预应力锚索框架梁加固体系分析与设计

预应力锚索框架梁加固体系分析与设计
摘要：预应力锚索框架梁技术在近年来边坡治理工程中得到了广泛应用。

本文分析了其与边坡岩土体的相互作用机理及常见的破坏形态。

在此基础上提出了该结构在设计中所涉及到的问题，并在最后介绍了其附属结构的一些新研究。

关键词:预应力锚索框架梁受力分析设计要素
1 概述
预应力锚索框架梁作为一种新型的加固结构，近年来广泛应用于破碎岩质边坡和土质边坡的加固工程中。

作为一种主动的加固方法，预应力锚索框架梁体系通过锚索的预应力将滑动的坡体与稳定的基岩连接为一体，增加了岩体各层面的抗滑力，同时又通过坡面上的框架梁将各个锚索有效地连成一个整体，形成一个由表及里的被覆式加固体系，从而达到防止边坡整体失稳的目的。

2 预应力锚索框架梁与岩土体相互作用机理
预应力锚索框架梁加固技术是把预应力锚索的锚墩直接固定于框架结构上，使框架、预应力锚索和边坡岩土体共同承担加固结构物的荷载。

它是通过钢筋混凝土框架将锚索的锚固力传递给坡体，改变坡体应力状态，调用坡体自稳能力的一种主动加固方法。

锚索通过施加预应力增强滑带的法向应力，从而增加滑面摩擦力和减少边坡的下滑力，有效地增强了边坡的稳定性。

其主要作用包括两个方面：一是预应力锚索能充分利用和调动岩土体的物理力学特性，通过灌浆技术将预应力提供点设置在边坡稳定岩土体中，从而为获得足够的、稳定的预应力提供保证。

二是岩土体在正向压力下可使岩土体滑移面上的摩擦力增大，从而提高滑移面抗剪强度，增大坡体阻力，阻止边坡体继续滑动。

在边坡加固工程中一般很少单独使用框架梁直接加固，通常都是和锚索（杆）结合起来使用的。

框架梁作为其中的重要组成部分，主要作用有三种：一是作为一种传力结构，预应力首先作用在框架梁上，通过框架梁的传递使预应力能够在边坡体表层较均匀的分布，避免了过分的应力集中和因岩土变形所引起的预应力损失。

二是作为一种连接结构，它能加强各锚索之间的联系，使锚索不再单独作用于坡体，从而形成一个网状锚索体结构，形成由表及里的被覆式加固体系，保证了锚索在抗滑中的均匀性、连续性以及整体性。

三是作为一个支挡结构，这也是最重要的一个作用。

框架梁作用于坡体表面，在一定程度上改善了坡体的岩土体的力学性质，能够对坡体浅层的滑移和垮塌起到很好的抑制作用。

3 预应力锚索破坏形态及原因分析
在预应力锚索框架梁加固边坡的工程中，并不是所有的都能取得完满成功，实际工程中往往存在大量失败的案例。

通过对大量预应力锚索框架梁失败教训的
总结，作者认为预应力锚索框架梁的破坏主要有以下几种形式：
(1) 锚索筋被拉断。

造成这种破坏的原因可能是设计时锚索材料的使用应力偏高，安全储备小，并忽视了锚索筋受力不均匀的影响；也可能是锚索选型问题，把全长粘结锚索用于加固变形较大岩体；还有可能是施工中超张拉力不均。

(2) 锚固段被破坏。

锚固段的破坏可能是由于埋置深度不足，围岩体提供的抗剪力小于锚索拉力，在边坡有明显的滑移面时，锚固段产生破坏。

也可能是注浆体的抗压强度小于锚索拉力在承压板上产生的压应力，注浆体被压碎。

(3) 受力筋与注浆体接触面之间产生滑动，是拉力型锚索的主要破坏形式之一。

注浆体的强度决定了索体的握裹力，当注浆体达不到设计要求，或施工中存在蜂窝状结构，钢绞线有可能从注浆体中抽出。

(4) 锚索内锚固段沿孔壁抽出。

锚索的锚固力主要依赖于内锚固段注浆体与孔壁之间的粘结力。

通常因内锚固段长度不够、锚孔孔径偏小、预应力值过大等因素导致内锚固段沿孔壁抽出。

(5) 群锚失效。

群锚加固岩质边坡，导致锚索间相互作用而引起锚索预应力之减小，对不同强度的岩体，锚固的间距是确定预应力损失的重要因素。

岩体质量差，锚索间距小，必然会导致岩体表面的压缩效应发生，从而使群锚整体失效。

(6) 框架梁产生断裂或破坏。

这种破坏比较少见，一般是由于预应力设计值较小，导致边坡变形较大，或者是框架梁本身设计不满足要求，从而使框架梁产生破坏。

4 预应力锚索框架梁设计内容、步骤及受力分析
4.1 预应力锚索框架梁的设计步骤
预应力锚索框架梁的设计基本上可以按照以下流程进行，如图1所示：
图1预应力锚索框架梁设计流程图
4.2 锚索受力分析
预应力锚索框架梁在支护边坡工程中，主要受到以下几种力的作用，其受力情况可参考图2：
(1) 锚索拉力
根据预应力锚索框架结构的工作机理，锚索拉力是平衡边坡变形产生的下滑
力的主要作用力，是作用在锚索框架梁上的主要外力之一。

(2) 框架梁下的地基反力
地基反力是作用在预应力锚索框架梁的主要外力之一，为沿横梁和竖肋分布的分布力，并垂直于梁底，其分布形态及其数值大小与锚索拉力、框架梁刚度及地基刚度有关。

该力分布在框架的横梁和竖肋上，是在边坡变形和锚索约束的联合作用下产生的，是锚索框架结构和边坡岩土体之间相互作用的结果。

(3) 框架与坡面岩土体间的摩擦力
锚索框架结构体系和边坡岩土体之间相互作用的结果，该力和同时生成、同时存在，平行于框架梁梁底。

根据边坡角度、锚索中实际拉力值的不同，该力可能指向坡顶，也可能指向坡脚。

(4) 框架的自重
钢筋混凝土框架自身的重量，竖直向下，与作用在框架结构上的其它外力相比，其值一般较小，常忽略不计。

(5) 地面对框架的支承力
当框架没有埋入地面下时，此力的作用方向为竖直向上；当框架埋设在坡脚以下一定深度时，可考虑埋入段土的侧向抗力，此时该力与铅锤方向有一定的夹角。

该力在预应力锚索框架结构体系内所起的作用比较复杂，其值的大小及存在与否，不但和、、、等外力有关，而且和边坡的变形模式关系极大。

图2预应力锚索框架梁受力简图
5 预应力锚索框架梁主要参数的设计
在预应力锚索支护边坡工程中，预应力锚索的设计对于支护效果起着决定性的作用，如何确定锚索的设计要素是能否有效利用岩土体本身强度来加固边坡的关键。

锚索的设计要素主要包括锚固角、锚固段长度和锚索间距三个方面。

5.1 锚固角的确定
锚索的锚固角直接影响着锚固体与岩土体的作用形态，因而锚固角的设计对于抗滑力有很大影响。

为充分发挥锚索的锚固作用、提供最大的抗滑力、降低成本，锚固角的确定至关重要。

根据计算，为使锚索提供最大的抗滑力，应该按照锚固角来安装锚索，其中
为锚索与水平方向的夹角，为滑动面内摩擦角，为滑动面倾角。

此时，锚索对滑动体提供最大的抗滑力。

但锚索的长度可能较长，并不是最经济的锚固角。

最经济的锚固角，是兼顾锚索能提供最大抗滑力和所需锚索长度较小两方面来决定的锚固角。

最经济锚固角是单位自由张拉段长度的锚索提供最大抗滑力时的安装角度，通常根据公式来确定。

国内现行规范规定，支挡结构锚索的水平夹角不小于13°，也不应大于45°。

以13°~35°为宜。

5.2 锚固段长度的确定
边坡治理中锚索应深入基岩，在基岩中采用粘结锚固，并且粘结锚固长度必须达到足够的长度。

根据锚索抗拉强度及设计锚固力的大小，锚索粘结锚固长度应满足：；；（）；，
式中：为安全系数；为锚索体直径；为钻孔直径；为锚索体抗拉强度设计值；为水泥砂浆与锚索粘结强度的设计值；为水泥砂浆与孔壁岩石粘结强度的设计值；为锚索设计锚固力；为锚索钢绞线根数；为单束锚索直径；为锚索体外观直径。