動(dòng)荷載作用下邊坡錨固系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

動(dòng)荷載作用下邊坡錨固系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

付明春

(大連海洋大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，遼寧 瓦房店 116300)

摘要：在一些地質(zhì)環(huán)境比較惡劣的情況下，必須要防治地質(zhì)災(zāi)害對(duì)道路的損害，尤其對(duì)爆破、地震或列車振動(dòng)等動(dòng)荷載作用下邊坡錨固系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用進(jìn)行研究。針對(duì)此類問(wèn)題，將動(dòng)荷載的種類及其對(duì)邊坡錨固系統(tǒng)的影響進(jìn)行了系統(tǒng)地闡述，比較了沖擊荷載與循環(huán)荷載的振動(dòng)波形，分析了沖擊荷載對(duì)沖擊加速度、承壓墊座和邊坡巖石的影響，設(shè)計(jì)了邊坡錨固的合理結(jié)構(gòu)，對(duì)于錨筋的材料及防腐、如何采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)等問(wèn)題提出了合理的解決辦法。

關(guān)鍵詞：動(dòng)荷載作用；邊坡錨固系統(tǒng)；設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

收稿日期：2014-11-24

作者簡(jiǎn)介：付明春(1971-)，男(滿族)，遼寧瓦房店人，講師，碩士研究生。

DOI：10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.04.019

中圖分類號(hào)：TU476

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-1603(2015)04-0381-04

Abstract：In recent years,the geologic hazards to the road under some wicked geological environment have to be considered to prevent and control,especially for the design and application of the slope anchorage system under the action of blasting,earthquake or train vibration.In this paper,the types of dynamic loads and their effects on the anchorage system of slope were systematically described.Then the reasonable structure of the slope was put forward.

錨固系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于鐵道、公路、水利等行業(yè)。錨固技術(shù)能有效抵御地震荷載，但是在現(xiàn)實(shí)中還存在一定的問(wèn)題，需要對(duì)其進(jìn)行相關(guān)的研究，進(jìn)而增強(qiáng)路基的穩(wěn)定性，促進(jìn)交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展。

1動(dòng)荷載作用下邊坡錨固系統(tǒng)的意義

泥石流、山體滑坡等地質(zhì)運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)路段產(chǎn)生非常惡劣的影響，這就使得該路段對(duì)邊坡錨固技術(shù)的要求也越來(lái)越高，尤其是在爆破、地震或列車振動(dòng)等動(dòng)荷載作用下，邊坡錨固系統(tǒng)易產(chǎn)生錨筋松弛、夾具損傷、注漿體拉裂及界面粘結(jié)失效等情況，影響其預(yù)應(yīng)力賦存狀態(tài)、加固效果和耐久性[1]。因此，更加深入地研究動(dòng)荷載作用下邊坡錨固系統(tǒng)顯得尤為重要。

2動(dòng)荷載的作用類型

2.1 工程爆破或地震觸發(fā)的沖擊荷載

在動(dòng)荷載的作用類型中，工程爆破或地震觸發(fā)的沖擊荷載對(duì)于邊坡所造成的影響具有一定的規(guī)律性。圖1為330國(guó)道某邊坡爆破振動(dòng)波形，由此可以看出，列車振動(dòng)等交通荷載具有明顯的規(guī)律性。由于工程爆破與地震觸發(fā)的沖擊荷載在本質(zhì)上沒(méi)有太大的區(qū)別，僅僅在觸發(fā)模式、荷載大小以及觸發(fā)時(shí)機(jī)方面會(huì)存在一定的不同，所以可以對(duì)其進(jìn)行對(duì)等的研究[2]。

2.2汽車或火車通過(guò)時(shí)觸發(fā)的循環(huán)荷載

圖2為汽車或火車通過(guò)時(shí)觸發(fā)的循環(huán)荷載，由此可見(jiàn)，列車振動(dòng)響應(yīng)曲線多表現(xiàn)為連續(xù)震源耦合衰減，這與工程爆破或地震觸發(fā)的沖擊荷載是有很大不同的[3]。所以，必須對(duì)兩種不同動(dòng)荷載的作用類型進(jìn)行相關(guān)研究，通過(guò)對(duì)比分析來(lái)進(jìn)一步促進(jìn)邊坡錨固系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用。

圖1　330國(guó)道某邊坡爆破振動(dòng)波形

圖2　330國(guó)道某邊坡列車振動(dòng)波形

側(cè)面邊界通過(guò)粘性阻尼筒與自由場(chǎng)耦合來(lái)模擬粘性邊界，產(chǎn)生于自由場(chǎng)節(jié)點(diǎn)的不平衡力施加于變形塊體邊界上的節(jié)點(diǎn)。左邊界上的不平衡力采用下面兩式計(jì)算：

FX=-PCP(Vmx-Vffx)+σffxΔSy

FX=-PCP(vmx-vffx)+σffxΔSy

其中，P為材料的密度，CP為左邊界的波波速，Cs為左邊界的S波波速，ΔSy為邊界節(jié)點(diǎn)上網(wǎng)格的平均垂直尺寸，vmx和vmy為左邊界上變形塊體的節(jié)點(diǎn)x和y的向速度，vffx和vffxy為左自由場(chǎng)節(jié)點(diǎn)的x和y向速度，σffxx和σffxy為節(jié)點(diǎn)處的平均自由場(chǎng)的水平應(yīng)力和剪應(yīng)力。這樣，向上傳播的平面波在邊界上不會(huì)出現(xiàn)波形失真現(xiàn)象，因?yàn)樽杂蓤?chǎng)的節(jié)點(diǎn)提供的條件與無(wú)限區(qū)域模型的條件完全一樣。

3荷載對(duì)邊坡錨固系統(tǒng)的影響

3.1沖擊荷載作用下對(duì)沖擊加速度的影響

在沖擊荷載作用下，對(duì)于錨固系統(tǒng)的錨筋軸向來(lái)說(shuō)，此時(shí)會(huì)對(duì)加速度產(chǎn)生沖擊，通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果顯示：實(shí)測(cè)錨筋軸向加速度明顯大于徑向加速度，而且往往超出2倍以上，這就說(shuō)明沖擊荷載作用對(duì)沖擊加速度產(chǎn)生了很大的影響。所以，必須要對(duì)動(dòng)荷載作用下邊坡錨固系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用進(jìn)行仔細(xì)的研究和分析，才能得出更好的解決方案[4]。

3.2沖擊荷載作用下對(duì)錨固系統(tǒng)的部分影響

由于錨固系統(tǒng)的承壓墊座處有鋼筋、鋼墊板、墩頭混凝土以及錨筋等連接，所以在沖擊荷載作用下，各界面由于相對(duì)位移而導(dǎo)致強(qiáng)度被削弱的程度、不同材料界面粘結(jié)強(qiáng)度降低的狀況會(huì)不同，但是由于組件質(zhì)量差異大、剛度不同、受力狀態(tài)不同，所以又會(huì)產(chǎn)生一定的差異性和臨時(shí)狀況。例如，在爆破20 min前后，對(duì)一個(gè)錨力計(jì)的實(shí)測(cè)讀數(shù)分別為2 910 kN和2 253 kN，預(yù)應(yīng)力的損失達(dá)到17.3%[5]。

3.3沖擊荷載作用下對(duì)邊坡巖石的影響

由于沖擊荷載的作用，會(huì)導(dǎo)致周邊的巖石裂隙變大，巖體松弛變形，巖體的物理參數(shù)及軟弱結(jié)構(gòu)面的物理參數(shù)如表1和表2所示。試驗(yàn)測(cè)得，爆破后600 kN、1 000 kN、3 000 kN的錨索預(yù)應(yīng)力增加值在7.8%～11.3%之間。

表1　巖體的物理參數(shù)

表2　軟弱結(jié)構(gòu)面的物理參數(shù)

4下邊坡錨固系統(tǒng)合理設(shè)計(jì)

4.1內(nèi)錨固段的合理結(jié)構(gòu)

對(duì)于邊坡內(nèi)錨固段的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，主要是以粘接的方式來(lái)保持平衡，除此之外，還可以運(yùn)用錨筋、錨固體和孔壁巖土等方式來(lái)進(jìn)行平衡的設(shè)定和維持。但是也存在一定的特殊情況，例如，在地基不穩(wěn)固的地方，土層的粘結(jié)強(qiáng)度弱，錨固力較低，邊坡錨固系統(tǒng)段前端剪應(yīng)力過(guò)于集中，一般呈“喇叭口”形狀，如圖3所示。這樣的建造結(jié)構(gòu)可以適應(yīng)一些風(fēng)化軟巖、土體或地下水發(fā)育條件比較好的地方，可以很好的減少?zèng)_擊，確保內(nèi)錨固段結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖3　拉力分散型內(nèi)錨頭剪應(yīng)力分布

4.2自由段(外錨固段)的合理結(jié)構(gòu)

對(duì)于下邊坡錨固系統(tǒng)自由段的建造結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，必須要考慮到動(dòng)荷載作用的影響。因?yàn)橐话泐A(yù)應(yīng)力錨桿(索)的錨固段和自由段從結(jié)構(gòu)上可以明顯區(qū)分，但是它們還具有一定的不同之處，必須要二者兼顧。為了防止出現(xiàn)由于應(yīng)力損失或斷裂而導(dǎo)致降低錨固效果或造成突發(fā)性工程災(zāi)害的情況，一定要提高邊坡錨固系統(tǒng)的抗動(dòng)載能力和安全儲(chǔ)備，做到防患于未然。

4.3錨筋材料及防腐問(wèn)題

錨固系統(tǒng)所運(yùn)用的主要材料是鋼質(zhì)材料，同時(shí)也有一些普通的鋼筋等材料作為補(bǔ)充。對(duì)于不同的材質(zhì)，其防腐的方法也不相同。例如，軋鋼筋和精扎螺紋鋼筋一般在表層刷防銹漆后直接作為錨筋使用，但這并沒(méi)有從根本上解決防腐問(wèn)題，防腐隔離難以達(dá)到預(yù)期效果。就目前的工藝制造水平來(lái)看，進(jìn)一步提高錨筋材料自身的防腐性能，并且進(jìn)行工廠化生產(chǎn)控制，是解決這一問(wèn)題最好的方案，錨筋的防腐方法及材料如圖4所示[6]。

圖4　錨筋的防腐方法及材料

5動(dòng)荷載作用下邊坡錨固系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用的策略

5.1動(dòng)荷載作用下采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)

在一些堅(jiān)硬的巖層地段，可以將內(nèi)錨固段設(shè)計(jì)為拉力型；在一些地層巖石比較松軟的地帶，可以將內(nèi)錨固段設(shè)計(jì)為壓力分散型或拉壓復(fù)合型，這樣就可以因地制宜，對(duì)資源做到充分合理地運(yùn)用。但是這樣會(huì)增加錨筋的預(yù)應(yīng)力水平，所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)充分考慮到錨筋可能會(huì)存在受力不均勻的現(xiàn)象，適當(dāng)降低鎖定的拉力值來(lái)達(dá)到預(yù)期的效果。

5.2在水泥基灌漿體中摻入鋼纖維或樹(shù)脂纖維

在水泥基灌漿體中摻入鋼纖維或樹(shù)脂纖維可以很好地增加錨固體的抗裂性能，提高錨固系統(tǒng)抗疲勞和抗沖擊能力，這樣的話就可以避免錨頭或自由段破斷造成突發(fā)性災(zāi)害，降低損失。

6結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)動(dòng)荷載作用下邊坡錨固系統(tǒng)進(jìn)行較為詳細(xì)地研究，將沖擊荷載與循環(huán)荷載的振動(dòng)波形進(jìn)行比較，分析了沖擊荷載對(duì)沖擊加速度、承壓墊座和邊坡巖石的影響，設(shè)計(jì)了內(nèi)錨固段和自由段的合理結(jié)構(gòu)，列舉了目前錨筋的防腐方法及材料，提出了動(dòng)荷載作用下邊坡錨固系統(tǒng)的應(yīng)用策略，為邊坡錨固的設(shè)計(jì)與施工起到了重要的參考和借鑒作用。

參考文獻(xiàn)

[1]劉鈞哲.流體速度梯度形成過(guò)程的動(dòng)力學(xué)分析[J].沈陽(yáng)工程學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，9(3):242-244.

[2]王泰恒,徐文年,陳池,等.預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)基本理論與實(shí)踐[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2007.

[3]劉潤(rùn),閆澍旺,羅強(qiáng),等.纖維砂漿增強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨索錨固效果的研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2005,27(2):214-218.

[4]矯捷.纖維砂漿增強(qiáng)錨索錨固作用的機(jī)理分析[J].珠江水運(yùn),2008(4):49-51.

[5]劉玉堂,袁培中,白彥光.壓力分散型錨索不宜作為永久性錨索[J].預(yù)應(yīng)力技術(shù),2008(3):19-21.

[6]陸遐齡.巖石高邊坡爆破開(kāi)挖對(duì)錨固設(shè)施的影響[J].爆破，2000，17(S1)：147-151.

Design and Application of Slope Anchor SystemUnderDynamic Loads

FU Ming-chun

(Applied Technology College,Dalian Ocean University,Wafangdian 116300,Liaoning Province)

Key words： dynamic loading;slope anchor system;design and application research

(責(zé)任編輯張凱校對(duì)佟金鍇)