不稳定块体危岩主动防护网结构计算受力分析与研究.pdf
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1、DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202301051开放科学(资源服务)标识码(OSID)不稳定块体危岩主动防护网结构计算受力分析与研究张广乾1,2,李向阳1,3,高小航2,王 伟3,张晨招3,刘 谋1(1.中国建筑材料工业地质勘查中心陕西总队,西安710003;2.西安建材地质工程勘察院有限公司,西安710003;3.陕西中祥基础工程有限责任公司,西安710003)摘要:鉴于目前主动防护网设计存在的弊端,根据 GPS2 型主动防护网结构组成及受力原理,计算不同条件下不稳定块体危岩的下滑力,通过对不稳定块体滑动下滑力、防护网、锚固体受力分析,得出锚固体系为防护治理成败
2、的关键及不同岩体条件下锚固体破坏形式,提出设计中的关键点。关键词:不稳定块体危岩;GPS2 型主动防护网;结构计算;受力分析;破坏形式中图分类号:U216.41+5文献标志码:A文章编号:1003 8825(2023)05 0089 05 0 引言主动防护网可根据地形灵活布设,无需对坡面进行削坡开挖,其施工快速、便捷,对坡面孤石、危岩、岩块的崩落防护效果明显,广泛应用于公路、铁路、矿山、水利及景区等边坡防护治理,能较好地预防边坡坡面潜在的危岩崩落、落石、溜滑等灾害发生1 2。由于主动网防护对象复杂、坡体多变,岩质种类多样,目前尚未建立统一力学模型,加之主动防护网由各模块组装形成,设计中主要依据
3、设计人员的经验和感性认识给出设计参数,未结合具体的工点特征进行精细化设计,致使防护网各模块间不协调,安全系数不尽一致,组成的坡面防护系统不尽合理3。鉴于此,对不稳定块体危岩主动防护网结构分析极为必要,通过计算分析主动防护网各模块的受力状态,使各部件间受力达到协调一致,在破坏前各构件均能达到设计极限状态。1 不稳定块体危岩主动防护网工作原理及组成 1.1 不稳定块体危岩主动防护网工作原理主动防护网主要通过锚固体系将柔性网包裹覆盖于灾害体坡面上,阻止坡面岩体风化剥落、危岩崩落、溜滑、落石4或限制落石发生极小的位移,将其控制于一定区域范围内,防止坡面发生灾害5。其工作原理大概为 2 种类型:一种是,
4、通过预应力筋形成预应力锚固系统与高强度钢丝格栅柔性防护系统组成的防护体系,如 GTC-65A 型;另一种是通过钢绳锚杆锚固于岩体内,与支撑绳、钢绳网形成防护体系,锚固系统通过固定和约束支撑绳及钢绳网系统限制坡面不稳定块体危岩发生位移,阻止坡面落石、危岩崩落等灾害发生6,如 GAR1、GPS2 型等。以常用的 GPS2 型主动防护网为例,分析主动防护网受力体系及关键参数对防护效果的影响。1.2 不稳定块体危岩主动防护网体系组成主动防护网由锚固系统和坡面防护系统构成,注浆体将锚绳锚固于岩体中,锚绳锚杆为单根钢丝绳从中点对折,在对折处形成长约 10 cm 鸡心环,鸡心环外采用绳卡将对折后的钢丝绳紧固
5、形成柔性锚杆,纵横向支撑绳穿过鸡心环固定于钢绳锚杆上,钢绳网通过缝合绳固定于支撑绳上,人工采用倒链预加力紧固支撑绳,使防护网紧贴坡面,限制不稳定危岩滑落或破坏。坡面防护系统由纵、横向支撑绳,钢绳网,钢丝格栅网及缝合绳组成,覆盖包裹坡面岩体 7,主动防护网示意,见图 1。防护网结构构件中,钢绳网片尺寸为 4.0 m4.0 m,钢绳网通过 8 mm 的缝合绳固定于支撑绳上,内覆小孔格栅网。支撑绳一般采用 16 mm 的钢丝绳,钢绳锚杆采用双股 16 mm 或 18 mm 的钢丝绳。钢绳网及格栅网为标准化构件,设计中根据地质情况,只需确定锚固体轴力,锚固力取决于锚孔的抗拔力和抗拉力,钢绳锚杆抗拔力关
6、键取决于锚孔孔径和孔深。孔深和孔径较大时,钻进困难,导致项目造价较高,工期较长,施工风险增 收稿日期:2023 04 11作者简介:张广乾(1980),男,陕西西安人。高级工程师,硕士,主要从事地质灾害防治、岩土工程设计及研究工作。E-mail:。张广乾,等:不稳定块体危岩主动防护网结构计算受力分析与研究 89 大;反之,如果孔径和孔深均较小,可能导致锚绳被拔出破坏,防护失效。实际设计中,无专用计算软件,设计人员借鉴以往施工图纸及设计经验,不区分地质情况及被防护体坡体性状,始终取统一的锚绳规格、孔径和孔深,使得设计参数不尽经济合理。压顶锚杆钢绳锚杆主动防护网坡面裂隙纵向支撑绳8缝合绳D0/08
7、/300钢绳网S0/2.2/50格栅网横向支撑绳锚绳锚杆锚绳锚杆裂隙(a)剖面(b)平面图1主动防护示意 2 不稳定块体危岩滑动受力分析 2.1 不稳定块体危岩失稳状态分析岩体被各类结构面和临空面切割形成岩块,尤其高陡边坡顶部和两侧可能分布一定范围的碎裂结构岩体,这类不稳定块体结构面普遍张开充填次生泥,降雨易导致发生失稳。不稳定块体在工程作用或重力作用下,突然脆性断裂会发生崩塌破坏,孤石易发生滚落破坏,结构面抗剪强度降低,裂隙扩张易发生滑移破坏等8。不稳定块体后部裂隙张开、延长、鼓胀,底部外倾结构面渗流、裂隙张开、延长,填充物力学参数降低等现象,均可形成不稳定块体滑移9,GPS2型主动防护网对
8、此种小型破坏防护效果较佳。不稳定块体脱离母体滑移示意,见图 2。裂隙裂隙坡面滑移面块体块体滑移方向滑移方向裂隙(a)剖面(b)平面图2不稳定块体脱离母体滑移示意 2.2 滑移式不稳定块体危岩失稳受力分析GPS2 型主动防护网为被动受力体系。不稳定块体发生蠕动或较小的位移时,受到钢绳网的约束,钢绳网通过支撑绳将下滑力传递给锚绳锚杆,锚杆限制支撑绳发生位移,进而使钢绳网阻止不稳定块体的滑移。主动防护网为柔性防护体系,可认为钢绳锚杆轴向拉力基本等于支撑绳传给锚杆的拉力。锚杆间距(4.5 m)较远,若忽略锚绳锚杆的群锚作用,按照受力均等原则最不利工况下,建立计算模型,则一个防护模块(一张钢绳网)所承受
9、的不稳定块体下滑力等于该防护模块四个交点上任意 1 根锚杆所承受的拉力,即 1 根锚绳锚杆正常工作时的轴向拉力。2.3 不稳定块体危岩下滑力计算及分析按最不利工况计算下滑力,块体脱离母体后,块体后缘及侧面抗滑力为零,底面黏聚力几乎不发挥作用,只有摩擦阻力。结合岩体结构面情况,GPS2 型主动防护网包裹的单块危岩一般不大于4.0 m,块体危岩滑面倾角为,坡面倾角为,块体重度为,下滑力计算模型,见图 3。底滑面后部裂隙面坡面重力G锚绳锚杆支撑绳4.5 m滑移方向图3下滑力计算模型路基工程 90 Subgrade Engineering2023 年第 5 期(总第 230 期)按最不利工况,取不稳定
10、块体为直角三棱柱,其沿不稳定块体底面长度为 4.0 m,根据块体极限平衡理论,不稳定块体重力 G 和下滑力 P 的计算式为G=4.04.04.0tan()/2(1)P=G(sincostan)=32tan()(sincostan)(2)式中:为块体危岩底面滑面内摩擦角,按照勘察报告取值,也可根据岩体类型及结合面程度,按照工程地质手册及建筑边坡工程技术规范(GB 503302013)取值,由于不稳定块体存在下滑的风险,则其底面与坡体结合程度差,内摩擦角取值范围为 1827。以片麻岩为例,岩块重度 26 kN/m3,坡面倾角 85,计算不稳定危岩体下滑力与滑面倾角及内摩擦角关系,见图 4。0501
11、0015020025030035025 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80滑面倾角/()下滑力/kN18192021222324252627图4下滑力与滑面倾角及内摩擦角关系曲线 由图 4 可知:计算的最大下滑力为 333.3 kN。坡体一定的情况下,下滑力随滑面倾角增大呈先增大后减小,具有高斯曲线特征,最大值在滑面倾角 4550。此后,虽然结构面更利于滑动,但块体下滑力在减小,滑面倾角大于 65后,下滑力急剧减小;然而外倾结构面过陡,块体也极易发生滑移破坏,但底部滑面与坡体结合程度(内摩擦角)对其下滑力影响较小,这与实际中高陡边坡,底部大角度外倾滑面,落石易发滑
12、移相吻合,主动防护网对此防护效果极佳。对小于 45缓倾滑面,底部滑面结合程度对下滑力影响明显,其结构面遇水易软化,一般在雨季易发滑移。3 GPS2 型主动防护网结构体系受力分析 3.1 主动防护网网片受力分析8 mm 钢绳网单根绳能承受 88.9 kN 拉力,每片网由 28 根绳交织而成,考虑到局部岩石凸起,网片最少能承受 1 245.0 kN 的拉力。3.2 主动防护网锚固体系受力分析主动防护网锚固体系抗力大小取决于钢绳锚杆的抗拉力和锚固体抗拔力,抗拉力由钢绳锚杆筋体抗拉强度控制、抗拔力分别由注浆体与筋体和孔壁岩体的黏结强度、锚固段长度控制7。3.2.1 抗拉力分析以常用的 16 mm 双股
13、钢丝绳为例,根据材料出厂检验报告及重要用途钢丝绳列出钢丝绳参数:单股钢丝绳公称直径 16 mm,钢丝绳单丝抗拉强度 1 770 MPa,钢丝绳类别为 67,股绳断面结构为(1+6),最小钢丝破断拉力总和与钢丝绳最小破断拉力的换算系数 1.214,根据岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范(GB 500862015)取荷载组合系数 1.35,工作条件系数 1.1,按规范式 4.6.6-1 计算,钢绳锚杆能提供的轴向拉力设计值为 394.6 kN。3.2.2 抗拔力分析钢绳锚杆锚固段一般采用 PO42.5 水泥浆灌注,形成的锚固体强度不低于 40.00 MPa。按岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范
14、,锚固段注浆体与筋体间黏结强度设计值为 1.00 MPa,注浆体与地层间黏结强度标准值:坚硬岩 2.00 MPa,较硬岩 1.25 MPa,软岩及极软岩 0.80 MPa,界面黏结强度降低系数取 0.8,锚固段长度对极限黏结强度影响系数,依据钻孔及灌浆施工难易程度,工程可靠性,经济性综合考虑,锚杆长 2.5 m 时,=1.45,锚杆长 3.06.0 m 时,按 1.01.3 内插取值。主动防护网为高空作业,孔径越大,需要的钻机设备越笨重,裂隙越易卡钻,从而钻进效率降低较快。为降低施工难度,不宜选取大孔径,而是采用长锚杆提高锚固力。防腐构造要求锚杆保护层厚度不宜小于 10 mm,以 16 mm
15、锚绳锚杆为例,孔径宜为 52 mm,计算不同条件下锚固体轴力,筋体与注浆体抗拔力设计值,见表 1。锚固体轴力与岩体及孔深关系,见图 5。表1筋体与注浆体抗拔力设计值锚杆长度/m2.53.03.54.04.55.05.56.0抗拔力设计值/MPa213.5256.2298.9341.6384.3427.0469.7512.4 张广乾,等:不稳定块体危岩主动防护网结构计算受力分析与研究 91 020040060080010002.53.03.54.04.55.05.56.0坚硬岩抗拔力较硬岩抗拔力软岩及极软岩抗拔力筋体与注浆体抗拔力筋体抗拉力锚固体轴力/kN锚绳锚杆长度/m图5锚固体轴力与岩体及孔
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