动荷载作用下边坡锚固系统的设计应用研究

动荷载作用下边坡锚固系统的设计应用研究

付明春

(大连海洋大学 应用技术学院，辽宁 瓦房店 116300)

摘要：在一些地质环境比较恶劣的情况下，必须要防治地质灾害对道路的损害，尤其对爆破、地震或列车振动等动荷载作用下边坡锚固系统的设计应用进行研究。针对此类问题，将动荷载的种类及其对边坡锚固系统的影响进行了系统地阐述，比较了冲击荷载与循环荷载的振动波形，分析了冲击荷载对冲击加速度、承压垫座和边坡岩石的影响，设计了边坡锚固的合理结构，对于锚筋的材料及防腐、如何采用预应力结构等问题提出了合理的解决办法。

关键词：动荷载作用；边坡锚固系统；设计应用研究

收稿日期：2014-11-24

作者简介：付明春(1971-)，男(满族)，辽宁瓦房店人，讲师，硕士研究生。

DOI：10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.04.019

中图分类号：TU476

文献标识码：A

文章编号：1673-1603(2015)04-0381-04

Abstract：In recent years,the geologic hazards to the road under some wicked geological environment have to be considered to prevent and control,especially for the design and application of the slope anchorage system under the action of blasting,earthquake or train vibration.In this paper,the types of dynamic loads and their effects on the anchorage system of slope were systematically described.Then the reasonable structure of the slope was put forward.

锚固系统广泛应用于铁道、公路、水利等行业。锚固技术能有效抵御地震荷载，但是在现实中还存在一定的问题，需要对其进行相关的研究，进而增强路基的稳定性，促进交通运输的发展。

1动荷载作用下边坡锚固系统的意义

泥石流、山体滑坡等地质运动会对路段产生非常恶劣的影响，这就使得该路段对边坡锚固技术的要求也越来越高，尤其是在爆破、地震或列车振动等动荷载作用下，边坡锚固系统易产生锚筋松弛、夹具损伤、注浆体拉裂及界面粘结失效等情况，影响其预应力赋存状态、加固效果和耐久性[1]。因此，更加深入地研究动荷载作用下边坡锚固系统显得尤为重要。

2动荷载的作用类型

2.1 工程爆破或地震触发的冲击荷载

在动荷载的作用类型中，工程爆破或地震触发的冲击荷载对于边坡所造成的影响具有一定的规律性。图1为330国道某边坡爆破振动波形，由此可以看出，列车振动等交通荷载具有明显的规律性。由于工程爆破与地震触发的冲击荷载在本质上没有太大的区别，仅仅在触发模式、荷载大小以及触发时机方面会存在一定的不同，所以可以对其进行对等的研究[2]。

2.2汽车或火车通过时触发的循环荷载

图2为汽车或火车通过时触发的循环荷载，由此可见，列车振动响应曲线多表现为连续震源耦合衰减，这与工程爆破或地震触发的冲击荷载是有很大不同的[3]。所以，必须对两种不同动荷载的作用类型进行相关研究，通过对比分析来进一步促进边坡锚固系统的设计应用。

图1　330国道某边坡爆破振动波形

图2　330国道某边坡列车振动波形

侧面边界通过粘性阻尼筒与自由场耦合来模拟粘性边界，产生于自由场节点的不平衡力施加于变形块体边界上的节点。左边界上的不平衡力采用下面两式计算：

FX=-PCP(Vmx-Vffx)+σffxΔSy

FX=-PCP(vmx-vffx)+σffxΔSy

其中，P为材料的密度，CP为左边界的波波速，Cs为左边界的S波波速，ΔSy为边界节点上网格的平均垂直尺寸，vmx和vmy为左边界上变形块体的节点x和y的向速度，vffx和vffxy为左自由场节点的x和y向速度，σffxx和σffxy为节点处的平均自由场的水平应力和剪应力。这样，向上传播的平面波在边界上不会出现波形失真现象，因为自由场的节点提供的条件与无限区域模型的条件完全一样。

3荷载对边坡锚固系统的影响

3.1冲击荷载作用下对冲击加速度的影响

在冲击荷载作用下，对于锚固系统的锚筋轴向来说，此时会对加速度产生冲击，通过实际试验检测结果显示：实测锚筋轴向加速度明显大于径向加速度，而且往往超出2倍以上，这就说明冲击荷载作用对冲击加速度产生了很大的影响。所以，必须要对动荷载作用下边坡锚固系统的设计应用进行仔细的研究和分析，才能得出更好的解决方案[4]。

3.2冲击荷载作用下对锚固系统的部分影响

由于锚固系统的承压垫座处有钢筋、钢垫板、墩头混凝土以及锚筋等连接，所以在冲击荷载作用下，各界面由于相对位移而导致强度被削弱的程度、不同材料界面粘结强度降低的状况会不同，但是由于组件质量差异大、刚度不同、受力状态不同，所以又会产生一定的差异性和临时状况。例如，在爆破20 min前后，对一个锚力计的实测读数分别为2 910 kN和2 253 kN，预应力的损失达到17.3%[5]。

3.3冲击荷载作用下对边坡岩石的影响

由于冲击荷载的作用，会导致周边的岩石裂隙变大，岩体松弛变形，岩体的物理参数及软弱结构面的物理参数如表1和表2所示。试验测得，爆破后600 kN、1 000 kN、3 000 kN的锚索预应力增加值在7.8%～11.3%之间。

表1　岩体的物理参数

表2　软弱结构面的物理参数

4下边坡锚固系统合理设计

4.1内锚固段的合理结构

对于边坡内锚固段的结构来说，主要是以粘接的方式来保持平衡，除此之外，还可以运用锚筋、锚固体和孔壁岩土等方式来进行平衡的设定和维持。但是也存在一定的特殊情况，例如，在地基不稳固的地方，土层的粘结强度弱，锚固力较低，边坡锚固系统段前端剪应力过于集中，一般呈“喇叭口”形状，如图3所示。这样的建造结构可以适应一些风化软岩、土体或地下水发育条件比较好的地方，可以很好的减少冲击，确保内锚固段结构的稳定性。

图3　拉力分散型内锚头剪应力分布

4.2自由段(外锚固段)的合理结构

对于下边坡锚固系统自由段的建造结构来说，必须要考虑到动荷载作用的影响。因为一般预应力锚杆(索)的锚固段和自由段从结构上可以明显区分，但是它们还具有一定的不同之处，必须要二者兼顾。为了防止出现由于应力损失或断裂而导致降低锚固效果或造成突发性工程灾害的情况，一定要提高边坡锚固系统的抗动载能力和安全储备，做到防患于未然。

4.3锚筋材料及防腐问题

锚固系统所运用的主要材料是钢质材料，同时也有一些普通的钢筋等材料作为补充。对于不同的材质，其防腐的方法也不相同。例如，轧钢筋和精扎螺纹钢筋一般在表层刷防锈漆后直接作为锚筋使用，但这并没有从根本上解决防腐问题，防腐隔离难以达到预期效果。就目前的工艺制造水平来看，进一步提高锚筋材料自身的防腐性能，并且进行工厂化生产控制，是解决这一问题最好的方案，锚筋的防腐方法及材料如图4所示[6]。

图4　锚筋的防腐方法及材料

5动荷载作用下边坡锚固系统的设计应用的策略

5.1动荷载作用下采用预应力结构

在一些坚硬的岩层地段，可以将内锚固段设计为拉力型；在一些地层岩石比较松软的地带，可以将内锚固段设计为压力分散型或拉压复合型，这样就可以因地制宜，对资源做到充分合理地运用。但是这样会增加锚筋的预应力水平，所以在设计的时候，应当充分考虑到锚筋可能会存在受力不均匀的现象，适当降低锁定的拉力值来达到预期的效果。

5.2在水泥基灌浆体中掺入钢纤维或树脂纤维

在水泥基灌浆体中掺入钢纤维或树脂纤维可以很好地增加锚固体的抗裂性能，提高锚固系统抗疲劳和抗冲击能力，这样的话就可以避免锚头或自由段破断造成突发性灾害，降低损失。

6结语

通过对动荷载作用下边坡锚固系统进行较为详细地研究，将冲击荷载与循环荷载的振动波形进行比较，分析了冲击荷载对冲击加速度、承压垫座和边坡岩石的影响，设计了内锚固段和自由段的合理结构，列举了目前锚筋的防腐方法及材料，提出了动荷载作用下边坡锚固系统的应用策略，为边坡锚固的设计与施工起到了重要的参考和借鉴作用。

参考文献

[1]刘钧哲.流体速度梯度形成过程的动力学分析[J].沈阳工程学院学报：自然科学版，2013，9(3):242-244.

[2]王泰恒,徐文年,陈池,等.预应力锚固技术基本理论与实践[M].北京:中国水利水电出版社,2007.

[3]刘润,闫澍旺,罗强,等.纤维砂浆增强预应力锚索锚固效果的研究[J].岩土工程学报,2005,27(2):214-218.

[4]矫捷.纤维砂浆增强锚索锚固作用的机理分析[J].珠江水运,2008(4):49-51.

[5]刘玉堂,袁培中,白彦光.压力分散型锚索不宜作为永久性锚索[J].预应力技术,2008(3):19-21.

[6]陆遐龄.岩石高边坡爆破开挖对锚固设施的影响[J].爆破，2000，17(S1)：147-151.

Design and Application of Slope Anchor SystemUnderDynamic Loads

FU Ming-chun

(Applied Technology College,Dalian Ocean University,Wafangdian 116300,Liaoning Province)

Key words： dynamic loading;slope anchor system;design and application research

(责任编辑张凯校对佟金锴)