内柱，节点横纵向分配的荷载相等。在计算单根　梁的内力时，可取锚杆锚固力设计值在垂直坡面方　向分量的１／２作为作用在格构梁上的集中力。　３　格构框架梁结构优化设计实例　３．１　工程概况　麻竹高速大坪１号大桥起点Ｋ６６＋０４５一ＺＫ６６　＋１８０左坡，坡高３６．７９　ＩＴＩ，地质钻探揭露为中风化　页岩，灰色，强风化，泥质结构，薄层状构造，泥质钙　质胶结，节理裂隙发育。开挖边坡设计坡率为一至　五级边坡坡率１：１；一、二级采用框架锚杆防护，三　至五级采用ＳＮＳ主动防护网（图３）。路堑开挖后　右侧边坡为顺向坡，不利于边坡稳定，岩层可能沿软　弱结构面产生滑塌，应对路堑边坡采取支护措施。　锚杆设计荷载１２０　ｋＮ，为了尽可能使得横纵梁剪力　及弯矩受力分布合理，对格构梁进行优化设计。本　文拟从格构地梁截面尺寸、格构梁间距、及梁两端悬　臂长等因素进行敏感性分析。　．９毒　皤　图３路堑边坡剖面图　３．２弯矩对截面尺寸敏感性分析　梁的截面尺寸是格构梁设计中的重要参数。目　前在设计过程中多采用工程经验和类比确定。文　献　指出，梁柔性指数对梁高最为敏感，而柔性指数　反应了梁与坡面相对刚度，相对刚度越大，梁与坡面　的变形协调性越差。合理选取截面尺寸可协调梁与　坡面变形，防止格构梁破坏或加固作用失效。　对本路堑边坡，取格构梁纵梁长８　１ＴＩ，横梁长６２　ＩＴＩ；　对横梁进行截面尺寸敏感性分析，先固定横梁间距　３　ｍ、悬臂长１　ｍ不变，则截面尺寸定为ｂ×＾分别　为：０．３　１ＴＩ×０．４　ｍ、０．３　ｍ×０．５　ｍ、０．４　ｍ×０．４　ｍ、　０．４　ｍｘ　０．５　１ＴＩ等四种尺寸。锚固力在垂直边坡方　向分量为１２０　ｋＮ，分配在横梁上６０　ｋＮ。计算各个　截面尺寸的粱的剪力和弯矩（仅显示０—２Ｏ　１１３段，　以下同）如图４。可以看出，剪力和弯矩的差异主要　表现在边跨上，靠近中间部分弯矩趋于一致。随着　梁截面尺寸的增加，梁的刚度相应增加，梁与坡面相　对刚度降低，最大弯矩值变大。因此，在格构梁设计　时，可以选取较小的截面尺寸，推荐截面尺寸０．３　ｍ　×０．４　ｍ　ｄｃ　：。　。　ｌ　’｝　ｌ　ｌ　芝　｜　ｉ　｜　｜　ｃ　一…　｜　…　１—　…’｜　一　…　…　’｜　一　Ｚ…／　　。　…　一…　ｌ～　　……　…　一’…　２。　＿ｌ　二　ｍ　，，ｈ７一　　ｎ　磺磉　。。　，ｈ—Ｏ　ｌ　『　二：　：　．ｈ…０　０　【ｕ　（ａ）粱剪力分布图　２　２Ｏ　ｌ５　＾基１。　×　Ｚ　５　ｃ　Ｈ。　；　一５　ｌ　：。　（ｂ）浆弓矩分布　图４梁截面尺寸敏感性分析　３．２弯矩对框架间距的敏感性分析　由于格构横纵梁交叉点为锚杆作用位置，当间　距过小时，易发生群锚效应；间距过大又会使单根锚　杆的锚固力增大，使得梁弯矩过大而发生破坏。合　理选取格构间距是格构设计的重点内容之一。梁间　距分别设计为３　ｒｎ、４　ｍ及５　１１１等三种，分析结果如　图５所示。　从图５中可以看出，间距对最大剪应力影响不　大，但弯矩对梁间距较为敏感。随着间距的增加，格　构锚杆作用点处和跨中弯矩明显增大，节点处正弯　矩和跨中负弯矩之差增加显著，格构受力不均匀。　同时可以发现，间距３　１ＴＩ和４　ｎｌ比间距５　ｉｉ１受力均　匀合理。综合受力特点和经济性，推荐间距３　ｍ。　３．３弯矩对两端悬臂长的敏感性分析　在格构梁的设计中，悬臂长度往往被错误地认　为是不重要的参数，其值的选择较随意。格构梁内　７０　土　工　基　础　（ａ）粱剪力分斫　ｉ：　兰１０　５　嚣　－Ｉ　．－．２　；　（ｂ）梁弯矩分布图　图５梁间距敏感性分析　力计算的模型是有限长梁，其解是利用无限长梁的　如如　ｏ　珈专：郴踟　公式，用叠加原理满足两自由端的边界条件来求解　的，因此梁内力与荷载作用点到自由端距离有密切　关系。对上述边坡取不同的悬臂长度分析其对弯矩　的影响，悬臂长度分别为０．２５　ｍ、０．５　ｒｎ、１．０　ｒａ和　Ｉ．５　ｍ；间距３　ｍ，截面尺寸０．３　ｍ×０．４　ｍ。不同悬　臂长度的梁弯矩分布见图６。从图６分析可知，在　其他条件相同的情况下，悬臂长度的不同导致梁的　弯矩分布有较大的差别，且对梁弯矩的影响集中在　梁两端，中间部分的弯矩差别不大。悬臂长度为　０．２５　ｍ时，两边跨出现较大的负弯矩，随着悬臂长　度的增加，边跨负弯矩减小，节点处正弯矩增加。悬　臂长度过大或过小时，梁的受力均不理想，相比之　下，悬臂长度为１．０　ｍ时弯矩的分布比较合理。　４　小结　麻竹高速公路建设中产生了大量的路堑高边　坡，格构锚杆（锚索）组合加固技术既兼顾深层加固　与浅层护坡，又可利用框架梁的表层锚固进行植被　护坡，美观大方，适用于整体稳定性差、表层坡面需　防护的高陡边坡的整体防护治理，因此，格构锚固技　术在加固和防护中大量采用。通过对格构内力计算　和设计参数优化分析，初步得到以下几点结论：　（１）当横纵梁截面尺寸一致时，节点横纵向分配　的荷载相等。在计算单根梁的内力时，可取锚杆锚　固力设计值在垂直坡面方向分量的ｉ／２作为作用在　横梁间距（Ｉｌ１）　（ａ）粱　力分　：　１０　５　兰．　：　．３０　横柒¨ＩＩＪ趴（Ｉｎ）　（ｂ）粱弯矩分布　图６梁两端悬臂长敏感性分析　格构梁上的集中力；　（２）采用ｗｉｎｋｌｅｒ弹性地基粱理论计算梁内力　时，应该选用有限长梁模型计算，且梁的弯矩要比剪　力对截面尺寸、间距更为敏感；　（３）通过对梁截面尺寸、间距的敏感性分析表明　剪力和弯矩的差异主要表现在边跨上，靠近中间部　分弯矩趋于一致；格构梁的设计应选截面尺寸高、间　距适中、两端悬臂且大约为间距１／３为宜。　参　考　文　献　［１］　湖北省交通规划设计院．湖北省麻城至竹溪高速公路第２合同　段两阶段施工图设计报告［Ｒ］，２０１２．１２．　［２］建筑地基基础设计规范（ＧＢ５０００７　２００２）ＩＳ］．北京：中国建筑　工业出版社，２００２．　［３］水工预应力锚固设计规范（ＳＩ　２１２—９８）ＩＳ］．　［４］　铁道部第三勘测设计院．桥梁地基和基础［Ｍ］．北京：中国铁道　出版社，１９９Ｉ：２６２－３０７．　［５］李群，章广成，唐辉明，等．十字交叉格构梁内力分析与优化设　计［Ｊ］．煤田地质与勘探，２００６，３４（６）：５０—５４．　［６］　唐辉明，许英姿，程新生．滑坡治理工程中钢筋混凝土格构梁设　计理论研究［Ｊ］．岩土力学，２００４，２５（１１）：Ｉ６８３一ｉ６８７．　［７］程少荣，王冬珍．格构锚固技术及其在滑坡整治中的应用［Ｊ］．　人民长江，１９９７，２８（６）：２６—２８．　［８］许英姿，唐辉明．格构锚固措施及其在滑坡防治中的应用［Ｊ］．　地质科技情报，２００１，２０（２）：９ｌ　９４　（下转第８６页）　８６　土　工　基　础　２Ｏ１４　ＦＬＡＣ３Ｄ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ａ　Ｄｅｅｐ　Ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　Ｓｕｐｐｏｒｔ　Ｎｅａｒ　Ｅｘｉｓｔｉｎｇ　Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ＣＡＩ　Ｌｅｉ，ＡＮ　Ｋａｎｇ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｇｕｉｚｈｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕｉｙａｎｇ　５５００２５）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｒｅｓｕｔｌｓ　ｏｆ　ｄｅｅｐ　ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　ｎｅａｒ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ　ｂｙ　ＵＳｉｎｇ　ＦＩ　ＡＣ３Ｄ．Ｔｈｅ　ｓｏｉｌ　ｍａｓｓ　ｉｓ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｂｙ　Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ　ｍｏｄｅｌ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ａｒｅ　ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｄ　ｂｙ　ｐｉｌｅ　ｅｌｅｍｅｎｔｓ　ａｎｄ　ｇｒｏｕｎｄ　ａｎｃｈｏｒ　ｅｌｅｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｐｒｅ—ｓｔｒｅｓｓｅｄ　ｇｒｏｕｎｄ　ａｎｃｈｏｒｓ　ｗｉｔｈ　ｓｏｌｄｉｅｒ　Ｄｉｌｅｓ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　０ｆ　ａｄｊａ—　ｃｅｎｔ　ｓｏｉｌ　ｍａｓｓ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ　ａｔ　ｂｏｔｈ　ｓｉｄｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｎｅａｒｂｙ　ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ．Ｉｔ　ｉｓ　ａｌｓｏ　ｃｏｎｃ１ｕｄｅｄ　ｔｈａｔ　Ｄｒｅ—ｓｔｒｅｓｓｅｄ　ｇｒｏｕｎｄ　ａｎｃｈｏｒｓ　ｈａｖｅ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｘｃａｖａｔｅｄ　ａｒｅａ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　Ｄｅｅｐ　Ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　Ｓｕｐｐｏｒｔ；ＮｕｍｅｒｉｅａＩ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ＦＬＡＣａ　丫—丫—ｒ—丫—’ｒ丫—丫一　（上接第７０页）　Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｇｒｏｕｎｄ　Ａｎｃｈｏｒ　ｗｉｔｈ　Ｌａｔｔｉｃｅ　Ｂｅａｍ　ｉｎ　Ｍａ—Ｚｈｕ　Ｈｉｇｈｗａｙ　Ｓｌｏｐｅ　Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｓ　ＨＵＡＮＧ　Ｈｕａｉｘｕａｎ　，ＨＵＡＮＧ　Ｚｈｉｇａｎｇ　，ＷＡＮＧ　Ｂｉｎ　，ＺＨＵ　Ｊｉｅｂｉｎｇ　（１．Ｈｕｂｅｉ　Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．Ｙｉｃｈｅｎｇ　Ｈｕｂｅｉ　４４１４００：　２，Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　ｏｆ　Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ，Ｙａｎｇｔｚｅ　Ｒｉｖｅｒ　Ｓｃｉｅｎｔｍｃ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ．Ｗｕｈａｎ　４３００１０）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｇｒｏｕｎｄ　ａｎｃｈｏｒ　ｗｉｔｈ　ｌａｔｔｉｃｅ　ｂｅａｍ　ｉｓ　ａ　ｓｌｏｐｅ　ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｔｈａｔ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｅｅｐ　ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ　ａｎｄ　ｓｈａｌｌｏｗ　ｅｒｏｓｉｏｎ　ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｗｉｄｅｌｙ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈｗａｙ　ｃｕｔ　ｓｌｏｐｅｓ　ａｎｄ　ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔｓ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｌａｔｔｉｃｅ　ｂｅａｍ　ｄｅｓｉｇｎ，ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｍｅｔｈｏｄ　ｕｓｅｓ　ｔｈｅ　ｔｒｉｂｕｔａｒｙ　ａｒｅａ　ａｔ　ｅａｃｈ　ｎｏｄｅ　ａｔ　ｔｈｅ　ｃｒｏｓｓ．Ｔｈｅ　ｓｌｏｐｅ　ｉｓ　ａｓｓｕｍｅｄ　ｔ０　ｂｅ　ｔｈｅ　ｅｌａｓｔｉｃ　ｓｏｉｌ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ（ｓｐａｃｉｎｇ，ｓｅｃｔｉｏｎａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）ｏｆ　ｔｈｅ　ｌａｔｔｉｃｅ　ｂｅａｍ　ｃａｎ　ｂｅ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ　ｂｖ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｗｉｎｋｌｅｒ　Ｅｌａｓｔｉｃ　Ｔｈｅｏｒｙ．Ｔｈｅ　ａｎａｌｙｔｉｃａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ　ｉｎ　ｓｈｅａｒ　ｆｏｒｃｅ　ａｎｄ　ｂｅｎｄｉｎｇ　ｍｏｍｅｎｔｓ　ａｒｅ　ａｔ　ｓｉｄｅ　ｓｐａｎｓ．Ｔｈｅ　ｂｅｎｄｉｎｇ　ｍｏｍｅｎｔ　ｔｅｎｄｓ　ｔｏ　ｂｅ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｍｉｄ　ｓｐａｎｓ．Ｔｈｅ　ｂｅｎｄｉｎｇ　ｍｏｍｅｎｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｌａｔｔｉｃｅ　ｂｅａｍ　ｉｓ　ｍ０ｒｅ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ　ｃｏｍｐａｒｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｓｈｅａｒ　ｆｏｒｃｅ．Ｔｈｅ　ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌａｔｔｉｃｅ　ｂｅａｍｓ　ａｒｅ：ｈｉｇｈｅｒ　ｈｅｉｇｈｔ　ｔｏ　ｗｉｄｔｈ　ｒａｔｉｏ，ｓｍａｌｌｅｒ　ｓｐａｃｉｎｇ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｌｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ　ｂｅａｍ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　１／３　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｐａｃｉｎｇ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　Ｇｒｏｕｎｄ　Ａｎｃｈｏｒｓ　ｗｉｔｈ　Ｌａｔｔｉｃｅ　Ｂｅａｍｓ；Ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ　ａｎｄ　Ｃｕｔ　Ｓｌｏｐｅ　Ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ；Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｄｅｓｉｇｎ；Ｗｉｎｋｌｅｒ　Ｅ—　Ｊａｓｔｉｅ　Ｂｅａｍ　Ｔｈｅｏｒｙ