專利名稱：一種巖質邊坡加固的錨固洞結構設計方法
技術領域：
本發(fā)明涉及邊坡加固設計技術，特別涉及一種加固巖質邊坡的錨固洞結構設計方法。
背景技術：
錨固洞是一種用于加固堅硬、較完整巖質邊坡的工程結構。錨固洞在軟弱結構面 控制的大型深層滑坡的治理中應用較為廣泛，尤其是在水利水電工程的邊坡加固工程中， 如洪家渡電站2號滑體、大崗山電站右岸邊坡等。錨固洞洞軸向一般平行滑動方向，水平或 略向內側傾斜。錨固洞內沿洞軸方向布置受力主鋼筋(或型鋼、鋼管)，洞內用混凝土澆滿， 主鋼筋主要受拉力作用。錨固洞主要憑借與巖體的共同作用，將滑坡推力傳遞到穩(wěn)定地層， 利用穩(wěn)定地層的錨固作用和被動抗力來平衡滑坡推力，使邊坡的穩(wěn)定性得以提高。目前，錨固洞的設計理論和計算方法沒有形成較為統(tǒng)一的認識，邊坡設計規(guī)范中 未提出相應的計算規(guī)定?！端娝こ踢吰略O計規(guī)范(DL/T5353-2006)》關于錨固洞的設 計有如下規(guī)定(1)錨固洞宜用于巖體堅硬完整的邊坡滑面較陡部位，洞軸方向應與滑體的滑動 方向平行。為避免在滑體作用下受拉剪破壞，宜布置成向坡內傾斜，使其軸線盡量與滑面正 交。對于利用已有勘探洞、施工支洞等改造形成的或與排水洞等結合使用的錨固洞，只宜作 為加固措施之一，與其它加固措施共同參與抗滑穩(wěn)定計算。(2)錨固洞均應核算邊坡在洞體上盤或下盤巖土體內沿次級滑面和沿混凝土與巖 土體界面處發(fā)生剪切滑動的可能。(3)錨固洞設計斷面應結合邊坡穩(wěn)定計算確定，其回填鋼筋混凝土計算應滿足 《DL/T5057》的有關規(guī)定。(4)錨固洞必須對頂拱進行回填灌漿，必要時對洞周可進行固結灌漿。目前，對錨固洞的設計一般通過工程類比法確定錨固洞位置和尺寸，其荷載取值、 內力計算等方面無成熟、系統(tǒng)的設計計算方法。錨固洞設計理論和計算方法的不完善使設計方案的合理性降低，甚至難以達到抗 滑效果，如漫灣水電站左岸邊坡在采用錨固洞加固后仍然在1989年1月7日發(fā)生滑坡，體 積達10. 6萬m3，已完工的13個錨固洞均遭到破壞，其中6個洞為近似平行滑裂面的斜截面 受拉破壞，有大偏心受拉并伴有剪壓破壞特征，有7個洞為垂直洞軸線的正截面受拉破壞， 有全截面小偏心受拉特征。因此，當前錨固洞設計過程中存在許多問題亟待解決，如(1)錨固洞作用荷載難以確定，尤其是邊坡采用多種加固形式或錨固洞分層布置 時，作用于錨固洞上的滑坡推力及其分布形態(tài)等都難以準確計算；(2)缺乏力學概念清晰的錨固洞計算模型。目前與錨固洞作用機制相近的抗滑樁 的計算方法主要有懸臂梁和地基系數法等，而荷載和計算參數變化對這類方法的計算結果 影響較大，難以滿足錨固洞設計要求。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的就是針對上述現有技術的狀況提供一種巖質邊坡加固的錨固洞設計方法，較為全面的反映錨固洞受力特征，更為方便的獲得錨固洞彎矩、剪力和軸力的分布 形態(tài)，實現錨固洞的精確高效設計。本發(fā)明的技術方案依次進行以下步驟(1)初步擬定錨固洞參數根據邊坡滑體的成因、性質、范圍和穩(wěn)定狀態(tài)，通過工程類比法初步擬定包含有位 置、長度、斷面形狀等巖質滑坡體錨固洞的參數；(2)建立錨固洞加固邊坡的有限元模型根據工程地質資料建立巖質邊坡的有限元模型，并將錨固洞簡化為梁單元，將滑 面簡化為實體單元。(3)計算分析錨固洞內力通過有限元模型計算獲得錨固洞的變形和內力并據此繪制剪力圖與彎矩圖，計算 最大剪力、彎矩、軸力及其部位；(4)設計錨固洞配筋依據鋼筋混凝土構件設計規(guī)范以及錨固洞內力計算結果對錨固洞配筋進行設 計；(5)優(yōu)化錨固洞設計參數根據相關邊坡設計規(guī)范規(guī)定的邊坡穩(wěn)定性要求與技術經濟最優(yōu)原則，對錨固洞設 計參數進行優(yōu)化分析，提出滿足邊坡穩(wěn)定的錨固洞長度、高度以及配筋參數。在設計中，利用上述有限元模型對錨固洞進行結構計算時可將錨固洞簡化為鐵 木辛柯梁單元，且其與巖土體單元共結點；梁單元采用線彈性材料模型，材料參數通過錨固 洞抗彎剛度等效獲得。本發(fā)明的特點是，基于有限元分析理論，將錨固洞簡化為梁單元，進行錨固洞內力 計算，依據內力計算結果進行錨固洞的配筋設計及設計參數的優(yōu)化。該方法具有概念明晰、 計算精度高等優(yōu)點，方便工程技術人員對錨固洞結構進行優(yōu)良設計。


附圖1為加固邊坡簡化有限元模型示意圖；附圖2為錨固洞初步設計參數示意圖；附圖3為錨固洞彎矩圖；附圖4為錨固洞剪力圖；附圖5為錨固洞配筋圖；附圖中1-梁單元，2-主滑帶，3-結構面，4-巖體材料分界面，5-邊坡模型，6_抗 剪洞。7-錨固洞，8-斜井。
具體實施例方式下面結合附圖，對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步的介紹。
(1)初步擬定錨固洞參數根據邊坡滑體的成因、性質、范圍和穩(wěn)定狀態(tài)，通過工程類比法初步擬定加固滑體的錨固洞位置、長度、斷面形狀等參數；根據規(guī)范規(guī)定為避免在滑體作用下受拉剪破壞， 宜布置成向坡內傾斜，使其軸線盡量與滑面正交；錨固洞在穩(wěn)定巖體內應有足夠嵌固長度， 一般不小于2倍洞徑；對于利用已有勘探洞、施工支洞等改造形成的或與排水洞等結合使 用的錨固洞，只宜作為加固措施之一，與其它加固措施共同參與抗滑穩(wěn)定計算。同時，錨固 洞參數的擬定應考慮施工技術及聯(lián)合支護等方面。(2)建立錨固洞加固邊坡的有限元模型根據工程地質資料建立邊坡有限元模型，將錨固洞簡化為鐵木辛柯(Timoshenko) 梁單元1，并根據錨固洞實際斷面設置梁單元彈性模量、高度、寬度參數。邊坡模型5中應 考慮主滑帶2、巖體材料分界面4、施工開挖過程、其它加固構件和對邊坡穩(wěn)定有顯著影響 的結構面3等。主滑面采用實體單元進行模擬，沿厚度方向的有限元網格數目不少于2個。 邊坡的巖體材料采用莫爾_庫倫或DP彈塑性模型。(3)計算分析錨固洞內力對邊坡有限元模型進行求解，并利用有限元強度折減法，即對主滑帶材料強度參 數(粘聚力c和內摩擦角Φ)的折減獲得邊坡的穩(wěn)定性系數fs，在滿足邊坡穩(wěn)定性要求的 工況下計算錨固洞的變形和內力。在此基礎上繪制剪力圖與彎矩圖，獲得最大剪力、彎矩、 軸力及其部位。(4)設計錨固洞配筋依據鋼筋混凝土結構設計規(guī)范(如GB 50010-2002,SL 191-2008)，錨固洞內力計 算結果和錨固洞正截面受彎、受拉、受剪承載力，斜截面受剪承載力的計算結果，對錨固洞 斷面配筋進行設計。(5)優(yōu)化錨固洞設計參數根據規(guī)范規(guī)定的邊坡穩(wěn)定性要求與技術經濟最優(yōu)原則，對錨固洞設計參數進行優(yōu) 化分析，確定滿足邊坡穩(wěn)定性要求的錨固洞位置、長度、高度以及配筋參數等。本發(fā)明的具體實施示例如下1，設定邊坡高程為1070. 00 1135. 00m，開挖坡比1 0. 3 1 0.35。邊坡 中發(fā)育的順坡、中傾坡外f231斷層，以及β j601(fj605)、β 4、β 85、β 62、f j619、β 223、
β 219等巖脈、斷層相互組合切割，形成一系列的不利塊體，邊坡穩(wěn)定性較差。邊坡呈現沿順 坡向卸荷裂隙XL316-1以及f231等控制性結構面的深層滑動破壞模式。2，根據本發(fā)明對上述邊坡加固的錨固洞結構設計如下(1)初步擬定錨固洞參數考慮對結構面的針對性，在軟弱帶較寬部位考慮抗剪洞與錨固洞的結合，分別在 EL1240、EL1210、EL1180、EL1150、EL1120布置五層抗剪洞(8mX9m斷面)，在EL1240、EL1210 以間距32m布置10條錨固洞，在第IV，V，VI剖面處分別布置有3條、2條和1條斜井(5mX3m 斷面)。錨固洞斷面跨度6m，高度7. 5m，城門洞形。錨固洞水平布置，軸線方向與地質剖面 方向一致(如圖2)。錨固洞在II III2類巖體中的延伸長度為15m，IV類巖體中的延伸 長度為20m。(2)建立錨固洞加固邊坡的有限元模型
從偏于工程安全的角度考慮，選取LPV-V剖面進行有限元分析。根據工程地質資料建立邊坡有限元模型(如圖1)，將錨固洞簡化為鐵木辛柯(Timoshenko)梁單元1，梁單 元采用線彈性材料模型，其結構參數與實際一致，其材料參數為彈性模量E = 30GPa、泊松 比u = 0. 2。邊坡模型中考慮主滑帶2、巖體材料分界面4、施工開挖過程、其它加固構件和 對邊坡穩(wěn)定有顯著影響的結構面3等。主滑面采用實體單元進行模擬，沿厚度方向的有限 元網格數目不少于2個。邊坡的巖體材料5采用莫爾-庫倫彈塑性模型，其材料參數取勘 察報告建議值。(3)計算分析錨固洞內力對邊坡有限元模型進行求解，并根據有限元強度折減法基本原理，計算邊坡的穩(wěn) 定性系數fs = 1. 1時錨固洞的變形和內力，在此基礎上繪制剪力圖與彎矩圖，計算結果表 明EL1240高程錨固洞，承受的最大彎矩為lOMNm，最大剪力為2麗，EL1210高程錨固洞承受 的最大彎矩為26MNm，最大剪力為8麗(如圖3、圖4)。(4)設計錨固洞配筋依據鋼筋混凝土結構設計規(guī)范(如GB 50010-2002,SL 191-2008)，錨固洞內力計 算結果和錨固洞正截面受彎、受拉、受剪承載力，斜截面受剪承載力的計算結果，對錨固洞 斷面配筋進行設計。采用6根I級45b工字型鋼單排布置于錨固洞下部。錨固洞周邊布置 縱向構造筋和環(huán)向箍筋。配筋結構如圖5所示。(5)優(yōu)化錨固洞設計參數根據規(guī)范規(guī)定的邊坡穩(wěn)定性要求與技術經濟最優(yōu)原則，為提高錨固洞的支護效 果，降低工程造價，在原設計參數參數基礎上調整錨固洞在II III2類巖體中的延伸長度 為10m，IV類巖體中的延伸長度為15m。經驗算原配筋參數滿足強度要求，邊坡整體穩(wěn)定性 滿足規(guī)范要求。
權利要求
一種巖質邊坡加固的錨固洞結構設計方法，其特征在于所述的設計方法按以下步驟依次進行(1)初步擬定錨固洞參數根據巖質邊坡潛在滑體的成因、性質、范圍和穩(wěn)定狀態(tài)，通過工程類比法初步擬定包含有位置、長度、斷面形狀等巖質滑坡體錨固洞的參數；(2)建立錨固洞加固邊坡的有限元模型根據工程地質資料建立邊坡的有限元模型，并將錨固洞簡化為梁單元，將滑面簡化為實體單元；(3)計算分析錨固洞內力通過有限元模型計算獲得錨固洞的變形和內力并據此繪制剪力圖與彎矩圖，計算最大剪力、彎矩、軸力及其部位；(4)設計錨固洞配筋依據鋼筋混凝土構件設計規(guī)范以及錨固洞內力計算結果對錨固洞配筋進行設計；(5)優(yōu)化錨固洞設計參數根據相關邊坡設計規(guī)范規(guī)定的邊坡穩(wěn)定性要求與技術經濟最優(yōu)原則，對錨固洞設計參數進行優(yōu)化分析，提出滿足邊坡穩(wěn)定的錨固洞長度、高度以及配筋參數。
2.根據權利要求1所述的錨固洞結構的設計方法，其特征在于所述的梁單元為鐵木 辛柯(Timoshenko)梁單元，且其與巖土體單元共節(jié)點。
3.根據權利要求1或2所述的一種邊坡加固的錨固洞結構的設計方法，其特征在于 所述的梁單元采用線彈性材料模型，其材料參數是通過錨固洞抗彎剛度等效獲得的。
全文摘要
本發(fā)明為一種用于巖質邊坡加固的錨固洞結構設計方法。首先初步擬定錨固洞的位置、長度、斷面形狀等參數，再將錨固洞簡化為梁單元，建立加固邊坡的有限元模型，然后利用有限元模型進行錨固洞內力計算，最后根據內力計算結果和混凝土構件設計理論進行錨固洞的配筋設計及設計參數優(yōu)化。該方法具有概念明晰、計算精度高等優(yōu)點，方便工程技術人員對錨固洞結構進行優(yōu)良設計。
文檔編號G06F17/50GK101814104SQ20101014301
公開日2010年8月25日 申請日期2010年4月7日 優(yōu)先權日2010年4月7日
發(fā)明者周創(chuàng)兵, 姜清輝, 孫金山 申請人:武漢大學