公路边坡锚杆支护组合方式分析.pdf
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1、总652期2023年第22期(8月 上)0 引言为提高公路边坡的整体稳定性,可在边坡设置锚杆支护体系,以确保公路的安全。这种边坡锚杆支护的原理是:施工人员使用金属构件或木质构件、聚合物构件等制作成柱杆,打入公路边坡地表岩体或混凝土周围岩体预先钻好的孔洞中,然后利用柱杆头部、杆体特殊接头及尾部搭设的托板等,与稳定岩体共同形成悬吊、组合梁、支撑补强等效果,以实现支护公路边坡的目的。不同公路边坡工程的锚杆支护方式存在差异,需通过科学方法找到“最优组合”。1 影响公路边坡锚杆支护体系稳定性的因素梳理1.1 公路边坡锚杆支护中锚杆锚固段的长度与锚固角度之间的关系我国公路边坡如果采用锚杆支护体系,一般会将
2、锚杆锚固段的长度限定在410 m的区间内(锚杆锚固段长度应按规定进行计算,并取其中大值。同时,土层锚杆的锚固段长度不应小于4 m,且不宜大于10 m;岩石锚杆的锚固段长度不应小于3 m,且不宜大于45D和6.5 m,或55D和8 m)。锚杆打入围岩发挥锚固作用部分的有效长度一般按被支护体厚度确定。当围岩为层状时,锚固长度包括穿过松散层,并有一部分深入坚固岩层中的总长度,非层状围岩则据围岩松动圈范围确定1。在实践中发现,如果锚固段的长度过低,则会在一定程度上影响边坡安全性;如果边坡长度过大,在浪费锚杆资源的同时,边坡的整体稳定性并不能得到明显提升。因此,在公路边坡的整体坡率处于相对恒定的状态时,
3、锚杆锚固段(有效段)的长度以及锚杆与边坡之间形成的锚固角度之间的关系会在相对固定的范围内变化(如图1所示),需要找出二者的最佳组合关系,以提高边坡整体稳定性。图1 公路边坡锚固形式效果图-边坡滑动面与锚杆之间的夹角;-边坡与锚杆之间的夹角1.2 边坡坡率与锚固角度之间的关系公路边坡坡率的计算方法是:以边坡高度与宽度进行除法计算,获得的比值便是坡率。在锚杆支护工程中,公路边坡坡率可通过调整边坡的高度或宽度实现定向控制,以将边坡滑动面下方的滑动力、阻滑力等始终控制在相对平衡的状态,以保证边坡的稳定性。但在实际施工中发现,公路工程所在地的自然条件较为复杂,多种因素叠加之下,容易造成自然边坡岩层稳定性
4、较差。针对这种情况,需要调整锚固角度与边坡坡率,使这两项参数彼此之间也形成最优组合2。2 基于实例的公路边坡锚杆支护最优组合模型分析2.1 公路边坡锚杆支护工程概况2.1.1 工程概况某公路边坡锚杆支护工程位于我国西南某市,是某隧道公路边坡锚固工程中K15+640K15+720段(右侧路堑,高边坡防护)。该工程的基础参数以及对参数的处理方法如下:1)边坡坡高为10 m。收稿日期:2022-01-05作者简介:刘志红(1979),女,江西新干人,工程师,从事公路与桥梁管理工作。公路边坡锚杆支护组合方式分析刘志红(吉安市公路建设和养护中心新干分中心,江西 吉安 331300)摘要:为确定公路边坡锚
5、杆支护最优组合方式,应明确公路边坡锚杆支护中锚杆锚固段(有效)长度与锚固角度之间的关系、边坡坡率与锚固角度之间的关系。以某公路边坡锚杆支护工程为例,设计锚杆支护最优组合遴选正交试验,结果表明:上述三项因素均会对边坡锚杆支护体系的整体稳定性造成影响,但程度各不相同,锚杆段有效长度影响最大,锚固角度影响次之,边坡坡率影响最小。关键词:公路边坡;锚杆支护;最优组合;锚固角度;边坡坡率中图分类号:U417.2文献标识码:B80交通世界TRANSPOWORLD2)使用ABAQUS有限元一站式CAE仿真平台对该边坡进行分析。经过软件功能比选后发现,可使用ABAQUS 有限元仿真平台自带的 Mohr-Cou
6、lomb 模块,完成对工程所在地岩土试验条件的设置。3)本公路边坡锚杆支护工程中,锚杆支护结构体系的弹性模量E为55 MPa,油松比值为0.35,黏聚力值为20 kPa,内摩擦角度为18,重度值为20 kN/m3。2.1.2 数值分析模型的构建1)分析方法及原理针对锚杆支护体系的模型分析方法如下:将整个支护体系整体设定为分析模型,对底部构件进行“全部固定”处理,对左右两侧构件进行水平固定处理。将模型上部区域及边坡设定为“自由边界”,之后可采用抗剪强度折减系数法(所谓“强度折减系数”是指构件处于实际受力极限状态下对应的应力以及构件处于充分受力极限状态下对应的应力比值)进行分析。具体原理如下:控制
7、构件的外荷载始终处于不变的状态下,此时公路边坡内土体能够发挥的最大抗剪强度与外荷载在边坡内产生的实际剪应力之比便具备了分析价值。将边坡内土体的抗剪强度指标设定为c和,可使用折减系数Fs,按照下列公式进行处理。cF=c/Fs(1)F=arctan-1(tan)/Fs)(2)fF=cF+tanF(3)式(1)(3)中:cF为经过折减处理后的边坡土体虚拟的黏聚力;F为折减后边坡土体虚拟的内摩擦角;fF为折减后的抗剪强度。主要作用是:在折减系数Fs的初始值如果足够小的情况下,用以保证分析开始阶段,边坡土体整体处于近乎弹性的状态;为一个具体值,需根据公路边坡土体承受力强度决定。随着Fs值的不断增加,折减
8、后的抗剪强度指标会逐渐降低,一直到某一个折减抗剪强度下的土坡陷入失稳状态后,之前相邻最近且依然保持稳定状态的折减系数值便可被认定边坡土体实际抗剪强度与破坏发生时对应折减强度之间的比值,也即边坡土体的稳定安全系数3。2)数据及分析按照上文所述方法,收集案例工程的锚杆支护结构的物理学参数,得到的结果如下:锚杆的横截面面积为600 mm2;锚杆的弹性模量为180 GPa;锚杆的抗拉强度为200 MPa;锚杆在单位面积上的水泥砂浆刚度为1 GPa;锚杆单位长度对应的水泥黏结力达到30 kPa;锚杆的底面周长为450 mm;摩擦角度为25。为印证上文所述的边坡锚杆支护效果影响因素两两之间是否存在“一个因
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