曹玉亮 汪成 程彬

預(yù)應(yīng)力錨索框架梁是預(yù)應(yīng)力錨索與混凝土框架梁的復(fù)合結(jié)構(gòu),能夠充分發(fā)揮錨索和框架梁的錨固作用,被廣泛應(yīng)用于邊坡加固中。但在工程實(shí)踐中,仍有不少因框架梁發(fā)生破壞導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的事故發(fā)生,因此,對(duì)框架梁內(nèi)力的分布及作用在框架梁上土壓力的分布,仍需要做進(jìn)一步的探討。

1 錨索框架梁工作階段劃分

根據(jù)預(yù)應(yīng)力錨索框架梁加固邊坡體的作用機(jī)理和具體施工過(guò)程,可將其受力狀態(tài)分為兩個(gè)階段,即張拉階段和工作階段。張拉階段指的是張拉剛剛完成的階段,此時(shí)作用在梁上的外力主要有錨索張拉力、梁下巖土體的反壓力、梁的重力和梁底摩擦力。由于后兩者相對(duì)前兩者非常小,故這里只考慮作用于梁上的兩個(gè)主要外力,即錨索張拉力和梁下巖土體的反壓力。當(dāng)錨索預(yù)應(yīng)力張拉完成并錨固抑制穩(wěn)定后,預(yù)應(yīng)力錨索框架梁便逐漸進(jìn)入工作階段,此階段是預(yù)應(yīng)力錨索框架梁結(jié)構(gòu)的主要受力階段。這時(shí)作用在梁上的主要外力仍是錨索張拉力和梁下巖土體的反壓力,但在工作階段,由于錨索的存在,錨索緊拉框架梁抑制了坡體的滑移變形,起到加固坡體的作用,此時(shí)梁底反壓力主要是來(lái)自梁底巖土體變形壓框架梁而形成的主動(dòng)巖土體壓力。

2 數(shù)值模型建立

2.1 數(shù)值模擬方案

我們關(guān)心的問(wèn)題是框架梁在邊坡土體作用下內(nèi)力的情況,為了分析簡(jiǎn)化,計(jì)算中只考慮一個(gè)框架梁?jiǎn)卧淖饔?忽略梁自重和摩擦力作用,梁跟錨索假定為線彈性材料。

本次分析采用平面應(yīng)變分析,對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索框架橫梁的模擬比較困難,考慮到框架的力學(xué)作用主要是將巖土體的側(cè)向壓力傳遞給錨索,同時(shí)也將錨索的錨固力通過(guò)框架傳遞給下面的巖土體,橫梁的作用增加了框架的剛度,因此本次分析時(shí)采用等效分析方法,即將框架中豎梁的慣性矩乘以1.5,以此來(lái)考慮橫梁的作用。

框架梁進(jìn)入工作階段時(shí),由于坡頂負(fù)載或者降雨等原因,使巖土體參數(shù)值降低,從而造成土體向外滑移,模擬中采取降低巖土體參數(shù)30%的方法模擬框架梁工作階段時(shí)的受力。

2.2 計(jì)算模型

計(jì)算模型高45 m,寬56 m,上部為自由邊界,作用兩側(cè)水平約束,底部固定。邊坡模型見(jiàn)圖1。

2.3 計(jì)算參數(shù)

框架梁橫截面積為0.2 m2(寬0.4 m,高0.5 m),彈性模量為30 GPa,慣性矩為0.004 2 m4,縱梁按長(zhǎng)12 m,6 m分別計(jì)算;錨索橫截面積 0.009 5 m2,彈性模量 195 GPa,泊松比 0.3,容重78 kN/m3,計(jì)算時(shí),每根錨索的預(yù)應(yīng)力均施加為150 kN。巖土體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖土體計(jì)算參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果分析

實(shí)際施工中,框架梁的破壞很少是由于剪力的原因引起的,故本文只討論彎矩。結(jié)果見(jiàn)圖2～圖4。

3.1 張拉階段

由圖2,圖4可知,張拉階段中,在某一節(jié)點(diǎn)加載,除了在該節(jié)點(diǎn)處造成負(fù)彎矩外,還在另一節(jié)點(diǎn)處造成正彎矩。在加載過(guò)程中基本都是節(jié)點(diǎn)處彎矩絕對(duì)值比跨中大,而且節(jié)點(diǎn)處梁底都處于受拉狀態(tài)。比較圖2與圖3,可以看出隨著梁長(zhǎng)度的增加,跨中彎矩向負(fù)彎矩方向發(fā)展,當(dāng)梁的長(zhǎng)度達(dá)到一定值時(shí),其中間部位會(huì)產(chǎn)生負(fù)彎矩,而且隨梁長(zhǎng)度的增加,負(fù)彎矩會(huì)變得越大,因此在實(shí)際工作中,采取雙筋設(shè)計(jì)或者錨索間距不宜過(guò)大。

3.2 工作階段

圖3為豎梁工作階段彎矩圖。工作階段圖3與張拉階段圖2相比,豎梁彎矩值增大,說(shuō)明工作階段框架梁的受力發(fā)生了改變,框架梁的內(nèi)力增大,框架梁起到了約束坡體滑動(dòng)的作用。

3.3 錨索框架梁對(duì)梁底土體附加應(yīng)力影響

錨固效應(yīng)產(chǎn)生的根本原因在于巨大的錨固力主動(dòng)作用下坡體內(nèi)應(yīng)力的重新分布。圖5為錨固前邊坡應(yīng)力云圖,在無(wú)預(yù)應(yīng)力作用下,坡面出現(xiàn)拉應(yīng)力,表示坡體趨于破壞。圖6為施加預(yù)應(yīng)力后框架梁與巖體之間的土壓力分布,土壓力主要集中在節(jié)點(diǎn)附近,節(jié)點(diǎn)處大,跨中小。在錨固力作用下,坡體內(nèi)應(yīng)力發(fā)生了明顯變化,主應(yīng)力中心向錨固力集中區(qū)域即框架梁底部區(qū)域偏移,主應(yīng)力向四周擴(kuò)散,體現(xiàn)了預(yù)應(yīng)力錨索的主動(dòng)加固特性。一般自重應(yīng)力引起的地基壓縮變形絕大部分已經(jīng)在地質(zhì)歷史時(shí)期完成,所以,影響坡體變形穩(wěn)定性主要是由錨固力所引起的附加應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力錨索框架中,錨索錨固到框架上,錨固力首先作用于框架,然后通過(guò)框架傳遞給土體,從而在巖土體中產(chǎn)生附加應(yīng)力,調(diào)整巖土體內(nèi)應(yīng)力環(huán)境,達(dá)到加固邊坡的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)模擬分析,得出錨索框架梁主要受力變化規(guī)律情況如下:1)錨索框架梁不管是在張拉階段還是在工作階段,節(jié)點(diǎn)處彎矩值最大;工作階段彎矩受力大于張拉階段,且隨著梁長(zhǎng)度的增加,跨中彎矩向負(fù)值方向發(fā)展。2)坡體內(nèi)應(yīng)力在錨固力主動(dòng)作用下進(jìn)行了重新分布,土壓力主要集中在節(jié)點(diǎn)附近,節(jié)點(diǎn)處大,跨中小,主應(yīng)力中心向框架梁底部區(qū)域偏移,主應(yīng)力向四周擴(kuò)散。預(yù)應(yīng)力錨索框架有效改善了邊坡的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。

注:孫建樂(lè),王晗參與了本文的寫(xiě)作。

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