一种岩质边坡加固的锚固洞结构设计方法.pdf

本发明为一种用于岩质边坡加固的锚固洞结构设计方法。首先初步拟定锚固洞的位置、长度、断面形状等参数，再将锚固洞简化为梁单元，建立加固边坡的有限元模型，然后利用有限元模型进行锚固洞内力计算，最后根据内力计算结果和混凝土构件设计理论进行锚固洞的配筋设计及设计参数优化。该方法具有概念明晰、计算精度高等优点，方便工程技术人员对锚固洞结构进行优良设计。

1.  一种岩质边坡加固的锚固洞结构设计方法，其特征在于所述的设计方法按以下步骤依次进行：
(1)初步拟定锚固洞参数：
根据岩质边坡潜在滑体的成因、性质、范围和稳定状态，通过工程类比法初步拟定包含有位置、长度、断面形状等岩质滑坡体锚固洞的参数；
(2)建立锚固洞加固边坡的有限元模型：
根据工程地质资料建立边坡的有限元模型，并将锚固洞简化为梁单元，将滑面简化为实体单元；
(3)计算分析锚固洞内力：
通过有限元模型计算获得锚固洞的变形和内力并据此绘制剪力图与弯矩图，计算最大剪力、弯矩、轴力及其部位；
(4)设计锚固洞配筋：
依据钢筋混凝土构件设计规范以及锚固洞内力计算结果对锚固洞配筋进行设计；
(5)优化锚固洞设计参数：
根据相关边坡设计规范规定的边坡稳定性要求与技术经济最优原则，对锚固洞设计参数进行优化分析，提出满足边坡稳定的锚固洞长度、高度以及配筋参数。

2.  根据权利要求1所述的锚固洞结构的设计方法，其特征在于：所述的梁单元为铁木辛柯(Timoshenko)梁单元，且其与岩土体单元共节点。

3.  根据权利要求1或2所述的一种边坡加固的锚固洞结构的设计方法，其特征在于：所述的梁单元采用线弹性材料模型，其材料参数是通过锚固洞抗弯刚度等效获得的。

一种岩质边坡加固的锚固洞结构设计方法
技术领域
本发明涉及边坡加固设计技术，特别涉及一种加固岩质边坡的锚固洞结构设计方法。
背景技术
锚固洞是一种用于加固坚硬、较完整岩质边坡的工程结构。锚固洞在软弱结构面控制的大型深层滑坡的治理中应用较为广泛，尤其是在水利水电工程的边坡加固工程中，如洪家渡电站2号滑体、大岗山电站右岸边坡等。锚固洞洞轴向一般平行滑动方向，水平或略向内侧倾斜。锚固洞内沿洞轴方向布置受力主钢筋(或型钢、钢管)，洞内用混凝土浇满，主钢筋主要受拉力作用。锚固洞主要凭借与岩体的共同作用，将滑坡推力传递到稳定地层，利用稳定地层的锚固作用和被动抗力来平衡滑坡推力，使边坡的稳定性得以提高。
目前，锚固洞的设计理论和计算方法没有形成较为统一的认识，边坡设计规范中未提出相应的计算规定。《水电水利工程边坡设计规范(DL/T5353-2006)》关于锚固洞的设计有如下规定：
(1)锚固洞宜用于岩体坚硬完整的边坡滑面较陡部位，洞轴方向应与滑体的滑动方向平行。为避免在滑体作用下受拉剪破坏，宜布置成向坡内倾斜，使其轴线尽量与滑面正交。对于利用已有勘探洞、施工支洞等改造形成的或与排水洞等结合使用的锚固洞，只宜作为加固措施之一，与其它加固措施共同参与抗滑稳定计算。
(2)锚固洞均应核算边坡在洞体上盘或下盘岩土体内沿次级滑面和沿混凝土与岩土体界面处发生剪切滑动的可能。
(3)锚固洞设计断面应结合边坡稳定计算确定，其回填钢筋混凝土计算应满足《DL/T5057》的有关规定。
(4)锚固洞必须对顶拱进行回填灌浆，必要时对洞周可进行固结灌浆。
目前，对锚固洞的设计一般通过工程类比法确定锚固洞位置和尺寸，其荷载取值、内力计算等方面无成熟、系统的设计计算方法。
锚固洞设计理论和计算方法的不完善使设计方案的合理性降低，甚至难以达到抗滑效果，如漫湾水电站左岸边坡在采用锚固洞加固后仍然在1989年1月7日发生滑坡，体积达10.6万m³，已完工的13个锚固洞均遭到破坏，其中6个洞为近似平行滑裂面的斜截面受拉破坏，有大偏心受拉并伴有剪压破坏特征，有7个洞为垂直洞轴线的正截面受拉破坏，有全截面小偏心受拉特征。
因此，当前锚固洞设计过程中存在许多问题亟待解决，如：
(1)锚固洞作用荷载难以确定，尤其是边坡采用多种加固形式或锚固洞分层布置时，作用于锚固洞上的滑坡推力及其分布形态等都难以准确计算；
(2)缺乏力学概念清晰的锚固洞计算模型。目前与锚固洞作用机制相近的抗滑桩的计算方法主要有悬臂梁和地基系数法等，而荷载和计算参数变化对这类方法的计算结果影响较大，难以满足锚固洞设计要求。
发明内容
本发明的目的就是针对上述现有技术的状况提供一种岩质边坡加固的锚固洞设计方法，较为全面的反映锚固洞受力特征，更为方便的获得锚固洞弯矩、剪力和轴力的分布形态，实现锚固洞的精确高效设计。
本发明的技术方案依次进行以下步骤：
(1)初步拟定锚固洞参数：
根据边坡滑体的成因、性质、范围和稳定状态，通过工程类比法初步拟定包含有位置、长度、断面形状等岩质滑坡体锚固洞的参数；
(2)建立锚固洞加固边坡的有限元模型：
根据工程地质资料建立岩质边坡的有限元模型，并将锚固洞简化为梁单元，将滑面简化为实体单元。
(3)计算分析锚固洞内力：
通过有限元模型计算获得锚固洞的变形和内力并据此绘制剪力图与弯矩图，计算最大剪力、弯矩、轴力及其部位；
(4)设计锚固洞配筋：
依据钢筋混凝土构件设计规范以及锚固洞内力计算结果对锚固洞配筋进行设计；
(5)优化锚固洞设计参数：
根据相关边坡设计规范规定的边坡稳定性要求与技术经济最优原则，对锚固洞设计参数进行优化分析，提出满足边坡稳定的锚固洞长度、高度以及配筋参数。
在设计中，利用上述有限元模型对锚固洞进行结构计算时：可将锚固洞简化为铁木辛柯梁单元，且其与岩土体单元共结点；梁单元采用线弹性材料模型，材料参数通过锚固洞抗弯刚度等效获得。
本发明的特点是，基于有限元分析理论，将锚固洞简化为梁单元，进行锚固洞内力计算，依据内力计算结果进行锚固洞的配筋设计及设计参数的优化。该方法具有概念明晰、计算精度高等优点，方便工程技术人员对锚固洞结构进行优良设计。
附图说明
附图1为加固边坡简化有限元模型示意图；
附图2为锚固洞初步设计参数示意图；
附图3为锚固洞弯矩图；
附图4为锚固洞剪力图；
附图5为锚固洞配筋图；
附图中：1-梁单元，2-主滑带，3-结构面，4-岩体材料分界面，5-边坡模型，6-抗剪洞。7-锚固洞，8-斜井。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的介绍。
(1)初步拟定锚固洞参数：
根据边坡滑体的成因、性质、范围和稳定状态，通过工程类比法初步拟定加固滑体的锚固洞位置、长度、断面形状等参数；根据规范规定：为避免在滑体作用下受拉剪破坏，宜布置成向坡内倾斜，使其轴线尽量与滑面正交；锚固洞在稳定岩体内应有足够嵌固长度，一般不小于2倍洞径；对于利用已有勘探洞、施工支洞等改造形成的或与排水洞等结合使用的锚固洞，只宜作为加固措施之一，与其它加固措施共同参与抗滑稳定计算。同时，锚固洞参数的拟定应考虑施工技术及联合支护等方面。
(2)建立锚固洞加固边坡的有限元模型：
根据工程地质资料建立边坡有限元模型，将锚固洞简化为铁木辛柯(Timoshenko)梁单元1，并根据锚固洞实际断面设置梁单元弹性模量、高度、宽度参数。边坡模型5中应考虑主滑带2、岩体材料分界面4、施工开挖过程、其它加固构件和对边坡稳定有显著影响的结构面3等。主滑面采用实体单元进行模拟，沿厚度方向的有限元网格数目不少于2个。边坡的岩体材料采用莫尔-库伦或DP弹塑性模型。
(3)计算分析锚固洞内力：
对边坡有限元模型进行求解，并利用有限元强度折减法，即对主滑带材料强度参数(粘聚力c和内摩擦角φ)的折减获得边坡的稳定性系数fs，在满足边坡稳定性要求的工况下计算锚固洞的变形和内力。在此基础上绘制剪力图与弯矩图，获得最大剪力、弯矩、轴力及其部位。
(4)设计锚固洞配筋：
依据钢筋混凝土结构设计规范(如GB 50010-2002、SL 191-2008)，锚固洞内力计算结果和锚固洞正截面受弯、受拉、受剪承载力，斜截面受剪承载力的计算结果，对锚固洞断面配筋进行设计。
(5)优化锚固洞设计参数：
根据规范规定的边坡稳定性要求与技术经济最优原则，对锚固洞设计参数进行优化分析，确定满足边坡稳定性要求的锚固洞位置、长度、高度以及配筋参数等。
本发明的具体实施示例如下：
1，设定边坡高程为1070.00～1135.00m，开挖坡比1∶0.3～1∶0.35。边坡中发育的顺坡、中倾坡外f231断层，以及βj601(fj605)、β4、β85、β62、fj619、β223、β219等岩脉、断层相互组合切割，形成一系列的不利块体，边坡稳定性较差。边坡呈现沿顺坡向卸荷裂隙XL316-1以及f231等控制性结构面的深层滑动破坏模式。
2，根据本发明对上述边坡加固的锚固洞结构设计如下：
(1)初步拟定锚固洞参数：
考虑对结构面的针对性，在软弱带较宽部位考虑抗剪洞与锚固洞的结合，分别在EL1240、EL1210、EL1180、EL1150、EL1120布置五层抗剪洞(8m×9m断面)，在EL1240、EL1210以间距32m布置10条锚固洞，在第IV，V，VI剖面处分别布置有3条、2条和1条斜井(5m×3m断面)。锚固洞断面跨度6m，高度7.5m，城门洞形。锚固洞水平布置，轴线方向与地质剖面方向一致(如图2)。锚固洞在II～III2类岩体中的延伸长度为15m，IV类岩体中的延伸长度为20m。
(2)建立锚固洞加固边坡的有限元模型：
从偏于工程安全的角度考虑，选取LPV-V剖面进行有限元分析。根据工程地质资料建立边坡有限元模型(如图1)，将锚固洞简化为铁木辛柯(Timoshenko)梁单元1，梁单元采用线弹性材料模型，其结构参数与实际一致，其材料参数为弹性模量E＝30GPa、泊松比u＝0.2。边坡模型中考虑主滑带2、岩体材料分界面4、施工开挖过程、其它加固构件和对边坡稳定有显著影响的结构面3等。主滑面采用实体单元进行模拟，沿厚度方向的有限元网格数目不少于2个。边坡的岩体材料5采用莫尔-库伦弹塑性模型，其材料参数取勘察报告建议值。
(3)计算分析锚固洞内力：
对边坡有限元模型进行求解，并根据有限元强度折减法基本原理，计算边坡的稳定性系数fs＝1.1时锚固洞的变形和内力，在此基础上绘制剪力图与弯矩图，计算结果表明EL1240高程锚固洞，承受的最大弯矩为10MNm，最大剪力为2MN，EL1210高程锚固洞承受的最大弯矩为26MNm，最大剪力为8MN(如图3、图4)。
(4)设计锚固洞配筋：
依据钢筋混凝土结构设计规范(如GB 50010-2002、SL 191-2008)，锚固洞内力计算结果和锚固洞正截面受弯、受拉、受剪承载力，斜截面受剪承载力的计算结果，对锚固洞断面配筋进行设计。采用6根I级45b工字型钢单排布置于锚固洞下部。锚固洞周边布置纵向构造筋和环向箍筋。配筋结构如图5所示。
(5)优化锚固洞设计参数：
根据规范规定的边坡稳定性要求与技术经济最优原则，为提高锚固洞的支护效果，降低工程造价，在原设计参数参数基础上调整锚固洞在II～III2类岩体中的延伸长度为10m，IV类岩体中的延伸长度为15m。经验算原配筋参数满足强度要求，边坡整体稳定性满足规范要求。