1 概况

潘洛铁矿潘田采区南矿山体斜坡, 因受暴雨及坡脚被挖、下卧支撑降低的影响, 南矿边坡产生了部分滑塌, 并存在着大量的潜在滑动量及失稳问题。如不进行治理, 则有可能导致更大范围的破坏, 使矿山停产。据勘察地质资料:该坡体主要由碎石土、大理岩、石英砂岩、黑云母石英片岩及硅质岩组成; 岩体大部分为强风化, 岩层顺坡顺向; 坡体内有F₁₀、F₁₃、F₂₁三条断层穿插交汇, 不仅破坏了岩体的完整性, 而且是深部开采时的临空面和软弱面, 滑面主要受F₂₁与F₁₃断层、软弱夹层及节理裂隙面控制, 为折线形态。

该综合治理研究项目采用了以抗滑桩为主体的方案。因一般抗滑桩的桩身内力、桩的断面以及工程量均较大, 故采用了抗滑桩顶部施加预应力锚索的新型支挡结构。

2 预应力锚索抗滑桩设计

预应力锚索抗滑桩是在桩身顶部设置预应力锚索, 锚索穿过滑体锚固到滑床内, 从而形成锚索与抗滑桩的联合体。锚索张拉后, 其上端用锚具与桩身形成铰性连接, 形成类似简支梁受力状态的主动抗滑结构, 预应力锚索通过桩身对滑体主动施加了一个相当大的预应力, 可显著改善结构物的受力条件。由于这种受力状态减少了预应力锚索抗滑桩桩周应力, 因此, 可使桩截面小、桩身短、配筋少, 并使桩周围围岩易于满足桩对侧向承载力的要求。

2.1 滑坡推力计算

根据滑面形态, 采用剩余推力法计算滑坡推力^[1] :

(1)

式中: F_i—为第i条块的剩余下滑力;

F_i-1—为第i-1条块的剩余下滑力;

W_i—为第_i条块的重力;

α_i—为第_i条块所在滑面的倾角;

C_i—为第i条块底面内聚力;

φ_i—为第i条块底面摩擦角;

K_c—为传递系数;

K—为滑坡推力安全系数。

采用的岩土计算指标是通过试验并进行了工程处理, 经综合分析后得出的^[2]。根据南矿边坡具体情况, 930~ 920m以下的安全系数取1.05。计算参数见表 1。

2.2 结构设计

预应力锚索抗滑桩设计主要包括锚索设计拉力和锚索预应力的确定, 桩身内力计算及配筋, 锚固方法选择与强度计算, 锚索倾角、直径和间距的确定等。

根据预应力锚索抗滑桩的作用原理^[3], 锚索预应力抵消了滑坡产生的推力后, 还将继续使滑体受到挤压, 在滑坡推力出现最大值时, 锚索和抗滑桩仅产生微小弹性变形, 受力简图见图 1。

预应力锚索抗滑桩产生的变形条件为:锚索的设置只限制桩顶的水平位移, 而不妨碍其转动; 桩在弹性地基中受力变形; 受力类似简支梁; 计算时按弹性桩考虑。

基本计算参数为桩长20m(滑面以下深7.0m), 桩间距4.5m, 下滑力F_T = 2000kN/m, α= 10°(设桩处滑面倾角), h₁= 13m(滑面以上土层厚), h₂= 7m(滑面以下土层厚), 桩形为2. 2m×1. 8m的矩形, 桩截面积A_p = 3.96m², 截面惯性矩I= 1.59m⁴, 计算桩宽B_p= 2.8m, 地基系数K = 300000kN/m³, C30混凝土弹性模量为3.0×10⁴MPa

锚索沿桩顶设置, 每桩一根, 距桩顶0. 25m, 锚索与水平夹角25°, 孔径ƒ130mm, 采用ƒ_j15钢绞线组成, 用M20砂浆锚固。

2.2.1 桩体计算

(1) 桩体计算。按文献[4]推荐的方法, 根据作用在每根桩上的滑坡推力F_T、桩前滑面上岩土抗力F_P计算出滑面处剪力Q₀, 再确定锚索设计拉力F。

(2)

(3)

式中: Q₀—为滑面处剪力, kN;

M₀—为滑面处弯矩, kN·m;

F—为预应力锚索的锚固力, kN。

研究结果表明, F一般取(1/2~4/7)Q₀; 此研究方案采用1/2Q₀。

在该方案中, F_T= 7878.5kN, F_P= 500kN, 求得Q₀为4695.4kN, F= 2347.7kN, M₀= 18940.2kN·m。

(2) 计算桩身内力。将F视为外力作用在桩顶, 滑体推力按矩形分布, 桩前滑面以上岩土抗力按主动压力计算。

滑面以上桩身内力按一般静力学法计算, 求得最大剪力Q_max = 4710.4kN; 最大弯矩M_max = 19985.3kN·m。

滑面以下桩身内力按无量纲法计算, 求得最大正应力σ_max = 365.0kPa; 最大剪力Q_max = -7337.7kN; 最大弯矩M_max = 23808.6kN·m。

若按一般传统悬臂式抗滑桩设计, 求得的M_max为上述值的2~ 3倍, 不得不增大桩径, 并配置大量钢筋才能满足内力计算要求。预应力锚索抗滑桩与传统抗滑桩受力对比, 详见表 2。

(3) 配筋计算。按一般抗滑桩计算方法配筋。经计算受拉侧设75根ƒ32mmⅡ级螺纹钢, 分两排共25束, 每束3根; 桩的受压侧设置2ƒ20架立钢筋; 两侧和受压侧设置11根ƒ16的纵向构造钢筋, 间距50cm; 箍筋为ƒ25a 300。

2.2.2 锚索锚固强度计算

在桩顶施加的预应力要通过锚索与砂浆之间的握裹力、砂浆同孔壁岩土之间的摩擦阻力才能传递到滑床稳定的岩土中。因而, 对上述各项均要进行验算^[3]。

(1) 锚索承载力计算:

式中: n—为钢绞线根数;

S—为每根钢绞线折算面积, mm²;

[σ]—为钢绞线设计强度, Pa。

因F = 2347.7kN, α= 25°, 即P₀ = 2590.4kN, 经计算P₁= 3200kN> P₀。

(2) 砂浆与锚索之间握裹力计算:

式中: d₁—锚索换算直径, cm;

L_效—锚索有效锚固长度, m;

τ₂—钢绞线与砂浆间抗剪强度,

R—为砂浆极限抗压强度;

K—系数, 当锚索由钢绞线组成时, 可取0.5~ 0.55。

经计算, 当L_效> 8m时, P₂> P₀。

(3) 砂浆与孔壁岩土间的摩阻力:

式中: d₂—孔径, cm;

τ₃—砂浆与孔壁之间的平均摩阻力, kPa;

P₃往往起控制设计作用, 一般情况下都通过现场试验得出可靠数据。经计算τ₃取0.5MPa, 考虑孔内沉渣及完全储备, 当L_效= 16m时, P₃> P₀。

(4) 锚固段岩体的稳定计算:

锚固段岩体的稳定性, 可按柯因假定进行计算。即以锚固段底端为顶点, 扩散角为90°的圆锥体抗挠强度

式中: S—扩散角上边同滑面的交汇点至锚索中心的垂直距离;

h—倒圆锥体的高度;

r—岩土的容重;

C—岩土的粘聚力;

K₂—为系数, 取0.4~ 0.7。

锚固段岩体的稳定性一般不起控制作用。设计中, 必须满足F同时小于P₁、P₂、P₃、P₄, 且P₃一般控制锚固深及最大张拉荷载控制吨位, 还必须满足P_i/F≥1. 2(i= 1, 2, 3, 4)的安全储备。

3 锚索锚固方法及适应性

锚固段锚固型式的合理与否, 直接关系到预应力锚索抗滑效果的好坏。为此, 应根据工程地质条件科学合理地选择适宜的锚索锚固型式, 真正发挥预应力锚索抗滑桩的事半功倍的作用。

(1) 灌浆式锚固。锚索孔钻成后, 将锚索下到孔里至设计位置, 对锚固段灌水泥砂浆, 待强度达到要求时张拉锚索。这种锚固形式适用于各种地层。其不足之处是上部应力集中, 并有预应力损失过程。

(2) 胀壳式锚头锚固。该锚固形式是利用胀壳式机械锚头的锥形环和活动外夹片, 与坚硬的岩石孔壁挤紧产生摩阻力, 即形成锚固力。它只适用于较坚硬的岩质地层。

(3) 扩孔式锚固。对锚固段锚索顶端局部扩孔, 使端头周围孔壁面积增大, 以提高锚固力。该种锚固型式对各种地层都行之有效, 但需要新型扩孔钻头, 且成孔增加了难度。

(4) 综合式锚固。将上述3种或两种锚固型式混合使用, 可较大地提高锚索的锚固力。另外, 在砂浆中掺入添加剂, 或二次高压灌浆, 均可有效地提高砂浆与岩土之间的抗剪强度^[3]。

经分析研究潘田南矿山体斜坡的工程地质条件, 该治理方案中锚索的锚固型式决定采用扩孔式锚固。锚索长30m, 由16根ƒ_j15 (7ƒ5)钢绞线组, 钻孔直径130mm。

4 结语

(1) 预应力锚索抗滑桩改变了传统抗滑桩被动的悬臂梁式的受力状态, 此结构大幅度地减少了桩身内力、桩的横截面积和埋置深度, 节省了原材料, 降低了造价, 经济效益十分显著。据初步统计, 可减少投资40%。

(2) 改变了受力机制。传统抗滑桩为被动式的, 即只有在滑体发生位移后, 滑坡推力作用在桩上, 使桩产生抵抗力矩时才能阻止滑坡体的进一步滑动。而预应力锚索抗滑桩则为主动式受力结构, 预先地通过锚索给滑体施加了一个预应力, 提高了滑体的稳定性, 对于滑坡体上或前缘处有重要建筑物的滑体加固时, 优点明显。

(3) 预应力锚索抗滑桩还可以灵活地与其他加固方式相结合, 如格栅状梁体系通过锚索设于交点处联成整体组成一个加固支挡体系, 同时起到深浅部共同加固的作用。