高速铁路预应力锚索框架梁的设计与分析(共63页)

精选优质文档-倾情为你奉上西 南 交 通 大 学本科毕业设计（论文）高速铁路预应力锚索框架梁的设计与分析年 级: 2007级学 号: 姓 名: 张 耀专 业: 土木工程指导老师: 苏 谦 2011年 6 月专心-专注-专业院 系 土木工程 专 业 土木工程 年 级 2007级 姓 名 张 耀 题 目 高速铁路预应力锚索框架梁的设计与分析 指导教师评 语 指导教师 (签章)评 阅 人评 语 评 阅 人 (签章)成 绩 答辩委员会主任 (签章) 年 月 日毕业设计（论文）任务书班 级 07-詹土 学生姓名 张耀 学 号 发题日期： 2011 年 4 月 13 日 完成日期： 6 月 10 日题 目 高速铁路预应力锚索框架梁的设计与分析 1、本论文的目的、意义了解高速铁路支挡结构的特点，设计要点和支挡结构的发展史。了解轻型支挡结构的类型、结构特点、计算过程，掌握预应力锚索框架梁的计算理论和方法，预应力锚索框架梁的构造、设计计算、施工方法及注意事项。了解预应力锚索框架梁的发展前景和工程中实际存在的问题。同时，通过本设计对大学所学知识进行综合运用，对知识进行归纳总结。把书本上所学知识和实际生产实践结合起来，养成独立思考和分析问题的能力。并且掌握各种查阅文献的能力，学会学术性论文研究分析的方法。 2、学生应完成的任务 （1）、根据论文题目中所提供的关键词，运用互联网等工具搜集相关的文献资料； （2）、通过对获得的文献资料的调查研究分析，了解本论文的研究原理，方法以及写作内容； （3）依据提供的设计资料，对设计题目分析并进行设计，并将设计过程遇到的问题，记录下来，通过导师指导和自己查阅文献资料加以分析解决； （4）结论：对全文进行分析总结，归纳出主要研究分析结论，并提出仍需改进努力之处。 3、论文各部分内容及时间分配：（共 10 周）第一部分 查找文献，收集与整理资料 (1 周) 第二部分 外文资料的翻译 (1周) 第三部分 学习铁路支挡结构的设计方法 (2周)第四部分 毕业设计实习以及实习报告整理 (1周) 第五部分 预应力锚索框架梁的计算分析 (3周)第六部分 设计说明书的编写整理与打印 (1周)评阅及答辩 (1周)备 注 指导教师： 年 月 日审 批 人： 年 月 日摘要滑坡，是高速铁路建设中遇到的常见地质灾害现象之一，其具有危害线路安全、影响高速列车安全运营等害处。随着我国社会经济的不断发展，西部大开发的不断推进，边坡治理在国民经济建设中占有着举足轻重的地位，如何有效地加固边坡是滑坡防治至关重要的核心内容。在边坡治理方面，预应力锚索与混凝土框架梁的复合结构能够充分发挥锚索和框架梁的锚固作用，被广泛应用于边坡加固中。本设计旨在通过对边坡破坏形式的分析，对锚索和框架梁分别进行设计计算，从而达到有效加固边坡、防止滑坡的目的。本设计通过对工点资料的分析，了解锚索和框架梁结构的工作特点，通过对锚索框架梁加固边坡机制的研究，得出边坡破坏的可能形式。再利用传递系数法计算出边坡的最大剩余下滑力，通过简化计算分析得出边坡锚固力的大小。然后根据锚索的受力状态，对锚索进行设计计算。最后计算作用在框架梁上的锚固力，采用“地基梁”算法，计算框架梁的内力，完成对框架梁的配筋计算。关键词：滑坡治理；预应力锚索框架梁；内力计算；配筋设计AbstractLandslide is a common phenomenon of geological disasters in the construction of high-speed railway.It is harmful to the railway circuitry and effect the safe operation of high-speed railway.With the development of Chinas economy and Chinas Western Campaign, landslide treatment plays a very important role in the development of national economy.How to reinforce side slope effectively becomes the core content of the landslide treatment.In the field of landslide treatment, the composite structure of anchor cable and concrete frame beam can fully exploit the advantage of these two materials.and the prestressed anchor cable frame beam is widely used in landslide treatment.This design aims to analysis the damage form of the side slope, and design the anchor cable and frame beam.Finally get the purpose of treating the side slope and preventing landslide.This design is based on the analysis of the worksite data, and get understand about the work features of anchor cable and frame beam. Through the research on the mechanism of reinforced side slope, and finally get the destruction form of side slope.Use transfer coefficient method to calculate the maximum sliding power, and finally get the anchorage force. Then according to the stress on the anchor cable, we can design it.Finally,through the anchorage force acted on the frame beam,using the method of grade beam,we can calculate internal force of the frame beam,and calculate the distributed steel of the frame beam.Keyword: Landslide treatment；Prestressed anchor cable frame beams；Internal force calculation；Reinforcement design.目 录第1章 绪论1.1 问题的提出滑坡是指斜坡上的土体(岩体)，在河流冲刷、地下水活动、地震及人工切坡等因素影响下，沿着一定的软弱面或者软弱带，整体地或者分散地顺坡向下滑动的自然现象。滑坡是高速铁路建设中遇到的常见地质灾害现象之一。其发生的后果通常是中断交通、侵占河道、造成人身财产的损害，而且它的分布面广、发生比较频繁、产生条件复杂，作用因素繁多使得治理滑坡的费用昂贵。由于地质环境和自然条件的区域性的特点，从而决定了滑坡的分布具有区域集中的特点。因此在许多山区，滑坡多是成群状分布，这无疑给滑坡的治理方面带来了巨大的困难。在高速铁路交通运输方面，滑坡的危害主要表现在：（1）破坏铁路线路，造车中断行车；（2）危害铁路站场、站房，严重威胁车站安全；（3）造成桥梁墩台的推移以及隧道明洞摧毁；（4）中断铁路交通运输，影响国民经济建设；（5）造成行车事故和人身伤亡；（6）加大维修费用，增加了财政支出。随着我国社会经济的不断发展，西部大开发的不断推进，边坡治理在国民经济建设中占有着举足轻重的地位，如何有效地加固边坡是滑坡防治至关重要的核心内容。1.2 支挡结构的发展在边坡的治理方面，支挡结构的形式是多种多样的，比如预应力锚索、锚杆、抗滑桩、挡土墙等等。但其发展过程大致可以分为以下几个阶段：第一阶段（20世纪50年代以前），采用抗滑挡墙结合支撑锚杆，取得了一定效果。但由于滑坡的推力较大，致使抗滑挡墙的体积庞大，墙基须置于滑面以下一定深度，施工开挖对滑体的稳定影响大。第二阶段（20世纪70年代），采用抗滑桩支挡，工程效果比较明显。国外则多采用钢筋混凝土钻孔桩，用群桩和承台共同受力。而国内采用矩形截面的钢筋混凝土挖孔桩，由于抗滑桩提供的抗力大，施工对滑体的扰动小、安全、见效快，因此曾被广泛采用。第三阶段（20世纪80年代以后），随着锚固技术的发展，预应力锚索在边坡加固中得到了广泛的应用，在不断的工程实践中演化出了各种各样的结构形式，主要有：预应力锚索抗滑挡墙；预应力锚索抗滑桩；预应力锚索抗滑桩板墙；预应力锚索框架梁。预应力锚索在工程中的应用大大地改善了抗滑结构的受力状态，降低了工程造价。1.3 常见支挡结构类型随着我国交通运输基础建设的不断发展，支挡结构在边坡工程中的运用是变得越来越广泛。在许多的山区地带，由于沿线的地形陡缓交错频繁，一般的支挡结构的高度有限，就很难满足设计要求。因此需要开发使用高轻型支挡结构，以降低工程造价，下面简单介绍这两种支挡结构：1.3.1 一般支挡结构一般的支挡结构包括各种类型的挡土墙和其他具有承重能力的支撑结构，主要形式有：重力式挡土墙、锚索（杆）挡土墙、锚定板挡土墙、抗滑桩、土钉支护、桩板式挡土墙等等。它们适用于墙高不超过一定高度的支挡工程，在一般的公路工程中使用比较广泛。1.3.2 高轻型支挡结构高轻型支挡结构是指在一般支挡结构的基础上使用了新材料、新技术、新工艺的结构形式，专指高度大于12m的支挡工程，目前在我国现行的公路、铁路规范中还没有明确规定的一类支挡结构物。它的主要形式包括：高轻型预应力锚索桩板墙、高轻型锚定板挡土墙、高轻型预应力锚索框架梁。这几种形式相比于一般支挡结构而言，由于采用了预应力锚索，使得桩（板、框架）的受力形式发生改变，使得桩（板、框架）的内力分布更加合理，从而极大地发挥了材料和结构的性能。预应力锚索框架梁是随着预应力锚索技术近年来在滑坡治理和边坡加固工程中大量应用而发展起来的一种新型支挡结构。因此，在边坡治理方面，预应力锚索框架梁的应用空间会随着科技的不断进步变得越来越广。1.4 应用研究现状预应力锚索框架梁作为一种新型的轻型支挡结构，由于其具有加固边坡同时还能进行植物美化的效果，近几年来在边坡加固中被广泛使用。但是这种新型支挡结构的使用条件、设计计算方法等方面的理论研究已经明显落后于生产实践。预应力锚索框架梁的设计理论已经取得了一定的成果，但是仍然处于探索和研究的阶段。在我国的相关设计规范中，还没有对其具体设计计算原则和方法做出相应的规定和说明。而目前，大多数设计单位都是按照自己的设计方法并结合工程实践进行设计。目前，对预应力锚索框架梁的计算方法多是采用一般地基梁的算法，将锚索框架梁拆分为横梁和纵肋来计算，在若干假设的基础上建立起来的分析计算。文献中的反梁法，是将坡面的反力视为作用在框架梁上的均布荷载，将预应力锚索作用点视为支座，将框架梁看做是倒置的交叉格构梁来进行设计，并且假设横梁和纵肋是相互独立的。但是，这种方法忽略了巨大锚索力作用下框架的变形，引起了底部反力的不均匀分布。1.5 支挡结构发展前景边坡支挡技术是高速铁路路建设，特别是山区高速铁路建设所面临的一个重大问题。我国在这方面既没有计算公式可依，也没有自主知识产权的计算程序，仅依靠大量施工经验来设计，理论研究远远落后于工程实践。随着新材料、新工艺的不断使用，高强度低松弛预应力锚索在工程中的应用促进了锚固技术的发展。在未来，高轻型支挡结构的理论研究、应用关键技术必将得到进一步的发展。第2章 工程简介2.1 设计范围K117+950K118+090左侧路堑高边坡，长140.0m，高度约为40m，路肩标高为528.29m。该边坡为永久性边坡，边坡工程重要性等级为一级。2.2 地形地貌本段路线处于威远背斜北西翼地区，呈切脊状低山，为侵蚀构造低山地貌。坡体内灌木丛生，植被繁茂；坡顶地势宽缓平坦。斜坡四周呈椅状沟槽地形，沟槽内坡残积层发育。2.3 地质概况根据钻孔揭露及野外工程地质测绘，勘察区出露的地层主要有：新生界第四系全新统残坡积层（）、三叠系上统须家河组（）。新生界第四系全新统残坡积层（）低液限黏土：黄色，硬塑状，土质不匀，可见植物根系，含约占5%的砂、泥角砾，厚02m，主要分布于斜坡表层。三叠系上统须家河组（）泥岩、砂质泥岩、砂岩夹煤层强风化层：褐黄色，青灰色，薄-中层状，泥质结构为主，泥质胶结，节理裂隙发育，岩层产状12012。已风化呈碎块石状。一般厚26m，属级软石。泥岩、砂质泥岩、砂岩夹煤层中风化层：绿灰、灰、灰黑色，薄-中层状，泥质结构为主，泥质胶结，节理裂隙发育，岩层产状1456。遇水易崩解软化，暴露易风化剥落，具饱脱水风化特征。属级软石。2.4 水文地质区内第四系松散土层孔隙潜水具浅埋藏，短流径，缓流速之特点。基岩裂隙含水层之地下水径流、补给条件差，较为贫乏，且在空间上分布不均匀。区内总体水文地质条件简单。区内环境水对混凝土具有中等结晶类腐蚀性，对混凝土结构中钢筋具微腐蚀性，对钢结构有弱腐蚀性。2.5 气候条件该地区属亚热带湿润季风气候，年均气温17.8，一月均温7.4，七月均温27.2。极端高温39，最低零下5.5。活动积温6570。无霜期329天，日照1192小时。年平均降雨量985.2毫米，多集中于6-9月，常有春旱。2.6 设计参数表2.6 设计参数岩土层重度（kN/m3）黏结强度c（kPa）内摩擦角（）泊松比泥岩夹砂岩强风化层2326220.3泥岩夹砂岩中风化层24.530280.3其它设计参数边坡坡率安全系数1:0.751.32.7 设计原则1、本边坡工程为永久性支护，边坡等级为一级。2、边坡剩余下滑力的计算采用传递系数法。3、框架梁内力计算“倒梁法”，并进行配筋计算。4、设计本着安全、经济、适用的原则进行。第3章 基本理论3.1 边坡的类型和特征3.1.1 边坡类型（1）按构成边坡的物质种类分：土质边坡，整个边坡主要由土体所构成，按土体的种类通常又可分为粘性土边坡、黄土边坡、膨胀土边坡、堆积土边坡、填土边坡。岩质边坡，整个边坡主要由岩石所构成，按岩体的强度又可以分为硬岩边坡、软岩边坡、风化岩边坡等。岩土混合边坡，边坡下部为岩层，而上部为土层的边坡结构。（2）按边坡的高度分：一般边坡，岩质边坡总高度在30m以下，土质边坡总高度在1520m。高边坡，岩质边坡总高度大于30m，土质边坡总高度大于1520m。通常情况下，容易发生变形破坏和滑坡的边坡多为高边坡，因此，加强对高边坡的研究将是边坡治理的重点，对边坡治理的成功也将起到关键作用。（3）按边坡使用年限分：临时边坡，一般只在施工期间存在的边坡，如基坑边坡。短期边坡，存在时间为1020年的边坡，如露天矿边坡。永久边坡，长期使用的边坡，如铁路路堑边坡。3.1.2 边坡的特征（1）边坡的自然特征人工边坡是将自然边坡部分改造成为人工构筑物，其边坡特征和稳定性很大程度取决于自然边坡的地形地貌特征、地质结构、构造特征。由于自然边坡的地层岩性、地下水分布、地质构造和风化程度的不同，在自然力作用下形成了不同的形态，如有直线坡、凸形坡、台阶状坡等。对于岩质边坡，其特殊的结构特征可保持较为高陡的边坡。由于高陡边坡容易发生滑动，因此必须设置支挡工程才能保持其稳定。通常高陡边坡坡体容易被冲刷，需要设置坡面防护工程。对于地下水较多、雨水丰沛的地区，土体重度增加，发生滑坡的危险增大。因此，需要做好排水工程，疏通地下水、截流雨水等。（2）边坡的滑面特征无论是土质边坡还是岩质边坡，在坡体没有开挖或填筑之前，坡体内不存在明显滑面，即使坡体中存在软弱土夹层或软弱结构面，也不能视作滑面，因为它们没有滑动的趋势。这正是边坡与滑坡的不同之处。3.2 边坡破坏形式边坡广义的破坏形式包括有崩塌、坍塌、滑塌、倾倒等，下面简单讲解下其含义。崩塌，是指陡峭边坡上的巨大岩石或土体，在重力和其他外力作用下，发生突然崩落的现象。整个过程中岩石（或土体）猛烈的翻滚、跳跃、相互撞击，最后堆积于坡脚，原岩石（或土体）结构受到严重的破坏。坍塌，是指土层、堆积层或风化破碎岩层斜坡，由于土壤的水和裂隙水的作用、河流冲刷等作用而产生逐层塌落的变形现象。滑塌，是指斜坡上的岩体或土体，在重力和其他外力作用下，沿坡体内新形成的滑面发生整体向下以水平滑移为主的现象。它与坡体滑坡现象十分类似，滑坡是沿坡体内一定的软弱面（或软弱带）整体向下滑动的现象。倾倒，是指陡倾的岩体由于其他外力作用，绕着底部的某点向临空方向倾倒的现象，它可以发展转化为崩塌或滑塌，也可以停止在倾倒变形阶段。3.3 边坡稳定性分析的意义对边坡进行稳定性分析通常具有以下两方面的意义：一是定性的确定边坡周围的岩体对边坡稳定性的影响，用于评价岩体质量，初步评判边坡稳定性，为工程的设计、施工、运行提供依据，减少边坡破坏给人民带来的人身财产损失；二是通过工程类比方法来定量确定作用于支挡结构上的岩石压力，为支挡结构设计提供适当的数据，以便进行支挡结构的设计。3.4 影响边坡稳定性的因素影响边坡稳定性的因素主要有地理条件、地质条件、气候条件、水文和水文地质条件、土的类别等。其中影响岩石边坡稳定性的因素为岩石的结构类型与完整性、结构面的结合程度、结构面产状、地下水及岩石的强度等。其中最主要的影响因素是岩体的完整性、结构面的结合程度与结构面产状，水对边坡稳定性的影响与边坡岩体性质有关，有时是主要影响因素，有时又影响不大。边坡稳定性与结构面产状密切相关，当结构面走向与边坡走向相近时，外倾结构面对边坡是不利的。对倾向与边坡倾向相同，走向与边坡走向的夹角小于的结构面称为外倾结构面。但不是所有的外倾结构面都会发生滑动，只有结构面的倾角在之间（为结构面内摩擦角）时，结构面才有可能发生滑动。外倾结构面倾角越是接近时，边坡越容易产生滑动，因而这是一个最不利的倾角，此时岩体的稳定性最差。结构面结合状况，包括裂隙张开度、充填物的厚度与性质。结构面的粗糙情况，也是影响边坡稳定性的一个主要因素。3.5 边坡稳定性分析边坡稳定性分析是一个相当复杂的过程，其计算通常采用土力学中的极限平衡法来分析。极限平衡方法的基本特点是只考虑了静力平衡条件和土的摩尔库仑破坏准则，也就是说通过分析土体在破坏时的力的平衡来求解。然而多数情况下问题是静不定的，极限平衡方法处理静不定问题的对策是引入一些简化假定，使问题变得静定可解。由于简化假定的引入，使得分析计算工作量大大的简化，因而在工程中获得广泛应用。近年来，随着计算机和有限元分析方法的发展，应用严格的应力应变分析方法来分析边坡的变形和稳定性已成为可能。因此有限元法也被广泛应用于边坡稳定分析。然而有限元方法也拥有一些局限性，主要是在确定边坡的初始应力状态把握边坡临近破坏时的弹塑性本构关系等方面遇到的难题。这里主要介绍一下极限平衡法在工程中的运用，根据边坡失稳时破裂面的形状又可分为：直线破裂面和圆弧状破裂面。3.5.1 直线破裂面边坡稳定性分析直线破裂面是指边坡破坏时其破裂面近似为平面，断面近似为直线，这种情形通常发生在均质砂土、透水的砂石边坡中。如下图3.5.1所示，坡体重，坡角，抗剪强度指标为、，破裂面倾角为，滑面长度，沿边坡长度方向取单位长度作为平面分析。图3.5.1 砂性边坡示意图滑面上由重力产生的下滑力和土的抗剪强度产生的抗滑力分别为：则边坡稳定系数或安全系数，可用抗滑力与下滑力之比表示，即 （3.5.1）为了保证边坡的稳定性，通常安全系数值一般不小于1.25，特殊情况下可以减小至1.15。对于的砂性土坡，公式又可以简化为 （3.5.2）从上式我们可以看出，当时，值最小，此时边坡表面土体最容易发生滑动，有 （3.5.3）3.5.2 圆弧破裂面边坡稳定性分析据大量观测表明，黏性土山坡、人工填筑或开挖的边坡在发生破坏时，其破裂面多呈圆弧状，由于黏性土黏聚力的存在，黏性土边坡在破坏时，滑动面近似于圆柱面。工程中为了简化计算，通常假定滑动面为圆弧面，建立在这一假定上的土的稳定性分析方法叫做圆弧滑动法。其中，最为常用的就是瑞典条分法。条分法是将滑动土体在竖向分为若干土条，将土条视为刚塑体，分别求得作用于各个土条上的力对圆心的滑动力矩和抗滑力矩，由抗滑力矩与滑动力矩之比求得安全系数。条分法假定不计条间力的影响，将土条两侧的条间力的合力看做大小相等、方向相反、作用在同一直线上。实际上，每个土条两侧的条间力是不平衡的，但经验表明，忽略条间力的作用对计算结果影响不大。如图3.5.2所示，将土体分为若干土条，土条的宽度越小，计算精度就越高，尽量选择滑体外形变化点和土层分界点作用界限。图3.5.2 瑞典条分法则垂直于滑面法向的分力与沿着滑面的切向分力分别为：，其中起抗滑作用的切向分力用表示，则整个滑弧上的抗滑力矩与滑动力矩分别为：安全系数为抗滑力矩与滑动力矩之比，即 （3.5.4）3.6 剩余下滑力的计算目前，计算滑坡剩余下滑力的方法比较多，使用较多的有瑞典条分法、毕肖普法、传递系数法、分块极限平衡法等，其中传递系数法是验算山区土层沿岩面滑动最常用的边坡稳定验算方法，本次设计即采用传递系数法进行边坡剩余下滑力进行计算。计算推力时假定：滑坡体是不可压缩的介质，不考虑滑体的局部压缩变形，块体间只传递推力而不传递拉力。块间作用力（即推力）以集中力表示，它的作用线平行于前一滑块的滑动方向。计算时将滑体沿滑面变坡点垂直分块，然后由上至下逐块计算推力。在滑体中取第块土条，如图3.6所示，假定第块土条传来的推力方向平行于第块土条的底滑面，而第块土条传递给第块土条的推力平行于第块土条的底滑面。也就是说，假定每一分界面上推力的方向平行于上一土条的底滑面。将各作用力投影到底滑面上，其平衡方程如下：图3.6 传递系数法 （3.6.1）式中 ，为法向反力；第块滑体剩余下滑力；第块滑体剩余下滑力；第块滑体的自重；第块滑床反力；第块滑块的法向反力；第块滑体滑面的倾角；、第块滑体滑面的抗剪强度指标；边坡稳定安全系数；第块滑体的滑面长度；，称为传递系数。通常情况下，在铁路支挡规范中，出于安全考虑，要通过增大下滑力来提高安全系数，考虑安全系数后，设计推力应为： （3.6.2）（1）若为正值，说明边坡具有下滑力，是不稳定的，应该传递给下一个滑体；若为负值，说明第块滑体是稳定的，不能传递，下一块计算时按无上一块推力考虑。（2）如果计算断面中有逆坡时，即滑面倾角为负值的时候，分块为负值，即它不再是下滑力，而是抗滑力了。推力计算时，就不该乘以安全系数。3.7 预应力锚索框架梁的结构组成预应力锚索框架梁是20世纪90年代新兴的一种支挡结构，被广泛运用于铁路、公路滑坡治理和边坡加固中。该结构是将钢筋混凝土框架和预应力锚索这两种可以单独使用的结构组合在一起，通过预应力锚索、框架和边坡岩土的相互作用，共同承受边坡变形时产生的外力。预应力锚索框架梁的组成主要由主体结构和附属结构两个部分。其中，主体结构是承受边坡变形产生的外力的主要受力构件，主要由预应力锚索、框架和边坡岩土共同组成；附属结构是指为保证主体结构正常工作、发挥主要功能的一些附属设施，其中包括为了保证土体稳定和绿化美化而设置的植被防护结构，排水设施，以及为了保证梁顶平台稳定的顶梁。这些结构对主体结构长久发挥稳定性有着重要的作用。3.8 作用机理由土体极限平衡理论得知，边坡变形后边坡变形部分在重力作用下，会沿着破裂面向下成滑动趋势。而在破裂面上存在着阻止变形体下滑的抗力和法向力，如果变形体在自重作用下的下滑力大于抗力时，变形体就会沿着破裂面向下滑动，此时边坡就会发生失稳破坏。预应力锚索框架的作用机理就是在此基础上通过锚索拉力共同作用在框架梁上，与破裂面上的摩擦力和法向力共同作用，平衡边坡下滑产生的下滑力。如图3.8所示，预应力锚索主要是承受边坡下滑产生的下滑力，而框架梁则是使变形体保持整体稳定性。图3.8 变形体的受力示意图预应力锚索产生的锚固力主要是使破裂面上的法向力增加，从而使得破裂面上的摩擦力增大，相当于增大了抗滑力。另一方面，框架梁的紧箍作用，使得变形体变得更加固结、稳定，相当于减小了下滑力。3.9 结构特点预应力锚索框架梁在工程中得到了广泛的应用，自然跟其自身的特点密不可分，其特点主要有：（1）预应力锚索框架梁体系充分利用了边坡岩体自身的强度；（2）结构容易和其他抗滑结构如抗滑桩等组合使用；（3）结构布置位置灵活，不受地形的限制，适用于高陡边坡的加固；（4）易于改善边坡土体的受力状态，使边坡土体趋向处于三向受力状态；（5）减少边坡开挖量，有效降低了边坡的开挖高度；（6）施工简便，技术风险较低；（7）结构轻便，施工速度较快，施工造价低。3.10 预应力锚索的设计预应力锚索的设计包括边坡锚固力的确定、锚固力的分配、锚索间距和倾角的确定、锚固段长度的确定。要使预应力锚索框架梁发挥作用，必须将预应力锚索锚固在稳定的地层中，其次还要保证结构的整体稳定性。3.10.1 总锚固力的确定预应力锚索设计时，对于滑坡加固，宜采用锚索预应力（抗滑力）的方法计算，通过边坡稳定性分析、计算滑坡的下滑力从而确定锚固力。对边坡进行稳定性计算的时候，锚固力可以简化为作用于坡面上的一个集中力，由铁路路基支挡结构设计规范确定的方法计算可按下式：如图3.10.1所示图3.10.1 锚固力的简化计算 （3.10.1）式中 滑坡下滑力（kN）；设计总锚固力（kN）；滑动面内摩擦角（）；锚索与滑动面相交处滑动面倾角（）；锚索与水平面的夹角。对单一滑面，式（3.10.1）计算比较简单，对于折线滑面，计算比较繁杂。实际上，路堑边坡的水平推力对边坡才具有破坏作用，竖向推力对路堑边坡的破坏作用很小，故锚索设计锚固力可以简化计算： （3.10.2）式中 为边坡下滑力的水平分量，为锚索与水平面的夹角。3.10.2 锚固力分配原则为了简化计算，需要明确总锚固力是如何分配到各级预应力锚索框架梁上，同时锚固力是如何分配到每一根锚索上的，分配原则如下：（1）根据现场试验的规律，单根锚索的加载对于同一框架上的其他锚索的拉力的影响极小。因此，可以做出结论：作用在同一框架上的总锚固力可以近似的平均分配到各个节点上的预应力锚索上。（2）同一变形体上的总锚固力是平均分配到各级边坡预应力锚索上的。（3）同一孔位下的锚固力是平均分配到该孔位下每根预应力锚索上的。3.10.3 锚索间距与倾角的确定锚索间距的确定应当以设计的锚固力能对地基提供最大的张拉力为标准，预应力锚索存在群锚机制，锚索间距过大时，起不到安全锚固的作用。但如果锚索间距过小时，受群锚机制的影响，单根锚索的承载力会降低。根据长期施工经验，锚索间距取值宜大于1.5m或5倍孔径。设计时还应该考虑施工偏差而造成锚索的相互影响。因此规范规定锚索间距宜采用36m,最小不应小于1.5m。预应力锚索与水平面的夹角称为锚固角，从施工工艺方面考虑，认为锚索设置方向以水平向下倾为宜。通过技术经济的综合分析，按照单位长度锚索能够提供抗滑增量最大时的锚索下倾角为最优锚固角。另一种方法按以下经验公式计算最优锚固角： （3.10.3）规范规定锚索设计下倾角为15303.10.4 锚固体的设计对于拉力型锚索，锚索的锚固段长度取值一般在410m间。通过大量试验研究数据，锚固段必须置于良好的地基之中。拉力型锚索锚固段的破坏通常是从靠近自由段处开始的，灌浆材料与地基之间的黏结力逐渐被剪切破坏。当锚固段的长度超过810m后，锚固力的增量很小，几乎不可能提高锚固效果。当锚固段的计算长度超过10m时，通常采用增大孔径或减小锚索的间距或增加锚索孔数等来调节。锚索的锚固段长度采用计算值、中的大值。（1）按水泥砂浆与锚索张拉钢材黏结强度确定锚固段长度，即 （3.10.4）当锚索锚固段为枣核状时， （3.10.5）（2）按锚固体与孔壁的抗剪强度确定锚固段长度，即 （3.10.6）式中 锚固体拉拔安全系数，对于临时性锚固采用，永久性锚固采用；单孔锚固力设计值；张拉钢材外表直径（m）；单根张拉钢材直径（m）；锚固体（即钻孔）直径（m）；锚索张拉钢材与水泥砂浆的极限黏结应力，按砂浆标准抗压强度的10%取值（kPa）；锚孔壁对砂浆的极限剪应力（kPa）。3.11 框架梁的设计目前，计算预应力锚索框架梁的设计理论和设计方法都在不断的完善和成熟的过程中，结构受力模型主要有：（1）弹性地基框架梁结构模型，此方法主要是基于弹性地基梁的假设，将框架梁下的土体视为弹性地基，将锚索力视为是作用在框架梁的集中力来计算。实际计算时，通常考虑框架本身的对称性，对框架梁进行简化，根据梁的节点力的平衡、连续条件、边界条件等建立方程组，解得作用于横梁和纵肋上的力。（2）刚性支座连续梁模型，该方法是假设框架梁纵肋和梁底的接触应力，把预应力锚索作用点视为刚性支座，按照连续梁进行设计计算。本次计算主要采用弹性地基梁模型，下面主要介绍其方法。3.11.1 节点荷载的分配原则为了简化计算，由基础工程相关知识，当节点间距较大时，不考虑荷载的相互作用。此时，横梁和纵肋应该满足静力平衡条件和变形协调条件，用公式表达为： （3.11.1） （3.11.2）式中 横梁和纵肋节点处的竖向荷载；方向（横梁）分担节点处的竖向荷载；方向（纵肋）分担节点处的竖向荷载；节点处在作用下方向的产生的竖向变形；节点处在作用下方向的产生的竖向变形；3.11.2 节点荷载的分配方法（1）内柱节点，当节点间距较大时，可以将横梁和纵肋看做是受单个集中力作用的无限长梁，由（3.11.2）得： （3.11.3）联立（3.11.3）和（3.11.1），求解得： （3.11.4） （3.11.5）式中 地基土的基床系数；、方向梁的宽度；、方向梁的特征长度，、。（2）边柱节点，在方向将梁视为无限长梁，方向将梁视为半无限长梁。由（3.11.2）得： （3.11.6）联立（3.11.6）和（3.11.1），解得： （3.11.7） （3.11.8）（3）角柱节点，在、方向都将梁视为半无限长梁，由（3.11.2）得： （3.11.9）联立（3.11.9）和（3.11.1），解得： （3.11.10） （3.11.11）当角柱节点在两个方向的梁均无外伸时，。3.12 钢筋混凝土设计原理根据作用在框架梁上的内力，可以对混凝土构件进行配筋计算。从钢筋混凝土设计原理中，我们可以知道钢筋混凝土受弯构件正截面破坏形式主要有：（1）少筋梁破坏，纵向受力钢筋配置过少，受拉区混凝土开裂后，受拉钢筋的应力突然增大，当应力增加超过钢筋的屈服强度时，钢筋会屈服发生破坏。而这种破坏是突然的，属于脆性破坏，工程中应该尽量避免。（2）超筋梁破坏，与少筋梁相反，超筋梁是纵向受拉钢筋配置过多，受拉区混凝土开裂后，应力由钢筋来承受。随着应力的增大，钢筋应力也增大，但受压区混凝土应力也随着增大。受压区混凝土首先被压坏，而此时，钢筋尚未屈服。由于混凝土石脆性材料，破坏时没有明显预兆，属于脆性破坏。（3）适筋梁破坏，纵向受拉钢筋配置适量，受拉区混凝土开裂后，应力由钢筋来承受。随着应力的增大，钢筋应力也增大，直到钢筋首先发生屈服。此时裂缝宽度增大、挠度增加，而混凝土尚未发生破坏。这种破坏具有明显的预兆，破坏不突然，属于塑性破坏。3.12.1 单筋矩形截面梁抗弯设计如下图3.12.1所示，对于单筋矩形截面梁可以进行计算简化，由此便可以建立平衡方程，如下：图3.12.1 单筋矩形截面梁计算简图 ， （3.12.1） ， （3.12.2）或 （3.12.3）式中 计算截面上产生的弯矩设计值；混凝土轴心抗压强度设计值；钢筋的抗拉强度设计值；纵向受拉钢筋的截面面积；截面宽度；混凝土受压区高度；截面有效高度，即受拉钢筋合力作用点到截面受压区边缘的距离，其值为，为纵向受力钢筋合力作用点到截面受拉边缘的距离。令，称为相对受压区高度，则式（3.12.2）又可以改写为： （3.12.4）式中 ，称为截面抵抗矩系数。验算截面适用条件时，满足一下条件：（非超筋） （3.12.5）（非少筋） （3.12.6）式中 为相对界限受压区高度，其值通常由下表取值：表3.12.1 相对界限受压区高度取值混凝土强度等级钢筋级别0.6140.5500.5180.5940.5310.4993.12.2 双筋矩形截面梁抗弯设计当梁的截面尺寸受到限制，在选用最大截面下，设计为单筋梁仍出现超筋或是梁的截面受到变号弯矩作用时，需要采用双筋截面梁，其设计原理如下：图3.12.2 双筋矩形截面梁计算简图如图3.12.2所示，由静力平衡条件，可以建立以下方程： ， （3.12.7） ， （3.12.8）式中 为纵向受压钢筋的面积；为受压钢筋到受压区边缘的距离。验算适用条件时，应该满足： （3.12.9） （3.12.10）3.12.3 斜截面抗剪设计梁斜截面的抗剪承载力主要是由以下三部分构成的，即： （3.12.11）式中 斜截面抗剪承载力；剪压区混凝土的抗剪能力；箍筋抗剪能力总和；弯起钢筋抗剪能力总和。为了防止发生斜压破坏，设计时应该满足截面限制条件：对于一般梁（）有： （3.12.12）式中 构件最大剪力设计值；混凝土强度影响因素，当混凝土强度不超过时，取；其余符号意义同上。当时，说明理论上混凝土本身能够抵抗其剪力，无需按计算设置腹筋，只需按构造要求配置箍筋即可。箍筋的最小直径和最大间距应该满足规范要求，如下表3.12.2和3.12.3所示。当时，说明混凝土不能提供足够的抗剪能力，需要按计算配置箍筋，同时应该满足最小配箍率的要求： （3.12.13）表3.12.2 箍筋最小直径要求梁高箍筋最小直径梁高箍筋最小直径有计算的纵向受压钢筋时表3.12.3 箍筋最大间距要求项次梁高11502002200300325035043004003.13 工程实例3.13.1 工程实例一 马岭山滑坡（一）工程概况马岭山滑坡位于四川汶川县境内，阿坝州草坡水电厂引水隧道进口段位于滑坡体内，1989年小金县及邛崃地区相继发生地震后，古滑坡复活造成进口地段长约48m的隧道变形错断，钢筋混凝土拱圈开裂、压碎，洞内的引水大量向滑体内渗透。滑坡主轴断面见图3.13.1。图3.13.1 马岭山滑坡主轴断面该滑坡为占滑坡，上宽下窄，主轴长约310m，宽120180m，厚约35m，滑坡体约117万，为上部顺层、中下部切层的推移式滑坡。为保证引水发电不至中断，采取了以锚索加固滑坡为主、辅以灌浆防渗等防止环境恶化的工程措施加以整治。根据滑坡稳定性计算，每延米设计下滑力为1130kN。在隧洞的下方共布置5排72孔预应力锚索，锚索采用1715的4束钢绞线制作，单根锚索长度为3653m。锚索水平间距1.54.5m，垂直间距23m，下倾角30，锚固段置于滑床下泥盆系片岩中。锚索外锚结构采用钢筋混凝土垫墩，垫墩尺寸为1.5m1.5m0.55m。（二）施工工艺1、锚索制作采用4束15的钢绞线组装，锚固段钢绞线设计成棱形(枣核状)。自由段采用三道防护措施，即钢绞线上涂防护油，用聚乙烯塑料套管隔离，再用水泥砂浆裹护。2、锚索钻孔由于滑坡体岩层破碎呈碎块石土状，在滑体中采用了套管跟进钻孔，钻过滑面后，钻锚固段时，停止套管跟进。并根据岩性及完整性确认通过滑动面破碎带至稳定地层中，有足够锚固长度后终孔。最后采用高压风洗孔。3、锚索安装将制作好的锚索放人孔内。个别孔因坍孔设锚困难，采用钻机重钻后再置人锚索证锚索在孔内居中，在锚固段锚索每隔lm设置弹性定位片。4、注浆采用孔底注浆的方式。注浆材料为水泥砂浆，采用525号普通硅酸盐水泥。砂为清洁的河砂，筛分粒径的中砂。水泥：砂：水1：1：0.450.5，注浆压力600。为提前施加预应力，在水泥砂浆中加入了2.5%的MZS常温型早强减水剂。5、锚索张拉为防止锚固段上端拉裂段过长，一般在灌浆28天龄期后进行张拉。本工程采用了与各排锚索施工速度相匹配的张拉间隔时间，需提前张拉的锚索分两次进行张拉，第一次张拉在灌浆后7天进行，施加张拉力约为设计张拉力的60，第二次张拉