錨墩式錨索主動防護網(wǎng)的受力及計算方法

收稿日期：2024-01-15

作者簡介：唐曉波（1985—），男，本科，高級工程師，從事公路工程設(shè)計與咨詢工作。

摘要 適用于破碎巖質(zhì)邊坡的錨墩式錨索主動防護網(wǎng)結(jié)構(gòu)，與常規(guī)主動防護網(wǎng)結(jié)構(gòu)不同，采用錨固于穩(wěn)定巖體的主動防護網(wǎng)和錨索組合而成，可有效解決邊坡的淺表層溜坍，為深層穩(wěn)定性提供加固支擋作用。邊坡發(fā)生變形時，結(jié)構(gòu)中的錨索和主動防護網(wǎng)將協(xié)調(diào)受力，主動防護網(wǎng)將失穩(wěn)巖體的下滑力傳遞給錨索，同時由于錨索與主動防護網(wǎng)連接部的作用，一部分錨固荷載將通過錨索傳遞給防護網(wǎng)。數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗結(jié)果顯示，此結(jié)構(gòu)有利于邊坡坡體內(nèi)的應(yīng)力分析，可有效減小坡體位移，錨索上的力比單獨錨索結(jié)構(gòu)時的設(shè)計軸力增加了20%～30%。對于此類結(jié)構(gòu)，應(yīng)將預(yù)應(yīng)力錨索和主動網(wǎng)協(xié)調(diào)考慮，按失穩(wěn)塊體的靜力平衡計算錨索受力。當無明確危巖體時，將錨索假設(shè)為方形基礎(chǔ)，參照地基基礎(chǔ)剪切破壞模式可以確定危巖體的范圍。

關(guān)鍵詞 錨索；邊坡穩(wěn)定；主動防護網(wǎng)；受力機理

中圖分類號 U417.1文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）09-0077-03

0 引言

破碎巖質(zhì)邊坡受降水、風(fēng)化等影響，巖體的黏聚力和內(nèi)摩擦角等力學(xué)參數(shù)減小，邊坡穩(wěn)定性較差。此類邊坡既有常見的坡面落石掉塊，也可能發(fā)生大范圍的崩塌甚至滑動破壞。合理有效的加固破碎巖質(zhì)邊坡，一直是公路、鐵路、水電等行業(yè)普遍關(guān)心的工程問題[1-3]。

主動防護網(wǎng)[4-6]由支撐錨桿和高強度鋼筋繩網(wǎng)組成，支撐錨桿長2～4 m，設(shè)計張拉力均不大于50 kN。陽友奎等[7]對此類主動防護網(wǎng)的受力、荷載計算、安全性驗算等進行了研究，提出相應(yīng)的計算方法。實際上，30 m高度的破碎巖質(zhì)邊坡，常常需要單根短錨桿提供超過100 kN的錨固力，即當邊坡發(fā)生整體性的滑動破壞時，主動防護網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的短錨桿所承擔的錨固力遠大于設(shè)計錨固力。短錨桿可以有效防止邊坡淺表層的溜坍，但對于邊坡深層穩(wěn)定性的加固作用有限。

針對此類高陡破碎巖質(zhì)邊坡，提出了錨墩式錨索主動防護網(wǎng)結(jié)構(gòu)[8-9]，在主動防護網(wǎng)的基礎(chǔ)上，增加錨固于深層穩(wěn)定巖體的錨索，在節(jié)點處采用錨索替代短錨桿，并穿透潛在滑移面錨固于穩(wěn)定巖體內(nèi)。這改變了短錨桿法向錨固力不足、對邊坡穩(wěn)定性的主動加固作用有限等現(xiàn)狀，使防護網(wǎng)的主動防護和錨索的被動防護有機結(jié)合。對于此類主動防護結(jié)構(gòu)，其受力機理區(qū)別于單獨的錨索或主動防護網(wǎng)，在邊坡坡體發(fā)生變形時，錨索和主動防護網(wǎng)通過節(jié)點處的連接將協(xié)調(diào)受力，但目前尚無相關(guān)的研究。

1 錨墩式錨索主動防護網(wǎng)結(jié)構(gòu)

錨墩式錨索主動防護網(wǎng)，是以預(yù)應(yīng)力錨索代替支撐錨桿，錨索和高強度鋼繩網(wǎng)作為一個整體工作，防護邊坡淺表層的溜坍，并對深層穩(wěn)定性提供主動加固的作用。高強度鋼繩網(wǎng)，呈曲面狀鋪設(shè)于邊坡上，網(wǎng)格節(jié)點處設(shè)置錨墩和錨固構(gòu)件，錨墩與網(wǎng)格節(jié)點處的縱向支撐繩、橫向支撐繩形成固定連接。為使錨索水泥墩與主動網(wǎng)單元之間可變形協(xié)調(diào)而不至于發(fā)生破壞，在防護網(wǎng)與預(yù)應(yīng)力錨墩接觸面布置硬橡膠墊片或尼龍墊片。

2 錨墩式錨索主動防護網(wǎng)結(jié)構(gòu)的受力機理

采用錨墩式錨索主動防護網(wǎng)結(jié)構(gòu)對破碎巖質(zhì)邊坡進行加固防護，通過防護網(wǎng)的主動防護作用，可有效應(yīng)對邊坡淺表層的局部坍塌，錨固在穩(wěn)定巖層的錨索，可與防護網(wǎng)協(xié)調(diào)變形，將應(yīng)力和位移有效地傳導(dǎo)到坡體內(nèi)部。特別是主應(yīng)力分布上，錨索的施加使得坡體內(nèi)的主應(yīng)力分布有所調(diào)整。從平面上看，呈現(xiàn)錨索節(jié)點處應(yīng)力集中，向周圍分散的情況；從坡體深度看，由于錨索和主動防護網(wǎng)的協(xié)調(diào)作用，主壓力由淺表層逐步向坡體內(nèi)部傳遞，有利于充分發(fā)揮邊坡整體的抗滑穩(wěn)定。單獨采用預(yù)應(yīng)力錨索加固，主應(yīng)力在錨索周圍呈現(xiàn)集中的分布情況，主動防護網(wǎng)的增加使坡面主應(yīng)力集中情況有所改善，分布更加協(xié)調(diào)。

3 錨墩式錨索主動防護網(wǎng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算方法

錨墩式主動防護網(wǎng)在網(wǎng)格節(jié)點處設(shè)置了錨墩和錨索，并與穩(wěn)定巖層錨固連接。以每4個相鄰錨墩所圍成的封閉區(qū)域作為研究區(qū)域，將錨固該區(qū)域的4根錨索和主動網(wǎng)稱為一個錨墩式主動防護網(wǎng)單元。

假設(shè)失穩(wěn)塊體為楔形體，危巖體穩(wěn)定系數(shù)可按式（1）反算：

（1）

式中，β——失穩(wěn)塊體的主控結(jié)構(gòu)面與水平面的夾角；G——失穩(wěn)塊體自重；H——失穩(wěn)塊體縱向高度；c——主控結(jié)構(gòu)面的黏聚力；φ——巖體內(nèi)摩擦角；F——主動網(wǎng)施加給邊坡淺表層的錨固力，也是淺表層失穩(wěn)時對主動網(wǎng)施加的荷載，計算簡圖如圖1所示：

圖1 失穩(wěn)塊體計算簡圖

由靜力平衡可知，預(yù)應(yīng)力錨索對主動網(wǎng)的力和巖土體對主動網(wǎng)的力是一對平衡力。假設(shè)一個防護單元內(nèi)的4束錨索受力相同，錨索與水平面夾角為α，根據(jù)圖2可知，每束錨索由邊坡淺表層失穩(wěn)帶來的軸力增量f可由式（2）計算：

（2）

圖2 錨索因淺表層失穩(wěn)產(chǎn)生的軸力增量示意圖

上述計算中的失穩(wěn)塊體自重G，對應(yīng)的破碎巖質(zhì)邊坡，可按存在危巖體發(fā)育和不存在明確危巖體發(fā)育兩種情況考慮。存在危巖體時，失穩(wěn)塊體的范圍和自重相對明確；不存在明確危巖體時，可按剪切破壞模式，將錨墩看成方形基礎(chǔ)，按基礎(chǔ)設(shè)計方法確定失穩(wěn)塊體范圍。

3.1 存在危巖體發(fā)育

若一個防護網(wǎng)單元內(nèi)發(fā)育危巖體，可按照圖3所示的力學(xué)模型，計算危巖體失穩(wěn)破壞的下滑力和錨固力。

3.2 無危巖體發(fā)育

若防護單元內(nèi)無明顯危巖體發(fā)育，或沒有明顯的主控結(jié)構(gòu)面，坡體內(nèi)主應(yīng)力分布呈現(xiàn)以錨固點為中心，向四周分散的特征。因此，可按下述模型計算：以錨墩錨固位置為起點，與預(yù)應(yīng)力錨索夾角為45 °+φ/2的相交線和坡面所圍成的坡體，作為淺表層失穩(wěn)的部分。如圖4所示。

圖3 存在危巖體時結(jié)構(gòu)受力示意圖

圖4 無危巖體時邊坡計算模型

從地基作用方面來看，假設(shè)錨墩為方形基礎(chǔ)，錨索張拉后，其拉力方向為大主應(yīng)力方向，兩側(cè)的巖土體受被動擠壓，其影響范圍為圖5（b）中的Ⅲ區(qū)，與圖4邊坡橫斷面圖中與錨索方向夾角為45 °+φ/2的兩條交線所圍成的范圍一致。

4 結(jié)語

（1）錨墩式錨索主動防護網(wǎng)結(jié)構(gòu)，以預(yù)應(yīng)力錨索代替支撐錨桿，錨索和高強度鋼繩網(wǎng)作為一個整體工作，對破碎巖質(zhì)邊坡提供坡面防護。此新型結(jié)構(gòu)不僅可以有效防護邊坡淺表層溜坍，同時結(jié)構(gòu)中的錨索可對深層穩(wěn)定性提供主動加固的作用。

（2）采用錨墩式錨索主動防護網(wǎng)結(jié)構(gòu)對破碎巖質(zhì)邊坡進行加固防護，通過防護網(wǎng)的主動防護作用，可有效應(yīng)對邊坡淺表層的局部坍塌，錨固在穩(wěn)定巖層的錨索，可與防護網(wǎng)協(xié)調(diào)變形，將應(yīng)力和位移有效地傳導(dǎo)到坡體內(nèi)部，特別是主應(yīng)力分布。從平面上看，呈現(xiàn)錨索節(jié)點處應(yīng)力集中，向周圍分散的情況；從坡體深度看，由于錨索和主動防護網(wǎng)的協(xié)調(diào)作用，主壓力由淺表層逐步向坡體內(nèi)部傳遞，有利于充分發(fā)揮邊坡整體的抗滑穩(wěn)定。

（3）計算錨墩式主動防護網(wǎng)加固邊坡的安全系數(shù)時，可按照邊坡體是否存在危巖體發(fā)育分別計算。若存在危巖體發(fā)育，則根據(jù)危巖體結(jié)構(gòu)面性狀和力學(xué)參數(shù)計算；如無危巖體發(fā)育，則假設(shè)錨墩錨固處按照方形地基考慮，以應(yīng)力擴散時整體剪切破壞的范圍，即以錨墩錨固位置為起點，與預(yù)應(yīng)力錨索夾角為45 °+φ/2的相交線和坡面所圍成的坡體，作為淺表層失穩(wěn)的部分。

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