锚墩式锚索主动防护网的受力及计算方法

收稿日期：2024-01-15

作者简介：唐晓波（1985—），男，本科，高级工程师，从事公路工程设计与咨询工作。

摘要 適用于破碎岩质边坡的锚墩式锚索主动防护网结构，与常规主动防护网结构不同，采用锚固于稳定岩体的主动防护网和锚索组合而成，可有效解决边坡的浅表层溜坍，为深层稳定性提供加固支挡作用。边坡发生变形时，结构中的锚索和主动防护网将协调受力，主动防护网将失稳岩体的下滑力传递给锚索，同时由于锚索与主动防护网连接部的作用，一部分锚固荷载将通过锚索传递给防护网。数值模拟和室内试验结果显示，此结构有利于边坡坡体内的应力分析，可有效减小坡体位移，锚索上的力比单独锚索结构时的设计轴力增加了20%～30%。对于此类结构，应将预应力锚索和主动网协调考虑，按失稳块体的静力平衡计算锚索受力。当无明确危岩体时，将锚索假设为方形基础，参照地基基础剪切破坏模式可以确定危岩体的范围。

关键词 锚索；边坡稳定；主动防护网；受力机理

中图分类号 U417.1文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）09-0077-03

0 引言

破碎岩质边坡受降水、风化等影响，岩体的黏聚力和内摩擦角等力学参数减小，边坡稳定性较差。此类边坡既有常见的坡面落石掉块，也可能发生大范围的崩塌甚至滑动破坏。合理有效的加固破碎岩质边坡，一直是公路、铁路、水电等行业普遍关心的工程问题[1-3]。

主动防护网[4-6]由支撑锚杆和高强度钢筋绳网组成，支撑锚杆长2～4 m，设计张拉力均不大于50 kN。阳友奎等[7]对此类主动防护网的受力、荷载计算、安全性验算等进行了研究，提出相应的计算方法。实际上，30 m高度的破碎岩质边坡，常常需要单根短锚杆提供超过100 kN的锚固力，即当边坡发生整体性的滑动破坏时，主动防护网结构中的短锚杆所承担的锚固力远大于设计锚固力。短锚杆可以有效防止边坡浅表层的溜坍，但对于边坡深层稳定性的加固作用有限。

针对此类高陡破碎岩质边坡，提出了锚墩式锚索主动防护网结构[8-9]，在主动防护网的基础上，增加锚固于深层稳定岩体的锚索，在节点处采用锚索替代短锚杆，并穿透潜在滑移面锚固于稳定岩体内。这改变了短锚杆法向锚固力不足、对边坡稳定性的主动加固作用有限等现状，使防护网的主动防护和锚索的被动防护有机结合。对于此类主动防护结构，其受力机理区别于单独的锚索或主动防护网，在边坡坡体发生变形时，锚索和主动防护网通过节点处的连接将协调受力，但目前尚无相关的研究。

1 锚墩式锚索主动防护网结构

锚墩式锚索主动防护网，是以预应力锚索代替支撑锚杆，锚索和高强度钢绳网作为一个整体工作，防护边坡浅表层的溜坍，并对深层稳定性提供主动加固的作用。高强度钢绳网，呈曲面状铺设于边坡上，网格节点处设置锚墩和锚固构件，锚墩与网格节点处的纵向支撑绳、横向支撑绳形成固定连接。为使锚索水泥墩与主动网单元之间可变形协调而不至于发生破坏，在防护网与预应力锚墩接触面布置硬橡胶垫片或尼龙垫片。

2 锚墩式锚索主动防护网结构的受力机理

采用锚墩式锚索主动防护网结构对破碎岩质边坡进行加固防护，通过防护网的主动防护作用，可有效应对边坡浅表层的局部坍塌，锚固在稳定岩层的锚索，可与防护网协调变形，将应力和位移有效地传导到坡体内部。特别是主应力分布上，锚索的施加使得坡体内的主应力分布有所调整。从平面上看，呈现锚索节点处应力集中，向周围分散的情况；从坡体深度看，由于锚索和主动防护网的协调作用，主压力由浅表层逐步向坡体内部传递，有利于充分发挥边坡整体的抗滑稳定。单独采用预应力锚索加固，主应力在锚索周围呈现集中的分布情况，主动防护网的增加使坡面主应力集中情况有所改善，分布更加协调。

3 锚墩式锚索主动防护网结构的设计计算方法

锚墩式主动防护网在网格节点处设置了锚墩和锚索，并与稳定岩层锚固连接。以每4个相邻锚墩所围成的封闭区域作为研究区域，将锚固该区域的4根锚索和主动网称为一个锚墩式主动防护网单元。

假设失稳块体为楔形体，危岩体稳定系数可按式（1）反算：

（1）

式中，β——失稳块体的主控结构面与水平面的夹角；G——失稳块体自重；H——失稳块体纵向高度；c——主控结构面的黏聚力；φ——岩体内摩擦角；F——主动网施加给边坡浅表层的锚固力，也是浅表层失稳时对主动网施加的荷载，计算简图如图1所示：

图1 失稳块体计算简图

由静力平衡可知，预应力锚索对主动网的力和岩土体对主动网的力是一对平衡力。假设一个防护单元内的4束锚索受力相同，锚索与水平面夹角为α，根据图2可知，每束锚索由边坡浅表层失稳带来的轴力增量f可由式（2）计算：

（2）

图2 锚索因浅表层失稳产生的轴力增量示意图

上述计算中的失稳块体自重G，对应的破碎岩质边坡，可按存在危岩体发育和不存在明确危岩体发育两种情况考虑。存在危岩体时，失稳块体的范围和自重相对明确；不存在明确危岩体时，可按剪切破坏模式，将锚墩看成方形基础，按基础设计方法确定失稳块体范围。

3.1 存在危岩体发育

若一个防护网单元内发育危岩体，可按照图3所示的力学模型，计算危岩体失稳破坏的下滑力和锚固力。

3.2 无危岩体发育

若防护单元内无明显危岩体发育，或没有明显的主控结构面，坡体内主应力分布呈现以锚固点为中心，向四周分散的特征。因此，可按下述模型计算：以锚墩锚固位置为起点，与预应力锚索夹角为45 °+φ/2的相交线和坡面所围成的坡体，作为浅表层失稳的部分。如图4所示。

图3 存在危岩体时结构受力示意图

图4 无危岩体时边坡计算模型

从地基作用方面来看，假设锚墩为方形基础，锚索张拉后，其拉力方向为大主应力方向，两侧的岩土体受被动挤压，其影响范围为图5（b）中的Ⅲ区，与图4边坡横断面图中与锚索方向夹角为45 °+φ/2的两条交线所围成的范围一致。

4 结语

（1）锚墩式锚索主动防护网结构，以预应力锚索代替支撑锚杆，锚索和高强度钢绳网作为一个整体工作，对破碎岩质边坡提供坡面防护。此新型结构不仅可以有效防护边坡浅表层溜坍，同时结构中的锚索可对深层稳定性提供主动加固的作用。

（2）采用锚墩式锚索主动防护网结构对破碎岩质边坡进行加固防护，通过防护网的主动防护作用，可有效应对边坡浅表层的局部坍塌，锚固在稳定岩层的锚索，可与防护网协调变形，将应力和位移有效地传导到坡体内部，特别是主应力分布。从平面上看，呈现锚索节点处应力集中，向周围分散的情况；从坡体深度看，由于锚索和主动防护网的协调作用，主压力由浅表层逐步向坡体内部传递，有利于充分发挥边坡整体的抗滑稳定。

（3）计算锚墩式主动防护网加固边坡的安全系数时，可按照边坡体是否存在危岩体发育分别计算。若存在危巖体发育，则根据危岩体结构面性状和力学参数计算；如无危岩体发育，则假设锚墩锚固处按照方形地基考虑，以应力扩散时整体剪切破坏的范围，即以锚墩锚固位置为起点，与预应力锚索夹角为45 °+φ/2的相交线和坡面所围成的坡体，作为浅表层失稳的部分。

参考文献

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