[发明专利]一种风化岩体边坡预应力锚杆加固长度的优化设计方法

摘要

本发明涉及边坡稳定性评价与滑坡加固及防治领域，具体涉及一种风化岩体边坡预应力锚杆加固长度的优化设计方法。所述方法包括以下步骤：步骤一：待加固边坡基本评价参数的勘查与确定；步骤二：边坡稳定性系数F_s的确定；步骤三：边坡坡体抗滑力与下滑力的确定；步骤四：边坡锚杆加固所需抗滑力设计值的确定；步骤五：锚杆布设及单根锚杆预应力值的确定；步骤六：岩锚粘结强度与其单轴抗压强度定量关系的确定；步骤七：各层锚杆最优锚固长度和锚杆总长度的确定。该方法不仅可以较为准确的测定出锚杆锚固长度，而且运用该法设计预应力锚杆更为经济、合理与安全。

主权项

1.一种风化岩体边坡预应力锚杆加固长度的优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：待加固边坡基本评价参数的勘查与确定：对风化岩边坡进行岩土工程勘查与现场原位试验，获取边坡内强风化带的摩擦角粘聚力c以及坡角θ，确定出强风化带平均厚度H₁、中等风化带平均厚度H₂、微风化带平均厚度H₃，运用测绘方法绘制出边坡剖面图，同时在每个风化带上取多个点，分别通过岩石饱和单轴抗压强度试验和锚杆极限抗拔试验测出岩体单轴抗压强度值R_c和岩锚极限粘结强度值q_r，并绘制q_r、R_c关系曲线；步骤二：边坡稳定性系数F_s的确定：以下小步：1)边坡最危险滑移面的确定采用位于强风化带中的圆弧形滑移面计算边坡的稳定性，根据费伦纽斯法，先确定边坡最危险滑弧圆心，再通过最危险滑弧圆心依据F_s最小原则确定最危险滑移面位置，即确定边坡内部多个可能出现的滑移面并计算出相应的稳定性系数F_s，通过对比从中找出F_smin，并将其作为边坡的整体稳定性系数，则此F_smin对应的边坡圆弧线即为最危险滑动面；2)边坡稳定性系数F_s的确定根据圆弧形滑面的边坡稳定性评价方法，采用Bishop法进行分析计算，其边坡稳定性系数为：式中：F_s—边坡稳定性系数；c_i—第i计算条块滑面粘聚力，kPa；—第i计算条块滑面内摩擦角，°；α_i—第i计算条块滑面倾角，°，滑面倾向与滑动方向相同时取正值，滑面倾向与滑动方向相反时取负值；l_i—第i计算条块滑面长度，m；U_i—第i计算条块单位宽度总水压力，kN/m；γ_w—水重度，取10kN/m³；W_i—第i计算条块单位宽度自重，kN/m；h_wi，h_w,i‑1—第i及第i‑1计算条块滑面前端水头高度，m；i—计算条块号，从后方起编；n—条块数量；将F_s的初值F_s0代入(2)式计算m，再将m代入(1)式计算得到F_s¹，再令F_s¹＝F_s1，重复上述步骤直至满足ΔF＝F_sⁿ‑F_sn＜δ为止，则最终的边坡稳定性系数F_s＝F_sⁿ，其中δ为精度，F_sn为迭代n次后的边坡稳定性系数；步骤三：边坡坡体抗滑力与下滑力的确定：包括以下小步：1)边坡稳定性分析与评价按照边坡重要等级确定边坡安全系数F_st，当边坡稳定性系数F_s>F_st时，边坡处于稳定状态，即不需要加固；当边坡稳定性系数F_s<F_st时，边坡处于不稳定状态，应对边坡进行加固处理；2)滑体抗滑力与下滑力的确定当边坡处于不稳定状态时，分别根据式(4)(5)求出边坡的抗滑力、下滑力：步骤四：边坡锚杆加固所需抗滑力设计值的确定：包括以下小步：1)边坡滑体抗滑力设计值的确定根据边坡滑体抗滑力值和边坡安全系数F_st，确定边坡滑体抗滑力设计值为：F_抗′＝F_stF_下  (6)2)锚杆加固边坡所需抗滑力设计值R的大小为：R＝F_抗′‑F_抗＝F_stF_下‑F_抗  (7)；步骤五：锚杆布设及单根锚杆预应力值的确定：包括以下小步：1)单根锚杆锚固抗滑力值的确定锚杆采用行列式排列，锚杆水平间距不小于1.5m，锚杆竖向间距不小于2.0m，设滑坡体的宽度为L_b，预应力锚杆横向间距为b，滑坡体两端第一根锚杆位置距滑坡体边缘b/2，则每排锚杆数量为：第一排锚杆距坡顶距离在1.5m～2.0m处，设锚杆竖向间距为h_m，边坡高为H，第一排锚杆距离坡顶距离为h₁，则锚杆排数为：依据每排锚杆加固区域的剖面面积占滑体剖面总面积的比例来分配该排每根锚杆应提供抗滑力的大小，计算公式如下：式中：R_i—第i排每根锚杆提供的抗滑力，kN；A_i—第i排每根锚杆加固区域的剖面面积，m²；2)单根锚杆预应力值的确定假定每层锚杆入射角相同，为10°～35°，根据(11)式确定每根锚杆预应力值：式中：r_i—第i排每根锚杆的预应力值；θ_i—第i排每根锚杆与滑弧面相交处，滑弧切线与水平面的夹角；β_i—第i排每根锚杆入射角；步骤六：岩锚粘结强度与其单轴抗压强度定量关系的确定：假设岩锚粘结强度q_r与岩石单轴抗压强度R_c的函数关系为：q_r＝a ln R_c+b  (12)式中a、b的值根据步骤一测出的不同风化带上多个测点的岩锚极限粘结强度与岩石单轴抗压强度，运用最小二乘法拟合求得，其计算过程如下：将公式(12)看成(13)(14)两个初等函数的线性组合：设m为试验数据个数，由最小二乘法计算原理知：将以上公式计算结果代入式(20)计算a、b：步骤七：各层锚杆最优锚固长度和锚杆总长度的确定：包括以下小步：a)预应力锚杆最优锚固长度的确定锚固段从中等风化带开始计算，分别按下列情况计算锚杆锚固长度：1)将锚杆和浆体作为整体，保证其与周围岩体间的摩擦力足够大以不至于将其整体拔出，由公式(21)(22)分别确定各风化带R_c与H函数关系的斜率k_j、第j个风化带为第i根锚杆提供的锚固力r_ij：①若锚固段终点落在中风化带上即可满足锚固力要求，即r_i2≥r_i时，则按公式(23)解出锚固终点岩体抗压强度R_c′，再由公式(24)确定其锚固长度L_ai：②若锚固段终点落在微风化带上才可满足锚固力要求即r_i2＜r_i＜r_i2+r_i3时，则按公式(25)解出锚固终点岩体抗压强度R_c′，再由公式(26)确定锚固长度L_ai：③若锚固段终点落在微风化带上仍不能满足锚固力要求，则其锚固段终点应落在未风化带上，即r_i2+r_i3＜r_i，此时将岩锚极限粘结强度q_r取为一个定值，按公式(27)计算未风化带中锚杆锚固长度L_ai4，再由公式(28)确定锚固长度L_ai：L_ai＝H₂+H₃+L_ai4  (28)2)将浆体与周围岩体作为整体，保证其与锚杆间的摩擦力足够以不至于锚杆被拔出，由公式(29)确定锚固长度L_ai：式中：K—锚杆锚固体抗拔安全系数；r_i—第i根锚杆锚固力值，kN；r_ij—第j个风化带为第i根锚杆提供的锚固力，kN，j取2、3；q_r—岩锚极限粘结强度，MPa，未风化岩取值范围2.0～2.5MPa；L_ai—第i根锚杆锚固段长度，m；a、b—拟合曲线系数，根据试验数据确定；R_c—岩石单轴抗压强度值，MPa，其取值为：强风化带0～20MPa，中等风化带20～85MPa，微风化带85～100MPa，未风化带100～150MPa；R_c1、R_c2、R_c3—分别为强风化带与中等风化带、中等风化带与微风化带、微风化带与未风化带岩石单轴抗压强度界限值，MPa；H_j—某风化带厚度，m，j＝1、2、3、4分别对应强风化、中等风化、微风化、未风化带视为无穷厚；q_s—锚固段灌浆体与筋体间粘结强度极限值，MPa；D—锚杆锚固段钻孔直径，mm；d—钢筋或钢绞线直径，mm；ξ—采用2根以上钢筋或钢绞线时，界面粘结强度降低系数，取0.7～0.85；ψ—锚固长度对粘结强度的影响系数；n_i—第i根锚杆钢筋或钢绞线根数；锚杆最优锚固长度以以上两种极限情况作为设计依据，取以上1)、2)中计算结果的较大值作为第i层锚杆的锚固长度；b)锚杆设计总长度的确定由公式(30)确定锚杆自由段长度：式中：L_fi—锚杆自由段的长度，m；R_o—滑弧的半径，m；y_i—第i根锚杆与滑动面交点的纵坐标，m；x₀、y_o—滑弧圆心横、纵坐标，m；θ—坡面与水平面的夹角，°；则锚杆的设计总长度根据式(31)确定：L_i＝L_ai+L_fi  (31)。