锚杆的优化设计

总第128期西部探矿工程series No.1282006年第12期WEST-CHINA EXPLORATION ENGINEERINGDec. 2006文章编号:1004--5716(2006)12- -0025- -02中图分类号:TD 854.7文献标识码:A锚杆的优化设计王巍,张家生(中南大学土建院,湖南长沙410075)摘要:根据锚杆在边坡加固中的主动加因机理,分别讨论了考虑锚固段、自由段及同时考虑自由段和锚固段时锚杆的最优方位角和最优锚固长度的确定方法。结合工程实例，介绍了它们的确定过程。从现场反馈回来的信息以及分析表明，该设计方法较为合理，可供设计单位参考。关键词:锚杆;加囤;最优;方位角;锚固长度! 概述锚固技术加固岩体从被动地阻止岩体再变形再破坏转向主动地利用岩体本身去加固岩体，是- -种 主动加固方法。锚杆加固岩体在工程中已被广泛应用,尤其是在高陡边坡加固中,锚杆以pP其使用灵活、加固深度大、能充分发挥岩土自身的强度、施工中不破坏原有边坡的整体性、占用空间少、见效快和造价低等特点显ka示了其极大的优越性。由于岩土工程的施工.大量的自然边坡和人工边坡需要加固处理,因此为了获得良好的加固效果,降低技图1锚杆加固滑坡示意图术成本.必须充分发挥锚杆的加固作用。而锚杆安设的方位角及锚固长度对加固力的大小与经济效益有很大影响，所以在边坡P=P.tanq+ P, =P[sin(a+β)anφ+cos(a+β)](1)加固设计与施工中受到了充分重视。本文介绍的优化设计方法式中:P - -增加的抗滑阻力增量;对提高经济效益有着重要的意义,采用本设计方法一般能减少P.--- 锚杆设计预应力值;总投资的8%~ 12%。P---P沿滑动面的法向分力;2锚杆的加固机理.P,沿滑动面的切向分力;锚杆加固边坡就是将锚杆插人预先钻好的孔内,-端固定滑动面倾角;在滑动面或潜在滑动面以内的稳定岩体中,另-端固定在坡面锚杆与水平方向的夹角;上,然后通过预张拉对锚杆施加预应力。锚杆使岩体直接受到人φ一滑动面的内摩擦角。为施加的外力作用,从而使不稳定滑体处于较高围压的双向应由上式可知,错杆-方面可直接在滑动面上产生抗滑阻力;力状态,滑坡的整体性就得到了加强,变形受到约束,岩土体的力另 -方面通过增大滑动面上的正应力来增大抗滑摩阻力。总之，学性质也相应得到了改善,研究表明,软弱面上的抗剪强度指标锚杆是从改善不稳定滑体的应力状态、提高边坡岩体的整体性(C、p)-般可提高16%和11%;再就是锚杆的加固力直接改变和增加滑动面上的抗滑阻力来加固边坡的。了滑动面上的受力状态(如图1所示)。3最优方位角和最优锚固长度的确定由于锚杆的加固所增加的抗滑阻力增量P为:众所周知,锚固角主要影响锚杆长度的确定,在确定锚固角录入速度;制，比如图框、里程等;(2)当层号相同，而岩.土名称不一至时;在数检时不应选择(3)在项目建立过程中,如果已经打开其它项目,这时建立新“岩性是否统-”进行数检;否则会出现数检不通过;项目,则在数据输人操作中会出现没有此数据表的现象;(3)此软件支持层号重叠和层号混排情况。但如果要进行(4)在图表中的钻孔柱状图，如果分层较多时,会造成特征描数据统计，则会在统计时出现错误:述丢失;(1)允许用户自己建立图例。但须对AutoCAD较熟。(5)在室内测试资料和标准贯入试验资料中,如果出现岩、土5存在问题样或标准贯人试验刚好在分层界线上时,资料汇总会出现错误。(1)本软件与-些打印机驱动程序不兼容;比如在出图时与6 结束语EPSON MJ]1500K的打印机驱动程序不兼容,经常会造成死机;行处理可以提高工作效(2)高版本的理正工程地质勘察CAD在土层数据输人过程率,保中国煤化工致，为资料的长期保存中不能一行进行复制;并且高版本中对一些实用功能进行了限提供可:TYHCNMHG.Dec. 2006 .西部探矿工程26No, 12时,应对不同错固角所提供的最大抗滑力与最少投资-并考虑。为 -寬30m的鞍形地带,以上横坡变陡,坡角65°左右,地层总体锚杆方位角的确定主要依赖于滑动面或可能滑动的滑动面产倾向西北,倾角20°~35°,极不稳定。路槽以上为强风化泥质粉状、粗糙程度及其力学性质,所以设计和施工前应做必要的现场砂岩 ,岩体极破碎,几乎呈棋盘状。岩质极软, 90%的岩石手即可调查和理论分析,以便查明滑动面的产状及其相关性质。掰断。K38+953~K39 +023段岩体呈强-全风化状。纵横裂3.1 仅考虑锚固段时隙发育,特别是发育了大量隐蔽节理。将岩体完全分割成10cm锚杆提供的抗滑力为(1)式，将(1)式对(a+R)求导,并令其左右小块状。 岩体本身凤化特别严重，强度极低。为0,得到a+β= p,此时锚杆可获得最大抗滑力T物mx为:4.2滑动面基本参数工滑动面的综合指标取值为C= 18. 6MPa,q=15.7°,安全系Tho= cosp数取值为Fs= 1.15,每单位沿米下滑力为976. 183kN。即β= φ-a时锚杆可获得最大的抗滑力。4.3治理措施3.2 仅考虑自由段时采用锚杆加固该边坡。共采用锚杆180根锚杆。考虑到坡由(1)式可知:要获得最大抗滑力的最优锚固角为:β=φ-a。面岩层破碎,采用井字形锚座。锚固长度、钻孔直径.每根锚杆承但是.此时锚杆长度最大。为获得最经济铺固角,联合求解下式，受的荷载见表1.锚杆的平面布置如图2所示。并令F(a+b)=p/L,取F(a+β)极大值即可。| max[ P(a+β) = P'sin(a+β)tanφ+P' cos(a+β)] .表1锚固长度及最优锚圊角表I min(L,)= L'/sin(a+β)坡段最优角(°) 最优长度(m) 实取长度(m)承载力(kN)由上式可解得最优锚固角为:一、二级坡34.8.761200u≈其+罢-a(3)三、四级坡27.57. 821000五级坡256. 68003.3同时考虑锚固段和自 由段时由理论分析可知:15+2k+1-。(4)式中:k锚杆的锚固段长度与 自由段长度之比。(5)~(4)式即为同时考虑锚固段和自由段时的最优锚固角。.般情况下,锚杆的锚固长度在锚固力确定之后就不会改变多少,所以最终影响锚杆长度的因素是自由段长度,因此,最优锚固角的确定应以考虑自由段时的最优锚固角为标准，即:團2锚杆横断面布置图=开+界-a3.4内锚固段最优长度的确定经过分析比较,采用优化设计方法比采用常规的设计方法内锚固段长度是锚杆设计的一个重要指标，直接影响工程的总投资减少了10. 3%,而且,此滑坡自从2001年9月治理之造价。研究表明:锚杆轴力、剪力的分布集中在内锚固段外端后 ,到目前为止，尚无任何要破坏的迹象。因此,介绍的优化设计2. 0m范围内。方法无论在技术上还是在经济效益上都切实可行。设剪力为:τ=f{(Lm,N)(5) 5 结论内粘结力为:T= xDL_C(6通过理论分析和比较，从锚杆提供给滑动面的抗滑阻力的式中:τ剪力;大小和提高边坡岩体整体性的效果等方面考虑.提出的锚杆设1内锚固段的直径;计中最优锚固长度和最优方位角的优化设计方法。经过现场反内锚固段长度,m;馈的信息表明,无论在技术上还是在经济效益上都确实可行,可岩锚之间的粘结强度。供设计部门参考使用。可由下式求得内锚固段长度:"rDLm.Cdl参考文献:(7) [1] 顾湘生. 锚杆在施治铁路病害高边坡中的应用路基1.程, 1992.」。”f(Im.N)dl(6);9~ 13.式中:F。.安全系数(根据工程重要性所确定,其它符号同上)。[2] Jun Kanda, Haresh Shah. Engincering role in failure lost valuationfor building U]. Structural safy, 1997, 19(1):79~90. .4工程应用4.1边坡工程地质概况[3]封金财.锚杆在整治滑坡中的应用[J]有家止铁道学院报，200(6):74~77.鹅山冲滑坡位于贵州省凯麻高速公路第五标段K38+ 860~[4]F1].路站1程,2002,(3).11K39+ 140段挖方路堑右侧,有40多万立方米的塌方。该路段区中国煤化工横坡40°~65*，主线从半山挖方通过，横坡在高于路基125m处.YHCNMHG