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论灌浆锚杆在黏性土质边坡加固中的应用

    摘 要 :介绍了大禹渡沉沙池工程概况,提出了灌浆锚杆加固沙堤的设计思路,详细阐述了锚杆加固设计的各个环节,包括沙堤边坡的稳定计算、需要锚杆提供的抗滑力矩的计算、锚杆的布置、锚杆的设计抗拔力的计算以及锚杆抗滑力矩的计算,并对大禹渡沉沙池锚杆加 固的设计结果进行 了介绍。 
    关键词:边坡加固;灌浆锚杆;锚杆抗拔力;抗滑力矩 
    中图分类号:TV554  文献标识码:A

    锚杆是把来自结构物的拉力传递到稳定地基上从而维持结构及地层稳定的结构,土中运用的灌浆锚杆称为土层锚杆。笔者在大禹渡灌区枢纽沉沙池工程技术改造设计时,对沉沙池加固进行了方案比较,其中灌浆锚杆加 固方案采用锚杆和混凝土护坡相结合,来对沉沙池不稳定的池堤边坡进行加固。 
1 大禹渡枢纽沉沙池工程概况 
    大禹渡枢纽沉沙池位于一级站东北侧,为东西向布置,进口与一级站出水池相接,出口与二级站引水渠相连。沉沙池采用平流式,由进水闸、沉沙厢、溢流堰、集水槽、排沙闸、排沙洞及排沙渠组成。进水闸位于沉沙池的首端,共2座,每座分为 2孔,闸孔尺寸为 2.0mx3.5m。沉沙池共2厢,交替运行,工作长度 220m,底坡 1/50;首端底宽6 m,池深 5 m,设计水深 4.65 m;末端底宽 4.5 m,池深 9.4 m,设计水深9.05 m。池堤边坡 l:l~l:l.86。沉沙池池堤桩号 0+130以前为水中倒土填筑,0+130~0+220段为半挖半填或全挖方。沉沙池采用浆砌石护砌,底板厚 40 cm一60 cm,池堤护坡厚度为 40 cm~70 cm。在桩号 0+170~0+220段溢流堰设于沉沙池顶部,为环行布置。集水槽分为正槽和侧槽,呈“山”字形布置。排沙闸设在沉沙池的末端,共2座,闸孔尺寸为 2.0 mx2.4 m。排沙洞斜向从沉沙池底板下穿过,纵坡1/30~1/40,排沙洞的横断面为城门洞型,底宽 1.6m,高 2.0m~2.3m。洞出口设排沙渠,以 1/50纵坡将泥沙排入黄河。 
    沉沙池于1974年 8月建成并投入运行。1975年7月间,沉沙池泄空排沙时,其中部的北堤和中堤各长50 m一段发生滑坡事故,其他地段出现不同程度的沉陷和变形。1975年 10月至 1976年3月,对滑坡地段进行了修复,对其他地段也进行了加固整修。由于沉沙池坐落于黄河岸边的古冲沟内,工程地质条件特殊,地下水排泄受阻,导致水位过高,致使池堤边坡稳定性差 ,沉沙池不能按原设计2厢交替运行。 
2 灌浆锚杆加固池堤的设计思路 
  受锚杆挡土墙的启发,可将锚杆和池堤护坡结合起来,约束滑动土体,增强池堤的抗滑稳定性。灌浆锚杆加固池堤的设计思路如下:池堤边坡的稳定计算—需要锚杆提供的抗滑力矩计算—锚杆初步布置—锚杆的设计抗拔力计算—锚杆的抗滑力矩计算。如果锚杆的抗滑力矩大于锚杆需要提供的抗滑力矩,则初步布置的锚杆参数(包括锚杆长度、锚固段长度、锚杆钻孔孔径、锚杆倾角、锚杆拉杆直径 、锚杆的水平间距、锚杆的竖向间距)是可行的。如果锚杆的抗滑力矩小于锚杆需要提供的抗滑力矩,则需调整锚杆布置,直至满足要求。下面就锚杆加固设计的各个环节分别进行论述。 
2.l 池堤边坡的稳定计算 
  池堤边坡的稳定计算是边坡加固的基础。稳定计算主要是确定池堤边坡的抗滑稳定是否满足规范要求,若不满足要求。须计算出最危险滑弧的安全系数、滑弧圆心、滑弧半径、下滑力。影响抗滑稳定计算结果主要有两个方面的因素:稳定计算方法和土的抗剪强度指标 的选取。 
2.1.1 稳定计算方法 
  沉沙池池堤边坡稳定计算采用瑞典圆弧滑动法。由于太沙基公式没有考虑土条间的推力,其计算结果比利用肖普公式计算的安全系数低,选用太沙基公式比较合适 。 
2.1.2 土的抗剪强度指标选用 
  土的抗剪强度指标应根据填料的性质和排水条件,合理选用土的抗剪强度指标。由于有效应力对孔隙水压力计算精度要求较高,故稳定计算采用总应力法,根据沉沙池的具体情况,选择北堤、中堤进行稳定计算。北堤按冲沙泄空时水位骤降进行迎水坡的稳定计算;中堤按一厢上水运行、一厢不运行、稳定渗流时进行背水坡的稳定计算,冲沙泄空时水位骤降进行迎水坡的稳定计算。经长期蓄水运行,堤身部分土体浸水饱和,应采用饱和固结快剪强度指标或饱和固结不排水剪强度指标 。 
2.2 需要锚杆提供的抗滑力矩的计算 
  根据抗滑稳定公式,需要锚杆提供的抗滑力矩满足下列公式要求:
        Kl≥(M抗+M需)/M滑               (1) 
  式中,K1为抗滑稳定安全系数;M抗为滑动体提供的抗滑力矩,kN•m;M需为锚杆体提供的抗滑力矩,kN•m;M滑为滑动体提供的下滑力矩,kN•m。 
        M需≥(Kl一K) P滑x Rx L          (2) 
  式中,K为池堤边坡滑弧力安全系数;P滑为滑动体的下滑力,kN;R为滑弧半径,m;L为锚杆水平间距,m。 
  可知M需与抗滑稳定安全系数Kl和锚杆水平间距L有关。锚杆水平间距根据锚杆布置确定。对于抗滑稳定安全系数,目前土层锚杆加固边坡尚无规范可依。参考相关规范,由于土层锚杆加固与水工预应力锚固有所不同,综合上述情况,确定安全系数在正常运用条件下为1.4,非常运用条件下为 1.2。 
2.3 锚杆初步布置 
  锚杆采取多层布置。上层锚杆沿斜坡距池堤顶2.5 m,锚杆长l2.3 m,锚固段9 m,锚杆倾角水平向下l8°,为确保锚杆锚固体提供足够的抗拔力,选用钻孔直径为 180 mm。第一层锚杆的锚固体中心至池顶覆土厚度为 4.09 m,满足目前工程经验要求的 4 m~5 m覆土厚度。锚杆间距包括水平间距和竖向间距。结合类似工程做法。水平间距 2 m,竖向间距 2 m~2.5 m,即沿沉沙池斜坡 2 m~2.5 m,视边坡具体情况而定。锚杆的层数根据锚杆加固计算具体确定。 
对于不稳定均质黏土边坡,锚杆的倾角对锚杆的抗滑力矩影响比较大。研究表明,均质黏土边坡锚杆的最佳倾角是变化的,它随着锚杆距堤顶的距离增大而增大。考虑施工方便,各层锚杆倾角应一致,以水平向下倾斜 l5°~25°为宜。 
2.4 锚杆的设计抗拔力计算
      锚杆的设计抗拔力应按下式计算: 
         T=Tu/K 2         (3) 
  式中,Tu为锚杆极限抗拔力,kN;K2为锚固段长度安全系数,参照《水工预应力锚固设计规范》,取1.5。 
  土层锚杆的极限抗拔力取决于拉杆与锚固体之间的极限握固力和锚固体与土体的极限抗拔力,后者一般均小于前者,因此,锚杆的极限抗拔力主要取决于后者,一般可考虑由土的强度控制。一般采用《地基基础的设计与计算>中提供的公式: 
         Tu=∑πDLer        (4) 
  式中,Tu为锚杆极限抗拔力,kN;D为锚杆钻孔直径,m;Le为锚杆的有效锚固段在土层的长度,m;r为锚固段周边土层中土的抗滑剪强度,kPa。 
  r按下式确定: 
         r=C+k0γhtgψ       (5) 
  式中,k0为锚固段孔壁的土压力系数,取 1;h为锚固段孔壁的土层覆盖厚度,m,根据锚杆的布置确定;C为锚固区土层的黏聚力,kPa;ψ为土的内摩擦角,(°);γ为堤的土层湿密度,kN/m3。 
  抗剪强度指标也应采用饱和固结快剪强度指标或饱和固结不排水剪强度指标。经计算γ=28.3 kPa~43.4 kPa,在铁道部科学研究院提出的土层值在30kPa~60kPa之间的范围内 ,是比较合理的。 
  由于土层受地质因素(土层性质、地下水等)影响差异较大。计算模式与计算指标的差异,设计计算锚杆的设计抗拔力和极限抗拔力可能与实际存在较大的误差,在施工前必须进行现场抗拔力试验来检验和确定锚杆的极限抗拔力 。 
2.5 锚杆的抗滑力矩计算 
  锚杆的抗滑力矩为锚杆的设计抗拔力与滑弧圆心距设计抗拔力作用线的距离的积 。 
3 大禹渡沉沙池锚杆加固设计结果 
  经计算,锚杆长12.3 m,锚固段 9 m,锚杆倾角为水平向下倾斜18°,钻孔直径为 180 mm。锚杆的排数和间距见表 1。 
  锚杆的钢拉杆选用II级钢筋,各排锚杆的极限抗拔力和钢拉杆直径见表2。 
  加固后池堤边坡的抗滑安全系数见表 3。

表 1  锚杆排数和间距表


桩号项目
                   北  堤
中  堤

0+060
0+090
0+140
0+060

锚杆排数
4
4
5
3

竖向间距/m
2
2  25
2  1
2  8

纵向间距/m
2
2
2
2



表 2   锚杆的钢拉杆直径表

排 次
第一排
第二排
第三排
第四排
第五排

锚杠极限抗拔力/kN
  144
  171~189

  174~202
191~205
   220

  拉杆直径/mm
   26
    30
     30
   30
32



表3   沉沙池加固后池堤边坡安全系数计算成果表



桩号
      北   堤
               中           堤

正常情况
地震情况
         正常情况
     地震情况

背水坡
背水坡
临水坡
背水坡
临水坡
背水坡

0+060
  1.79
   1.64






0+080



    1.58
     1.58
    1.38
     1.38

0+090
   1.62
    1.44






0+140
   1.42
    1.30
    1.41
   1.39
    1.32
    1.30

0+210
   1.87
   1.52 
     1.42
    1.48
    1.32
    1.36


4 结论 
  (1)当今锚杆技术在工程中被广泛应用。将锚杆和混凝土护坡相结合,约束滑动土体。对黏性土质边坡进行加固。为黏性土质边坡加固开创了一条新途径。 
  (2)由于土层锚杆旌工技术比较复杂。造价较高。在黏性土质边坡加固中,应根据工程的实际情况,考虑多个加固方案。进行技术经济比较。选取最佳加固方案。 
     (3)在利用灌浆锚杆加固黏性土质边坡前,一定要做好边坡的地质勘探工作。摸清各岩层的性质和水文地质情况。在测定土的强度时,应该使试验室的模拟条件尽量符合实际受力情况。使试验指标具有一定的代表性。对于土的指标变化比较大的人工填筑黏性土质边坡 ,采用灌浆锚杆加固应慎 重 。必要时应采用化学灌浆以提高锚杆的极限抗拔力 。 
  (4)由于工程地质条件、地下水、灌浆压力等因素影响,计算结果不一定完全符合实际,因此,锚杆的极限抗拔力必须通过现场抗拔试验来确定。 

参考文献 
[1] 黄熙龄,秦宝玖.地基基础的设计与计算[M].北京:中国建筑工业出版社,1981. 
[21 华东水利学院.土工原理与计算(上、下册)[M].北京:水利电力出版社,1980. 
[3] 冯国栋.土力学[M].北京:水利电力出版社,1986.


The Application of Grouted Anchor Stock in the Strengthening Design of the Clay Soil Slope 


WU Hua-chang 

ABSTRACT:This paper introduces the general situation of the engineering of Dayudu Sand Basin,puts forward the design,thought of strengthening the sand dam with the grouted anchor stock,expounds in demil each link of the strengthening design with the anchor stock,which includes the calculation of sand slope’s stabilitythe calculation of the needed skid—resisting moment provided by the anchor stock,the arrangement of the anchor stock.the calculation of anchor stock’s designed withdrawal resistance,and the calculation of anchor stock’S skid—resisting moment and introduces the resuits of the design of the anchor stock strengthening design of Dayudu Sand Basin. 
KEYWORDS:slope strengthening;grouted anchor stock;withdrawal resistance;skid—resisting moment
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