关于常见边坡锚固结构设计及计算的研究

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　　【摘要】本文从工程实际出发，边坡治理是一项复杂的工程。主要介绍和分析常见边坡锚固结构，对锚杆的类型、锚杆的结构、锚固的作用机理、锚固要素分析、锚固结构典型破坏形式、锚固设计计算等进行介绍和较为深入的研究。从而对我们在实际项目中边坡治理的设计能起到正确的指引，同时也可以帮助在工程中做好边坡治理的动态设计。
　　【关键词】边坡的锚固结构;锚杆的类型;作用机理;破坏形式;设计计算
　　1、概述
　　复杂的地质体是岩土工程研究的对象，在经历了长久的地质年代里，由于地质自然风化、人类活动、构造运动等作用，从而形成大量诸如断层、节理、层理、溶沟、软弱层、溶槽等地质缺陷。一般情况下，通常岩土体处于相对稳定的平衡状态;若一些条件变动，原来的平衡状态就可能变得不再平衡，如在边坡开挖与施工过程中，其固有的应力状态重新组合或分布，因此导致岩土体不再保持平衡状态而发生变形，严重的会导致塌陷、岩崩、坍落、面沉降以及滑坡地等常见的地质灾害。
　　为研究和预防此类灾害，将一种受拉杆件埋入岩土体中是工程上常一种常见的做法，这种做法可以用来提高和调动岩土体的自身参数和稳定能力，这种受拉杆件称为锚杆或锚索（以下统称为锚杆），其发挥的作用即为锚固。运用数学、工程材料和力学等专业知识分析岩土工程中的锚固计算、设计、监测、施工和动态设计调整等方面问题的工艺和技术我们称之为锚固工程。
　　2、锚杆类型
　　工程上常按以下方法分类：
　　（1）按是否施加预应力来划分，分为非预应力锚杆和预应力锚杆;
　　（2）按应用对象划分，分为土层锚杆和岩石锚杆、;
　　（3）按锚固体形态划分，分为端部扩大型锚杆、连续球型锚杆和圆柱型锚杆;
　　（4）按锚固部分大小划分，分为端部锚固式锚杆和全长锚固式锚杆;
　　（5） 按锚固体传力路径及荷载分布条件划分，分为压力分散型锚杆、拉力型锚杆、压力型锚杆和拉力分散型錨杆;
　　（6）按锚固机理划分，分为摩擦式锚杆（缝管式和水胀式及楔缝式锚杆）、黏结式锚杆（树脂锚杆、水泥砂浆锚杆）、混合式锚杆和端头锚固式（机械式）锚杆。
　　3、锚杆结构
　　工程上所定义的锚杆，往往是对受拉杆件所处的锚固体系的总称。锚杆一般由锚固体（段）、杆体（拉杆）、锚头三个部分组成。
　　锚固体：即锚杆端部，与岩石层相连紧密，它的作用是将来自拉杆的力通过周围岩土层间与锚固体的摩擦阻力来将力传递至稳固的岩层。
　　杆体：位于锚固结构的中心线上，它的作用是把来自锚头的拉力传递至锚固体。杆体一般要承受一定的拉力，因此需要采用抗拉强度比较高的钢材锻制。
　　锚头：是边坡表面构筑物与拉杆的相连的部件，它的作用为把来自边坡表面构筑物的荷载有效地传递至拉杆。
　　4、锚固作用机理
　　边坡锚固的基本原理是依靠锚杆周围稳定地层的抗剪强度来传递结构物（被加固物）的拉力，以稳定结构物或保持边坡开挖面自身的稳定。
　　5、锚固要素分析
　　边坡加固通常使用砂浆水泥 （或化学浆液、树脂、水泥浆等）将杆体（钢丝束或钢筋等）锚定在边坡地层的钻孔深处，从而达到锚固效果。实际工程中，大多数工程都是使用水泥砂浆锚杆。
　　锚杆基本力学参数：（1）抗拔力：即为锚杆可以承受的极限拉力，即锚固力;（2）握裹力：即为锚杆和黏结材料间的极限抗剪力;（3） 拉断力：杆体的极限抗拉强度;（4） 黏结力：锚杆孔壁岩土间和黏结材料的最大剪力。
　　锚固的传力过程：把锚固段取为隔离体，锚固段受到力的作用时，拉力首先通过握裹力传递到砂浆中，接下来通过黏结力（或摩阻力）传递至锚固的地层中。当杆体受到拉力的作用，除了杆体自身需有足够的截面积来承受拉力，还需要同时满足以下三个条件，锚杆才能发挥有效作用：
　　（1）周围岩土体在最不利的受力情况下依然能保持整体稳定性。（2）黏结力能承受极限应力;（3）杆体的握裹力能承受极限应力而不破坏;
　　6、锚固结构典型破坏形式
　　（1）沿着杆体与砂浆体的接触环面破坏;
　　（2）沿着地层与砂浆的接触环面破坏;
　　（3）锚杆杆体受拉断破坏;
　　（4）锚固段砂浆体剪切破坏;
　　（5）锚固段地层（土层或破碎岩体）剪切破坏。
　　7、锚固设计计算
　　（1）基本要求
　　在调查研究和岩土工程勘察工作基础上，锚固工程应采用理论计算、监控量测和工程类比相结合的设计办法，合理发挥岩土体的自承能力和固有强度。在锚杆设计前，应依据调查及勘察结果，对所采用的锚杆安全性、经济性进行评估，对施工可行性做出判断。锚杆按其服务期限可分为临时锚杆和永久锚杆：使用期限在2年以内的，可按临时锚杆设计;使用年限超过2年的，应按永久锚杆设计。设计永久锚杆时，必须先进行锚杆基本试验，并避免锚固段布设在未经处理的下列土层中。
　　（2）设计流程
　　以预应力锚杆为例，锚固工程设计主要包括锚杆的布置及布置角度设定、杆体材料的确定、锚杆结构设计、锚头及防腐措施、整体稳定性验算、锚固力的分析计算等内容。
　　（3）边坡锚固力计算
　　边坡锚固力计算过程中，首先需按照规范确定边坡设计安全系数，其次针对不同的破坏形式，计算单位长度边坡所需的锚固力。边坡锚固力计算可采用极限平衡法，但对于重要或复杂边坡的锚固设计，宜同时采用数值分析法和极限平衡法。
　　一般出现容易出现圆弧滑动面的锚固边坡，宜采用简化毕肖普法、摩根斯坦-普赖斯法或简布法计算，也可采用瑞典法计算。
　　一般出现容易出现直线滑动的锚固边坡，可通过平面滑动面解析法计算。
　　一般出现容易出现折线滑动面的边坡，通常采用传递系数隐式解法、摩根斯坦-普赖斯法或萨玛法计算。 　　对复杂的岩体结构的边坡分析，可用赤平极射投影法配合分析。
　　（4）锚杆布设
　　锚杆布设一般都应根据实际地质状况以及锚杆结构与其它支挡结构一起作用的具体情况来决定，须对边坡的地质岩体情况充分了解，了解了边坡变形破坏的模式后，才能决定锚杆布设位置。锚杆布设的总体原则是对边坡滑体产生最佳的抗滑效果，通常应满足如下的要求：
　　（1）锚杆与其他临近的地下设施或基础等的距离应大于3.0m。
　　（2）锚杆间距和长度，须根据锚固工程周围地层的稳定性确定。
　　（3）锚杆间距除必须满足锚杆的受力要求外，还应大于1.5m，避免因群锚效降低锚固力。岩土锚杆一般是以群体的方式显现的，若锚杆布置较密集，岩层中应力区的重叠会使得锚杆位移和应力叠加，因此容易导致锚杆极限抗拔力无法正常发挥，即群锚效应。群锚效应会使得锚杆极限抗拔力减小，群锚效应与锚杆间距、直径、长度及地层形状等因素有关。
　　（4）预应力锚杆的布置间距（下转138页）（上接136页）应考虑地层形态、所需的总的锚固力及单根锚杆的承载力设计值确定。一般条件下，I、II、III类岩体边坡预应力的锚杆间距宜为3.0～6.0m，IV类岩体及土质边坡预应力锚杆间距宜为2.5～4.0m。
　　（5）锚杆锚固段应在潜在滑面以外的稳定岩土体内，且上覆土层厚度一般要大于4.5m，施工过程中坡顶应避免反复荷载的影响。
　　（6）不同类型的工程，应根据锚杆的作用原理，对于锚杆倾角是不同的，确定锚杆倾角是有利于满足工程抗倾塌、抗滑或者抗浮的稳固要求。为了控制注浆的质量，当锚杆倾角设计过小时，注浆料会因泌水和硬化而产生的残余浆渣会影响锚杆的承载力，故锚杆倾角宜避免与水平面成-10°～+10°的范围，若在10°范围内的锚杆在施工是应注浆应采取保证浆液灌注密实的相应措施。
　　（7）为使钢绞线间有适宜的间距，钢绞线需要包裹足够的水泥浆，以满足钢绞线与注浆体间黏结强度的要求，锚杆钻孔直径应满足锚杆抗拔承载力和防腐保护要求，压力型或压力分散型锚杆的钻孔直径尚应满足承载体尺寸的要求。
　　（8）锚杆的设计角度，对深基坑或者近于直立的边坡陡坎，必须考虑邻近地基的状况、锚固地层所处的位置以及施工采取的方法和措施。一般情况下锚杆的设计倾角不小于14°，一般也不應大于45°。根据计算，倾角愈大锚杆等抵抗滑体变形的能力就会相应的减弱，因此锚杆布设角以15～35°为最佳。
　　总结：
　　本文将常见的边坡锚固结构的锚杆类型、锚杆结构、锚固作用机理、锚固要素分析、锚固结构典型破坏形式、锚固设计计算等做了分析和介绍。在工程实际中对于边坡治理的设计还须根据实际地质情况进行判断，做到边坡治理的动态设计。
　　参考文献：
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　　作者简介：
　　瞿宇（1987.1-），男，硕士，工程师，主要从事结构设计、工程管理、管理咨询工作。
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