边坡支护课程设计指导书.doc

北京交通大学边坡支护课程设计土木建筑工程学院岩土工程系岩石力学教研室2015-11-25边坡支护课程设计任务书一、设计任务 铜（陵）汤（口）高速公路0904（K144+017K144+080段）路堑高边坡位于安徽省黄山市黄山区太平湖镇广阳乡境内高速公路线路右侧，为开挖形成的路堑岩质高边坡，边坡高约30m，长63m。为了保证该边坡的长期稳定和高速公路运营安全，需要对该边坡进行加固整治。要求采用预应力锚索与格构梁组合方式加固整治，并按建筑边坡工程设计规范（GB50330-2013）进行设计。二、设计资料（1）地形地质平面图和横剖面图（见附件一、附件二）（2）边坡工程地质条件与水文地质条件 地形地貌与气象边坡所在地区地貌属皖南低山丘陵，地势起伏较大，地面高程90170m，植被发育，以乔木、灌木为主。工作区属北亚热带季风气候区，具有气候温和湿润、雨量充沛、日照充足、无霜期长、四季分明等特点。区内年平均气温为15.416.0，极端最高气温42，极端最低气温-13.5，七、八月份气温最高，月平均气温达2729，一月份气温最低，月平均气温为2.63.5，年平均无霜期234天。区内雨量充沛，多年平均降水量1673.5mm，最大为2525.7mm，最小为627.9mm，区内平均年蒸发量为1216.51483.9mm。地层岩性 边坡及附近出露的地层主要为第四系坡积层（Q4cl+dl），基岩为志留系下统霞乡组粉砂岩（S1x）。地层岩性由新至老如下： 第四系（Q4 el+dl）坡积层：为含角砾亚粘土，灰黄色，可塑，中密，散体结构，主要坡顶及坡脚地带，坡面厚度小于0.5m，最大厚度5.65m。志留系下统霞乡组强风化粉砂岩：灰黄色、灰褐色，粉砂质结构，层状构造，岩层产状为295300/4450，节理裂隙发育，层厚521m。弱风化粉砂岩：灰黄色、灰褐色，粉砂质结构，层状构造，岩层产状为295300/4450，节理裂隙发育，层厚516m。微风化粉砂岩：青灰色，粉砂质结构，层状构造，岩层产状为295300/4450，节理发育。地质构造高边坡路段地层呈单斜产出，岩层产状较稳定，为295300/4450，偶夹有规模较小的层间小挠曲。岩体中结构面发育，发育的主要结构面有： 2030/7580的张扭性结构面，平直，贯通，间距2030cm，最大间距为2m，局部呈张开状，充填少量泥化物，具过水痕迹，为与线路平行的边坡产生变形的主要依附面；29/4045的扭性结构面；125130/7982的弯张面；180/5565的张扭性结构面；90/70压扭性结构面；115130/4045的张扭性结构面。其中、两组结构面是走向与线路平行的边坡产生崩塌的主要依附面；、是走向垂直线路边坡产生坍塌的控制面。地震工作区属扬州铜陵地震带，黄山区地震基本烈度为度区。根据中国地震动参数区划图（GB183062001），本场地的地震动峰值加速度为0.05g，相当于原地震基本烈度度。根据国家标准规范建筑抗震设计（GB500112001）的规定，属于抗震不利地段，应按地震基本烈度提高一度进行抗震设防。边坡岩体分类按照建筑边坡工程技术规范中的边坡岩体分类标准，904边坡岩体属于类岩体。（3）边坡地形地质平面图（见附件一）、边坡横剖面图（见附件二）（4）边坡岩体和滑动面物理力学参数如下： 边坡岩体为中风化粉砂岩，重度为25kN/m3；滑动面的粘聚力C为5kPa，摩擦角为28，地基抗力系数k为150000kN/m3。（5）混凝土的力学参数请根据所确定的混凝土等级参照有关规范查找。（6）钢绞线、钢筋的规格及力学参数见课程设计指导书。（7）计算中所需的其他材料力学参数请参照相关规范或标准。 三、设计要求（1）按照建筑边坡工程技术规范确定边坡的安全等级和安全系数；（2）以边坡中部的横剖面为代表，采用极限平衡分析方法，计算开挖后边坡的稳定安全系数，据此评价该路堑边坡的稳定程度；（3）计算边坡的剩余下滑力E和稳定边坡所需的锚固力T；（4）根据边坡的高度与长度、需要提供的锚索力T、滑动面的位置和倾角等，初步拟定锚固方案，确定所需的预应力锚索数量，进一步计算每根锚索需要分担的锚固力设计值；（5）预应力锚索结构计算与设计，确定锚索的张拉荷载和锁定荷载；（6）初步拟定格构梁的布置方式与梁的几何尺寸；（7）格构梁的结构计算与结构设计；（8）加固后边坡的稳定性验算；（9）工程量计算；（10）拟定边坡加固的施工方法与程序；四、分组及各组设计任务 本次课程设计共分7个小组（分组情况见下表），除了剖面图中滑动面略有区别外，各个小组的设计内容基本相同。每个小组均包含8名同学，虽然组内所有同学的设计内容相同，并允许相互讨论，但要求每个同学应独立完成，并单独提交设计成果。小组编号起始学号结束学号剖面图编号111301006122310811212231085122311102312231111122311553412231165122312064512231207122312385612231244122312786712231280122730477五、设计说明书内容（1）封面（题目、专业、年级、姓名、学号）（2）目录（附页次）（3）设计说明书正文应包括以下主要内容： 1）设计任务及边坡的性质和用途 .2）基本设计资料 3）边坡安全等级确定与安全系数的选择及依据 4）边坡稳定性分析与稳定性评价 5）加固方案选择及依据分析 6）加固设计计算 7）支挡结构的构造设计 8）预应力张拉值与锁定值的确定及依据 9）施工顺序与注意事项10）主要工程量计算（4）设计说明书应采用计算机编写，并以A4纸打印五、设计图纸要求（1）边坡加固横剖面图（含主要工程量表）（2）锚索结构构造图（3）格构梁构造图（4）图纸应采用A3纸打印附件一：边坡地形平面图附件二：边坡剖面图边坡加固课程设计指导书一、概述本课程设计是深基坑与边坡课程中边坡部分教学的配套实践教学环节，目的是为了让学生通过设计实践巩固课堂所学知识，熟悉并掌握边坡常用支挡结构设计的基本方法和要求，培养学生结构设计的能力和分析问题、解决问题的能力，初步掌握边坡和滑坡治理设计的基本方法，为毕业设计和今后从事此类专业工作奠定坚实基础。工程中遇到的边坡类型繁多，地质条件复杂程度差别较大，没有统一的标准加固方法可供利用，每一个具体的边坡病害整治工程或加固工程都会涉及到很多方面，因此，需要综合全面考虑，充分运用所学知识，包括其他相关课程知识，并发挥独立思考和独创精神，提出最合理的加固方法。本设计以建筑边坡工程技术规范（GB50330-2013）为依据。设计成果应包括：设计说明书和施工图二、边坡稳定性分析2.1 基本规定（1）下列建筑边坡应进行稳定性评价：1）选作建筑物场地的自然斜坡；2）由于开挖或填筑形成、需要进行稳定性验算的边坡；3）施工期出现新的不利因素的边坡；4）运行期条件发生变化的边坡。（2）计算沿结构面滑动的稳定性时，应根据结构面形态采用平面或折线形滑面。计算土质边坡、极软岩边坡、破碎或极破碎岩质边坡的稳定性时，可采用圆弧形滑面。（3）边坡稳定性计算时，对基本烈度为7度及7度以上地区的永久性边坡应进行地震工况下边坡稳定性校核。（4）塌滑区无重要建（构）筑物的边坡采用刚体极限平衡法和静力数值计算法计算稳定性时，滑体、条块或单元的地震作用可简化为一个所用于滑体、条块或单元重心处、指向坡外（滑动方向）的水平静力，其值应按下列公式计算： (1) (2)式中，Qe,Qei滑体、第i计算条块或单元单位宽度地震力（kN/m）； G,Gi滑体、第i条块或计算单元单位宽度自重含坡顶建（构）筑物作用（kN/m）； W边坡综合水平地震系数，由所在地区地震基本烈度按表1确定。 （5）当边坡可能存在多个滑动面时，对各个可能的滑动面均应进行稳定性计算。水平地震系数 表1地震基本烈度7度8度9度地震峰值加速度0.10g0.15g0.20g0.30g0.40g综合水平地震系数0.0250.0380.0500.0750.1002.2 边坡稳定性评价标准（1）除校核工况外，边坡稳定性状态分为稳定、基本稳定、欠稳定和不稳定四种状态，可根据边坡稳定性系数按下表确定。边坡稳定性状态划分 表2边坡稳定性系数FsFs1.001.00Fs1.051.05FsFst边坡稳定性状态不稳定欠稳定基本稳定稳定 （2）边坡稳定安全系数Fst应按下表确定，当边坡稳定性系数小于边坡稳定安全系数时应对边坡进行处理。边坡稳定安全系数Fst 表3 边坡工程安全等级边坡类型与工况一级二级三级永久边坡一般工况1.351.301.25地震工况1.151.101.05临时边坡1.251.201.15 注：1. 地震工况时，安全系数仅适用于塌滑区内无重要建（构）筑物的边坡； 2. 对地质条件很复杂或破坏后果很严重的边坡工程，其稳定安全系数应适当提高。 2.3 边坡稳定性分析方法 边坡稳定性分析通常采用较为实用的极限平衡方法，因此，土质边坡可采用瑞典条分法、毕肖普法进行分析。岩质边坡可用单平面、双平面滑动破坏的计算方法，任意滑面形状的边坡，可采用不平衡力传递系数法。具体方法可参见有关教材或讲义。三、锚固工程设计计算3.1 锚杆设计的基本原则（1）设计锚杆的使用寿命应不小于边坡或被服务建筑物的正常使用年限，一般使用期限在两年以内的工程锚杆应按临时锚杆设计，使用期限在两年以上的锚杆应按永久性锚杆进行设计。对于永久性锚杆的锚固段不应设在有机质土、液限大于50或相对密度小于0.3的土层中。（2）当对支护结构变形量容许值要求较高、或岩层边坡施工期稳定性较差、或土层锚固性能较差、或采用了钢绞线和精轧钢筋时，宜采用预应力锚杆。但预应力作用对支承结构的加载影响、对锚固地层的牵引作用以及相邻构筑物的不利影响应控制在安全范围之内。（3）设计的锚杆必须达到所设计的锚固力要求，防止边坡滑动剪断锚杆，锚杆选用的钢筋或钢绞线必须满足有关国家标准，特别是预应力钢绞线，必须保障钢筋或钢绞线有效防腐，以避免锈蚀导致材料强度降低。3.2 锚杆的设计程序对边坡锚杆加固设计首先必须对边坡工程地质调查，在掌握地质情况的基础上，对边坡的破坏方式进行判断，并分析采用锚杆方案的可行性和经济性，如果采用锚杆方案可行，开始计算边坡作用在支挡结构物上的侧压力，根据侧压力的大小和边坡实际情况选择合理的锚杆型式，并确定锚杆数量、布置形式、承载力设计值。根据承载力设计值计算锚筋截面、选择锚筋材料和数量，计算锚固段长度。如果采用预应力锚杆还要确定预应力张拉值和锁定值，最后进行外锚头和防腐构造设计并给出施工建议、试验、验收和监测要求。在边坡锚杆加固中要选择合理的锚杆型式，必须结合被加固边坡的具体情况，根据锚固段所处的地层类型、工程特征、锚杆承载力的大小、锚杆材料、长度、施工工艺等条件综合考虑进行选择。表4给出了土层、岩层中的预应力和非预应力常用锚杆类型的有关参数，可供边坡锚杆加固选型使用。常用边坡锚杆型式 表4锚杆类别锚筋选料承载力(kN)锚杆长度应力状态注浆方式锚固体形式适用条件土层锚杆钢筋（、级）45010m预应力压力灌浆二次高压灌浆连续球型、扩孔型土层锚固性较差；边坡允许变性值小钢绞线600160010m预应力同上同上同上岩层锚杆钢筋（、级）45010m预应力常压灌浆压力灌浆圆柱型边坡稳定性交差钢绞线600200010m预应力常压灌浆压力灌浆圆柱型同上3.3 锚杆的布设要求锚杆的布置原则上应根据实际地层情况以及锚杆与其他支挡结构联合使用的具体情况确定，一般有如下基本要求：（1）锚索间距应以所设计的锚固力能对边坡提供最大的张拉力为标准，一般情况下，锚杆水平与垂直间距宜采用36m，不得小于1.5m，以免群锚效应发生而降低锚固力。（2）锚杆上覆地层厚度应不小于5m，以避开车辆反复荷载的影响，也避免由于采用高压注浆使上覆土层隆起。（3）锚固段与相邻基础或地下设施的距离应小于3m。（4）在施工中应考虑施工偏差而造成锚索的相互影响。（5）锚杆的钻孔直径除必须满足锚杆的拉力设计值外，钻孔内的预应力钢绞线面积应不超过钻孔面积的15。（6）锚杆的倾角宜避开与水平向成-10+10的范围，10范围内锚杆的注浆应采取保证浆液灌注密实的措施。（7）原则上预应力锚杆安设角度宜采用最优锚固角，实际采用的安设角度可根据潜在滑动体的实际情况和施工条件调整。最优锚固角可按下式计算。 (1)式中，最优锚固角，为预应力锚杆与水平面之间的夹角（正值为仰角，负值为俯角）；滑动面（软弱结构面）的倾角； 滑动面的摩擦角。3.4 锚杆锚固设计荷载的计算对于用于滑坡治理的锚杆，锚杆锚固设计荷载的确定应根据边坡的推力大小和支护结构的类型综合确定。先计算边坡的不平衡推力或侧压力，然后根据锚杆的布置形式计算该边坡要达到稳定需要锚杆提供的加固力。根据加固力和锚杆数量便可确定出每根锚杆平均承担的锚固荷载大小，该荷载的大小作为锚筋截面计算和锚固体设计的重要依据。（1）单一滑面破坏边坡使边坡稳定安全系数达到许用值时所需施加的锚固力用下式计算： (2)式中，T作用于边坡滑体上的由锚索提供的加固力； 作用在滑块底面上的水的浮托力；张拉裂缝中的水压力； 锚杆与水平面之间的夹角；L滑动面的长度；F边坡的安全系数。 图1 边坡平面破坏受力分析 图2 边坡双画面滑动的受力分析（2）双滑面破坏边坡边坡达到许用安全系数值时所需的加固力为： (3)式中，分别为滑块1和滑块2的自重；，分别为滑块1和滑块2的水压力；，分别为滑块1和滑块2的粘聚力；，分别为滑块l和滑块2的摩擦角；，分别为滑块1和滑块2的滑面长度；，分别为滑块1和滑块2的滑面倾角。（3）多滑面破坏边坡多滑面破坏边坡的稳定分析比较复杂，如前面所述，目前工程上大都采用传递系数法近似确定边坡的稳定性。当计算出的最底部滑块的不平衡推力大于零时，说明边坡的稳定性不能保证。若采用预应力锚杆（索）加固滑坡时，锚杆应提供的锚固力可以近似地按照边坡的平衡条件用下式确定。 (4)式中，E 滑坡推力，计算推力时应考虑一定的安全储备； 锚索与滑动面相交处滑动面倾角； 滑动面内摩擦角； 锚索与水平面的夹角，以下倾为宜，不易大于45，一般为1530。3.5 锚杆轴向拉力设计值的确定式(2)、式(3)、式（4）计算得到的是每延米边坡所需的加固力，该加固力为一个横剖面上锚杆的设计总锚固力。根据边坡的规模进行锚杆的布置，确定出锚杆的水平间距和竖向间距后，即可计算出整个边坡加固所需的锚杆数量。这样就可以用下式计算单根锚杆所需提供的设计锚固力N。 (5)式中，N单根锚杆的轴向设计锚固力； L边坡的长度； 锚杆的总根数。设计锚固力N应小于容许锚固力，即。铁路路基支挡结构设计规范（TB10025-2001）中规定，对于锚固钢材容许荷载应满足表5要求。锚固钢材容许荷载 表5项目永久性锚固临时性锚固设计荷载作用时或0.75或0.8张拉预应力时或0.85或0.85预应力锁定时或0.9或0.9注：Pu为极限张拉荷载(kN)，Py为屈服荷载(kN)。3.6 锚杆锚筋的设计在确定出锚杆轴向设计荷载后，需要对锚杆进行结构设计，结构设计的第一步就是根据锚杆轴向设计荷载计算锚杆的锚筋截面，并选择合理的钢筋或钢绞线配置锚筋；在配置锚筋后可由锚筋的实际面积和锚筋的抗拉强度标准值计算出锚杆承载力设计值，然后方能进行锚杆体和锚固体的设计计算。（1）锚杆锚筋的截面积计算锚杆要达到设计荷载Nak所需的锚筋截面需满足以下公式的要求：普通锚筋锚杆： (6)预应力锚索锚杆： (7)式中，Nak相应于作用的标准组合时锚杆所受轴向拉力标准值； As锚杆钢筋或预应力锚索截面面积； fy,fpy普通钢筋或预应力钢绞线的抗拉强度设计值； Kb锚杆杆体抗拉安全系数，应按表6取值。锚杆杆体抗拉安全系数 表6边坡工程安全等级安全系数临时性锚杆永久性锚杆一级1.82.2二级1.62.0三级1.41.8（2）锚筋的选用根据锚筋截面计算值，对锚杆进行锚筋的配置，要求实际的锚筋配置截面面积大于所需的截面面积。配筋的选材应根据锚固工程的作用、锚杆承载力、锚杆的长度、数量以及现场提供的施加应力和锁定设备等因数综合考虑。对于棒式锚杆，都采用钢筋做锚筋。如果是普通非预应力锚杆，由于设计轴向力一般小于450kN，长度最长不超过20m，因此，锚筋一般选用普通热轧钢筋；如果是预应力锚杆可选用预应力螺纹钢筋。预应力材料可分为金属材料和复合型材料。金属材料是目前国内广泛应用的材料，它包括高强钢丝、钢绞线、精轧螺纹钢筋等，其中尤其以高强度低松驰钢绞线应用量最多、最广泛。复合型材料是预应力金属高强材料经深加工后的产品，包括无粘结筋、环氧涂层钢绞线、钢丝等，其中无粘结筋应用量逐年增加。 对于长度较长、锚固力较大的预应力锚杆应优先选用钢绞线、高强钢丝，这样不但可以降低锚杆的用钢量，最大限度地减少钻孔和施加预应力的工作量，还可以减少预应力的损失。因为钢绞线的屈服应力一般是普通钢筋的近7倍，如果假定钢材的弹性模量相同，它们达到屈服点的延伸率钢绞线是钢筋的7倍。换言之，在同等地层徐变量的条件下，采用钢绞线的锚杆的预应力损失仅为普通钢筋的1/7。钢绞线、预应力螺纹钢筋以及普通螺纹钢筋规格参数如表7、表8、表9所示。 钢绞线抗拉强度设计值、标准值（N/mm2） 表7种类直径(mm)抗拉强度设计值(fpy)屈服强度标准值(fpyk)极限强度标准值(fptk)13三股8.612201410172010.813201670186012.913901760196017七股9.512201540172012.713201670186015.213901760196017.812201590172021.6132016701860 预应力螺纹钢筋抗拉强度设计值、标准值（N/mm2） 表8种类直径(mm)符号抗拉强度设计值(fpy)屈服强度标准值(fpyk)极限强度标准值(fptk)预应力螺纹钢筋18，25，32，40，50PSB785650785980PSB9307709301030PSB108090010801230 普通螺纹钢筋抗拉强度设计值、标准值（N/mm2） 表9种类直径(mm)抗拉强度设计值(fpy)屈服强度标准值(fpyk)极限强度标准值(fptk)热轧钢筋HRB335HRBF335650300335455HRB400HRBF400RRB400650360400540HRB500HRBF5006504355006303.7 锚固体设计为达到锚固力标准值，圆柱形锚杆锚固体与岩土层间的接触长度，即锚固体长度应满足下式的要求： (8)式中，La锚固体长度；K 锚杆锚固体抗拔安全系数，按表10取值；D 锚杆锚固体（即钻孔）直径；frbk锚固体表面与周围岩土体之间的极限粘结强度标准值，它与钻孔方法、岩土性质、渗透性、抗剪强度、锚杆上覆地层厚度、注浆压力等因素有关，工程上一般由试验确定。无试验资料时也可参照表11推荐值选用。 岩土锚杆锚固体抗拉安全系数 表10边坡工程安全等级安全系数临时性锚杆永久性锚杆一级2.02.6二级1.82.4三级1.62.2 土体与锚固体间的极限粘结强度标准值 表11岩土种类岩土的状态frbk（kPa）粘性土软 塑2040可 塑4050硬 塑5065坚 硬65100砂土稍密100140中密140200密实200280碎石土稍 密120160中 密160220密 实220300岩石极软岩270360软岩360760较软岩7601200较硬岩12001800硬岩18002600 注： 适用于注浆强度等级为M30。以上是按锚杆锚固体与地层粘结强度来确定锚固力和设计有效锚固长度。然而，锚杆杆体与锚固体材料之间的锚固力一般高于锚固体与土层间的锚固力，因此土层锚杆锚固段长度计算结果一般均为式(8)。极软岩和软质岩中的锚固破坏一般发生于锚固体与岩层间，硬质岩中的锚固端破坏可发生在锚杆杆体与锚固体材料之间，因此岩石锚杆锚固段长度应分别按式(8)和下式计算，取其中大值。 (9)式中，d锚筋直径；n 杆体（钢筋、钢绞线）根数；fb钢筋与锚固砂浆间的粘结强度设计值，其值取决于钢杆表面形状和水泥砂浆的粘结和抗剪强度，一般应由试验确定。当缺乏试验资料时可按表12取值。 钢筋、钢绞线与砂浆之间的粘结强度设计值(MPa) 表12锚杆类型水泥浆或水泥砂浆强度等级M25M30M35水泥砂浆与螺纹钢筋间的粘结强度设计值2.102.402.70水泥砂浆与钢绞线、高强钢丝间的粘结强度设计值2.752.953.40 注： 1 当采用二根钢筋点焊成束的做法时，粘结强度应乘以0.85折减系数； 2 当采用三根钢筋点焊成束的做法时，粘结强度应乘0.7折减系数； 3 成束钢筋的根数不应超过3根，钢筋截面总面积不应超过锚孔面积的20%。当锚固段钢筋和注浆材料采用特殊设计，并经试验验证锚固效果良好时，可适当增加锚杆钢筋用量。 永久型锚杆抗震验算时，其安全系数应按0.8折减。我国建筑边坡工程技术规范根据大量锚杆试验结果及锚固段设计安全度及构造需要，规定锚固段的设计计算长度应满足以下要求：(1) 锚杆锚固段长度应按式(8)、式(9)计算，并取其中大值。同时，土层锚杆的锚固段长度不应小于4m，并不宜大于10m；岩石锚杆的锚固段长度不应小于3m，且不宜大于45D和6.5m；预应力锚索不宜大于55D和8m.(2) 位于软质岩中的预应力锚索，可根据地区经验确定最大锚固长度。(3) 当计算锚固段长度超过构造要求长度时，应采取改善锚固段岩土体质量、压力灌浆、扩大锚固段直径、采用荷载分散型锚杆等，提高锚杆承载能力。锚杆总长度为锚固段、自由段及外锚头的长度之和。锚杆自由段(张拉段)长度应根据锚杆与滑裂面和边坡坡面的交点的距离而定，为了有利于被锚固地层的稳定性和锚固可靠性，锚杆自由段长度应为外锚头到潜在滑裂面的长度；预应力锚杆自由段长度应不小于5.0m，且应超过潜在滑裂面1.5m。3.8 锚杆的构造设计1.锚孔锚杆的钻孔直径应保证：钻孔内的锚杆钢筋面积不超过钻孔面积的20%；钻孔内的锚杆钢筋保护层厚度，对永久性锚杆不应小于25mm，对临时性锚杆不应小于15mm。 锚孔的倾角宜采用1035，并应避免对相邻构筑物产生不利影响。2.对中支架对中支架是保证张拉段的锚索束体在孔中居中，从而使锚索体可被一定厚度的注浆体覆盖。在设置对中支架时要符合下述要求：(l)所有锚索均应沿锚索张拉段全长设置对中支架；(2)对中支架应保证其所在位置处锚索束体的注浆体覆盖层厚度不小于10mm，永久工程不宜小于20mm；(3)波纹管内对中支架应保证其所在位置处锚索束体的注浆体覆盖层厚度不小于5mm；(4)对中支架的间距一般根据锚索组装后的刚度确定，应确保两相邻对中支架中点处锚索体或波纹管的注浆体覆盖层厚度不小于5mm；(5)软弱地层中的对中支架应避免陷入孔壁地层中，其接触面积应相应扩大。3. 隔离支架设置隔离支架的作用是使锚固段的各根钢绞线相互分离，并使锚索体居中，隔离支架的设置要符合下述要求：(l)所有钢绞线组成的锚索体，在锚固段均应使用隔离支架；(2)隔离支架应在保证其有效工作的同时，确保注浆体能顺利通过；(3)隔离支架应具有足够的刚度，当锚索受力时不允许产生过大变形；(4)隔离支架应能使钢绞线可靠分离，使每股钢绞线之间的净距应大于5mm，且使隔离支架处锚索体的注浆体厚度大于10mm；(5)每根锚索的锚固段最少应安装3个隔离支架，其间距一般由现场组装情况确定。4. 锚头设计锚头的结构构造和形状尺寸应根据锚杆的设计荷载、地层条件、支挡结构和施工条件而定，并保证有足够的强度和刚度，不得产生有害的变形，有效地保持锚杆预应力值的恒定。锚杆头部一般由台座、承压板及紧固器三部分组成(图3、图4、图5)。台座通常由钢筋混凝土或钢板组成，其中放置承压板的外表面必须设计成与锚杆垂直。承压板需用高强度钢板制成，不至因锚杆预拉应力而使之变形过大，导致台座表面不均匀受力而发生破坏。紧固器又称为锚具，对于预应力钢筋的锚具普遍使用的是螺母。螺母的尺寸应根据钢筋的直径、螺纹规格和预应力大小来确定。对于钢铰线锚具，国内常用的有JM（夹片式锚具体系）系列、QM（直开缝三片式群锚体系）系列、OVM（直开缝二片式群锚体系）系列，根据使用钢铰线根数的多少可分为4孔、7孔、9孔、12孔、15孔等不同型式。部分OVM锚具基本参数见表13，供设计时参考。图3 锚杆头部结构示意图（(a) 钢筋混凝土，(b) 钢板）图4 大吨位锚索外锚头曲型结构图 图5 小吨位锚索外锚头典型结构1锚索孔壁；2孔口管；3墩座；4自由段注浆管； a）钢筋混凝土制作； b）钢板制作5排气管；6墩座二期混凝土；7束体；8锚板；9垫板；10承力钢筋网图6 混凝土墩最小厚度OVM锚具的基本参数 表13OVM锚具钢绞线直径(mm)钢绞线根数锚垫板(mm)边长厚度内径锚板(mm)直径厚度波纹管(mm)外径内径OVM15-6、715.215.76根、7根210160108135607770OVM15-1215.215.712根270210140175709790OVM15-1915.215.719根210250174217901071005. 预应力锚杆的张拉与锁定荷载对于锚杆，原则上可按锚杆设计轴向力（工作荷载）作为预应力值加以锁定，但锁定荷载应视锚杆的使用目的和地层性状而加以调整。（1）锚杆张拉宜在锚固体强度大于20MPa并达到设计强度的80%后进行。（2）锚杆张拉顺序应避免相近锚杆相互影响。（3）锚杆张拉控制应力不宜超过0.65倍钢筋或钢绞线的强度标准值。（4）锚杆进行正式张拉之前，应取0.10倍0.20倍锚杆轴向拉力值，对锚杆预张拉1次2次，使其各部位的接触紧密和杆体完全平直。（5）宜进行锚杆设计预应力值1.05倍1.10倍的超张拉，预应力保留值应满足设计要求；对地层及被锚固结构位移控制要求较高的工程，预应力锚杆的锁定值宜为锚杆轴向拉力特征值；对容许地层及被锚固结构产生一定变形的工程，预应力锚杆的锁定值宜为锚杆设计预应力值的0.75倍0.90倍。（6）边坡坡体有明显蠕变且预应力锚杆与抗滑桩相结合，或因坡体地层松散引起的变形过大时，应由张拉试验确定锁定荷载。通常这种情况下将锁定荷载取为设计锚固力的50%80%。（7）当边坡具有崩滑性时，锁定荷载可取为设计锚固力的3070。（8）当锚固地层有明显的徐变时，可将锚杆张拉到设计拉力值的1.21.3倍，然后再退到设计锚固力进行锁定，这样可以减少地层的徐变量引起的预应力损失。四、格构加固结构设计格构加固技术是利用浆砌块石、现浇钢筋混凝土或预制预应力混凝土进行边坡坡面防护，并利用锚杆或锚索加以固定的一种边坡加固技术。格构技术一般与公路环境美化相结合，利用框格护坡，同时在框格之内种植花草可以达到极其美观的效果。图7 预应力锚索与格构梁加固系统示意图格构的主要作用是将边坡坡体的剩余下滑力或土压力、岩石压力分配给格构结点处的锚杆或锚索，然后通过锚索传递给稳定地层，从而使边坡坡体在由锚杆或锚索提供的锚固力的作用下处于稳定状态。格构仅仅是一种传力结构，而加固的抗滑力主要由格构结点处的锚杆或锚索提供（见图7）。格构加固技术特别适用于坡度较陡、坡体岩土均匀且较坚硬的公路边坡或公路滑坡。但应当注意，对于不同稳定性的边坡应采用不同的格构形式和锚固形式的组合进行加固或坡面防护。例如，当边坡定性好，但因前缘表层开挖失稳出现塌滑时，可采用浆砌块石格构护坡，并用锚杆锚固；如果边坡稳定性差，可用现浇钢筋混凝土格构加锚杆（索）进行加固；而对于稳定性差、下滑力大的滑坡，可用现浇钢筋混凝土格构加预应力锚杆（索）进行加固；所有这些锚杆（索）都必须穿过滑动面并使锚固段位于稳定可靠的地层中，方能起到阻滑的作用。4.1 格构的结构型式及布置根据格构采用的材料不同，格构可分为浆砌块石格构、现浇钢筋混凝土格构和预制预应力混凝土格构（又称PC格构）。目前我国在边坡工程中主要使用浆砌块石和现浇钢筋混凝土格构，格构的常用型式有：（l）方型：指顺边坡倾向和沿边坡走向设置方格状格构。格构水平间距对于浆砌块石格构应小于3.0m，对于现浇钢筋混凝土格构应小于5.0m。（2）菱型：沿平整边坡坡面斜向设置格构。格构间距对于浆砌块石格构应小于3.0m，对于现浇钢筋混凝土格构应小于5.0m。（3）人字型：按顺边坡倾向设置浆砌块石条带，沿条带之间向上设置人字型浆砌块石拱或钢筋混凝土。格构横向或水平间距对于浆砌块石格构应小于3.0m，对于现浇钢筋混凝土格构应小于4.5m。（4）弧型：按顺边坡倾向设置浆砌块石或钢筋混凝土条带，沿条带之间向上设置弧型浆砌块石拱或钢筋混凝土。格构横向或水平间距对于浆砌块石格构应小于3.0m，对于现浇钢筋混凝土格构应小于4.5m。4.2 格构的结构设计与计算在预应力与框架梁的复合结构中，框架梁除表层固坡作用外，还有传力作用。框架梁起到锚墩的作用，由于框架梁与坡面的有效接触面积大，坡体在锚索作用下的变形得到限制。因此，预应力锚索框架梁的内力计算时应考虑锚索对框架梁的影响。对于采用格构加固的高陡边坡设计，首要的问题是计算锚固荷载。通常情况下，计算锚固荷载应根据边坡的破坏类型确定计算方法。对于具有连续的潜在滑动面的边坡，可采用前述的锚杆加固力的计算方法进行计算。1.格构梁上锚索力的拆分对格构梁，按纵、横梁之间为铰支连接的假设，将框架“拆解”分开，拆分为纵梁和横梁单独进行受力分析，将锚索作用力在节点上进行纵、横两方向的一次分配，为简单起见，不考虑节点处存在的微小转角和相邻荷载传递影响。锚索力的分配必须满足变形协调条件和静力平衡条件。根据以上的假设与方法，锚索力在节点上沿横梁、纵梁的分配计算公式分别为： 中间节点 (10）边节点 (11) 式中，Pi作用在第i个结点上的垂直于坡面方向上的锚索分力(kN)；Pix，PiyPi在结点处分配给横、纵梁上的分力(kN)；bx，by横、纵方向的梁宽(m)；Sx，Sy横、纵梁的弹性特征长度(m)，；EIx，EIy纵，横梁的刚度(kNm2)；k地基反力系数(kNm-3)；若节点沿x、y方向均有外伸相似长度的悬臂梁段，则荷载分配公式亦与中间结点相同。 图10 格构梁的3种节点类型示意图2. 格构梁内力计算格构梁的内力在不同的工作阶段并不相同，计算时应分别按照张拉阶段和正常工作阶段分别计算其内力，并按最不利原则进行格构梁的配筋。（1）张拉阶段地梁内力计算为简化分析，考虑最大外荷作用，采用张拉刚刚完成的时刻进行分析。以纵梁上作用3孔锚索为例，此时地梁上的外力为：锚索张拉力Pi，梁下岩土体反力px，地梁自重G以及坡面摩擦力T，如图11所示。图11 预应力锚索地梁张拉阶段分析简图由于考虑到梁底支承于下一阶坡顶面上，相当于有一根水平刚性链杆支承于梁底部，阻止其发生沿坡面方向的位移。且主要关心的是梁在张拉力和梁底岩土地基反力作用下的内力状况。故为了分析简化，计算中忽略掉梁身自重和摩擦力作用。并且按习惯方式将梁转动一定角度，如图12所示。按照弹性地基梁模型计算地梁的内力，设荷载Pi和梁的挠度（沉陷）y均以向下为正，地基反力px以向上为正，梁的转角，弯矩和剪力按材料力学一般方法取正方向。从梁上截取任意微段，作用在此微段上的外力和内力如图13所示。按工程一般情况，一般取等截面梁，且各孔锚索在梁上作用于中心线处，无偏心荷载作用，也即梁不产生扭转变形。由该微段力的平衡可知 (12)式中，Ec,Ic分别为梁的弹性模量和惯性矩；b为梁的宽度；qx为梁上作用的分布荷载，其它符号意义同前。 图12 张拉阶段地梁受力计算图 图13 地梁微段受力图平衡方程是一个四阶常系数线性非齐次常微分方程。实际工程中，分布荷载q(x)常可用不超过x三次方的多项式表示，因此，方程的通解为： (13)其中， 此即文克勒假设地基上基础梁的挠度方程，式中的四个积分常数c1c4需根据边界条件或连续条件确定。在边坡工程中格构梁一般都可看成有限长梁。采用初参数法进行分析，应用克雷洛夫函数，并以梁左端，四个初参数代换四个积分常数，可得梁任意截面挠度、转角、弯矩和剪力的计算公式。 (14) (15) (16) (17)式中，分别为梁截面x处的挠度、转角、弯矩和剪力；Pi为作用于梁上的竖向集中力；upi为锚孔作用集中力至梁左端的距离；F1，F2，F3，F4为克雷洛夫函数，其表达式为： (18) (19) (20） (21)四个初参数可根据梁左端的边界条件和梁右端的边界条件求出。梁左端为自由端，弯矩，剪力均为零，有 (22)梁右端插入台阶内，可按弹性固结考虑，有， (23)将x=L代入挠度、转角、弯矩和剪力的计算公式，并利用式(23)，整理后得： (24) (25)其中， (26) (27)将式(22)、式(24)、式(25)代入弯矩、剪力、挠度、转角的计算公式，可得地梁任意截面的变形与内力计算公式如： (28) (29) (30) (31)在张拉刚结束的阶段，Pi为各锚孔的超张拉后的锚索轴力值，先由式(24)、式(25)求出和，再代入公式(28)、(29)、(30)、(31)即可求得梁各截面的挠度、转角、弯矩和剪力，由此可进行工程设计和梁体配筋计算。（2）工作阶段地梁内力计算正常工作阶段，地梁内力也可按照弹性地基梁模型计算，但是，由于锚索紧拉地梁抑制坡体滑移，此时，地梁下岩土体处于主动变形阶段对地梁施加挤压力。工作阶段计算的关键在于如何计算岩土体主动变形对地梁底部的挤压力。当有现场锚索张力的实测数据时，最好采用实测值进行计算。无实测值时应由弹性地基梁法进行梁土变形协调计算，并与按下式计算的地梁内力值进行对比。 (32)式中，qx工作阶段梁底的反力； px张拉结束时计算出的地梁底部的地基反力； Ex地梁下岩土体产生的土压力。对于纵梁，由于中间设有锚索，所以其计算模型应是两跨外伸超静定连续梁；对于横梁，则可看成单跨简支梁。具体计算时，纵梁可采用力矩分配法，首先求出弯矩，进而可求出剪力、支座反力等；横梁则直接按简支梁求解得出梁的内力与支座反力。