基于振动台模型实验的锚索支护结构分区设计方法与流程

本发明涉及锚索支护结构设计领域，具体涉及一种基于振动台模型实验的锚索支护结构分区设计方法。

背景技术：

我国是一个地震多发区，在高烈度震区分布着大量高填方路基边坡、矿区堆填边坡及土石坝边坡等高陡边坡，地震作用下，高陡边坡极易失稳引起滑坡、崩塌等灾害，严重威胁人们的生命财产安全。因此，对强震区高陡边坡的加固支护问题进行研究具有重要意义。

现行规范中提供了多种边坡加固方式，如重力式挡土墙、预应力锚索、锚杆挡土墙、加筋土挡土墙、土钉墙、抗滑桩、混凝土连续墙、坡面柔性防护结构、坡面生态护坡系统等，其中预应力锚索作为一种工程手段在治理滑坡中应用非常广泛，该方式能充分利用岩体自身强度和自承能力，大大减轻结构自重，节省工程材料，是一种经济和高效的加固措施。

现行规范如《铁路路基支挡结构设计规范》中针对预应力锚索设计时，根据极限平衡法或传递系数法由滑坡下滑力确定锚索锚固力，锚索间距宜取为3-6m，锚索锚固段长度根据锚固力计算，然后根据自由段、紧固头累加得到最终的锚索长度，但已有的工程经验表明，利用当前设计方法设计的锚索并不能完全经济有效的保证高陡边坡的稳定性，而且利用现有设计方法设计的锚索长度单一，边坡较危险的潜在破裂区未能得到重点考虑，具有潜在滑塌风险，同时对于较稳定区域按照平均水平进行设计又会造成工程浪费，特别是考虑地震力作用情况会增大设计抗滑力，较大的抗滑力需要靠增加锚索长度或增加锚索孔数来实现，这又会使“较危险区不能重点考虑、较安全区存在工程浪费”的问题得到放大，这些都是现行设计的弊端。例如我国西南地区某处加固边坡在汶川地震后失稳崩塌，灾后调查发现设计施工均按规范实现，但由于未能考虑边坡不同潜在危险程度区域的划分，最终由于最危险区域的设计不能满足该处实力要求而导致整个边坡失稳崩塌。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于振动台模型实验的锚索支护结构分区设计方法，该分区设计方法可以很好地解决锚索设计时较危险区不能重点考虑、较安全区存在工程浪费的问题。

为达到上述要求，本发明采取的技术方案是：提供一种基于振动台模型实验的锚索支护结构分区设计方法，包括以下步骤：

S1、根据现有规范进行锚索设计，得到边坡原型每根锚索的原设锚固力、原设锚索长度、锚固孔径及锚索间距；

S2、将边坡原型按设定的相似比换算为振动台模型，根据原设锚固力得到振动台模型每根锚索的模设锚固力；

S3、在预设地震波加载工况下进行振动台模型实验，得到振动台模型每根锚索的模测锚固力，并根据对应的模测锚固力和模设锚固力计算得到分区系数；

S4、根据分区系数对边坡原型锚索设计进行矫正，得到最终锚索设计方案。

该基于振动台模型实验的锚索支护结构分区设计方法具有的优点如下：将锚索设计进行分区考虑，对危险区和潜在危险区给予充足的安全余量保证该区域的安全，提高了危险区的安全稳定性；对于较稳定区和稳定区的折减锚固力设计方法可以充分利用锚索的锚固力，节省工程造价，特别的是在高烈度地区、复杂、长大边坡工程结构，对危险区的矫正设计能使边坡整体设计变得更加安全，对稳定区的矫正设计能使边坡整体设计在保证安全的前提下变得更加经济，大大增加了边坡设计的安全性、合理性与经济性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请的流程示意图；

图2为本申请的分区示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本申请作进一步地详细说明。

在以下描述中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”、“示例”等等的引用表明如此描述的实施例或示例可以包括特定特征、结构、特性、性质、元素或限度，但并非每个实施例或示例都必然包括特定特征、结构、特性、性质、元素或限度。另外，重复使用短语“根据本申请的一个实施例”虽然有可能是指代相同实施例，但并非必然指代相同的实施例。

为简单起见，以下描述中省略了本领域技术人员公知的某些技术特征。

根据本申请的一个实施例，提供一种基于振动台模型实验的锚索支护结构分区设计方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1、根据现有规范进行锚索设计，得到边坡原型每根锚索的原设锚固力、原设锚索长度、锚固孔径及锚索间距；

S2、将边坡原型按设定的相似比换算为振动台模型，根据原设锚固力得到振动台模型每根锚索的模设锚固力；

本方法设计中因振动台模型尺寸受限，以一根振动台模型锚索代替实际设计中N根，步骤2中模设锚固力的计算公式为：

其中，T_模设i为振动台模型中第i根锚索的模设锚固力；T_原设i为边坡原型中第i根锚索的原设锚固力；N_i为振动台模型中一根锚索所代表的边坡原型中锚索的根数；L为振动台模型设定的相似比。

S3、在预设地震波加载工况下进行振动台模型实验，得到振动台模型每根锚索的模测锚固力，并根据对应的模测锚固力和模设锚固力计算得到分区系数；

分区系数的计算公式为：

其中，P为分区系数；T_模测i为振动台模型实验第i根锚索实测锚固力；T_模设i为振动台模型中第i根锚索的模设锚固力。

当P>1.5时，定义锚索所在区域为危险区，记为A区；当1.1<P<1.5时，定义锚索所在区域为潜在危险区，记为B区；当0.9<P<1.1时，定义锚索所在区域为较稳定区，记为C区；当P<0.9时，定义锚索所在区域为稳定区，记为D区。

S4、根据分区系数对边坡原型锚索设计进行矫正，得到最终锚索设计方案。对于危险区A区和潜在危险区B区的设计锚索，在矫正设计时，应结合振动台模型试振动台模型验测试结果增大该区域的锚固力，对于较稳定区C区和稳定区D区的锚索，矫正设计时应根据振动台模型试验结果减小该区域的锚固力。

该步骤具体包括：

S41、根据分区系数对原设锚索长度进行矫正，得到矫正锚索长度；

矫正锚索长度的计算公式为：

其中，L_原矫i为边坡原型中第i根锚索的矫正锚索长度；K_i矫正系数；P为分区系数；L_原设i为边坡原型中第i根锚索的原设锚索长度；N_i为振动台模型中一根锚索所代表的边坡原型中锚索的根数。

S42、判断矫正锚索长度是否满足第一设定值≦矫正锚索长度≦第二设定值，本实施例中第一设定值为4m，第二设定值为10m；

S43、如果满足，将计算得到的矫正锚索长度作为边坡原型中锚索的长度，得到最终锚索设计方案；

S44、如果不满足，判断矫正锚索长度是否大于第二设定值，即是否大于10m；

S45、如果大于10m，则边坡原型中锚索的长度取10m，即不再继续增加长度，而是采用增大孔径或减小锚索间距的方法增加锚固力，得到最终锚索设计方案；

S46、如果不大于第二设定值，即小于4m，则边坡原型中锚索的长度取4m，得到最终锚索设计方案。

图2示出振动台模型试验中基于传递系数法将滑带进行分块，为①～⑥块，锚索1～7根锚索为边坡原型换算为振动台模型后的锚索布置，其中锚索1、锚索2对应滑块①，锚索3、锚索4对应滑块②，锚索5对应滑块③，锚索6对应滑块④，锚索7对应滑块⑤，滑块⑥不提供下滑力故不用设计锚索，同一滑块内的多根锚索为同一型号。

现以锚索1为例进行说明，由传递系数法得到边坡原型中滑块①中单根锚索原设锚固力T_原设1；振动台模型设计时以一根锚索代替N₁根边坡原型锚索，根据相似比L，得到振动台模型锚索1的模设锚固力其余锚索设计同样；在预设工况下进行振动台试验，得到振动台模型中锚索1的模测锚固力T_模测1，由分区系数公式得到锚索1的分区系数P₁；当P₁>1.5时，定义锚索所在区域为危险区，记为A区；当1.1<P₁<1.5时，定义锚索所在区域为潜在危险区，记为B区；当0.9<P₁<1.1时，定义锚索所在区域为较稳定区，记为C区；当P₁<0.9时，定义锚索所在区域为稳定区，记为D区。

由分区系数P₁及矫正技术K₁可得锚索1所对应边坡原型N₁根锚索中每根锚索矫正锚索长度若L_原矫1>10m，不再继续增加锚索长度，而是采用增大该区域孔径或减小锚索间距，若L_原矫1<4m，取L_原矫1＝4m。

同理可对后续2～6根锚索进行相应设计，最终完成边坡原型边坡的锚索矫正设计。

以上所述实施例仅表示本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明保护范围。因此本发明的保护范围应该以所述权利要求为准。