格构锚固设计方法及施工

格构加固边坡的设计与施工内容提要格构的特点和适用范围格构的结构型式及其布置边坡格构加固设计格构的施工1概述1．1格构的作用、特点及适用条件格构加固技术是利用浆砌块石、现浇钢筋混凝土或预制预应力混凝土进行边坡坡面防护，并利用锚杆或锚索加以固定的一种边坡加固技术。格构技术一般与环境美化相结合，利用框格护坡，同时在框格之内种植花草可以达到极其美观的效果。这种技术在地质灾害治理、公路高陡边坡加固中被广泛采用，其护坡达到既美观又安全的良好效果。格构的主要作用是将边坡坡体的剩余下滑力或土压力、岩石压力分配给格构结点处的锚杆或锚索，然后通过锚索传递给稳定地层，从而使边坡坡体在由锚杆或锚索提供的锚固力的作用下处于稳定状态。因此就格构本身来讲仅仅是一种传力结构，而加固的抗滑力主要由格构结点处的锚杆或锚索提供。一般提及到的格构加固技术是一种广义的术语，它包含了格构本身和锚杆(索)两部分。边坡格构加固技术具有布置灵活、格构形式多样、截面调整方便、与坡面密贴、可随坡就势等显著优点。并且框格内视情况可挂网(钢筋网、铁丝网或土工网)、植草、喷射混凝土进行防护，也可用现浇混凝土(钢筋混凝土或素凝土)板进行加固。根据格构的特点和作用，格构加固技术特别适用于坡度较陡、坡体岩土均匀且较坚硬的公路边坡或公路滑坡。但应当注意，对于不同稳定性的边坡应采用不同的格构形式和锚固形式的组合进行加固或坡面防护。例如，当边坡坡度较缓，稳定性好，只因前缘表层开挖局部出现塌滑时，可修整坡面后，采用浆砌块石格构护坡，必要时可加系统锚杆锚固；如果边坡较陡，稳定性差，则应选择现浇钢筋混凝土格构加锚杆(索)进行加固；而对于稳定性差、下滑力大的滑坡，可用现浇钢筋混凝土格构加预应力锚杆(索)进行加固。1．2格构的结构型式及其布置根据格构采用的材料不同，格构可分为浆砌块石格构、现浇钢筋混凝土格构和预制预应力混凝土格构(又称PC格构)。其中PC格构在日本应用较为广泛，并有较为完善的设计施工规范；目前我国在边坡工程中主要使用浆砌块石和现浇钢筋混凝土格构，格构的常用型式有4种：1)方型：指顺边坡倾向和沿边坡走向设置方格状格构(如图1所示)。2)菱型：沿平整边坡坡面斜向设置格构(如图2所示)。3)人字型：按顺边坡倾向设置浆砌块石条带，沿条带之间向上设置人字型浆砌块石拱或钢筋混凝土(如图3所示)。4)弧型：按顺边坡倾向设置浆砌块石或钢筋混凝土条带，沿条带之间向上设置弧型浆砌块石拱或钢筋混凝土(如图4所示)。2边坡格构加固设计2．1格构加固设计的一般要求格构设计必须充分考虑工程的服务期限，服务期限一般不少于被保护对象的设计使用年限。设计之前，应在调查、收集、分析原有地形、地质资料的基础上，进行详细工程地质勘察，进行现场钻探和各种试验，搞清楚地质体的强度、渗透性、断层和节理的形态与产状，以及边坡的环境地质条件；并对边坡稳定系数进行计算，作为设计的依据。边坡设计荷载应包括边坡体自重、静水压力、渗透压力、孔隙水压力、地震力等。对于整体稳定性好，并满足设计安全系数要求的边坡，可采用浆砌块石格构进行护坡。采用经验类比法进行设计，坡度一般不大于35°，即1∶1.7。当边坡高度超过30m时，须设马道放坡，马道宽2.0～3.0m，如图5所示。对于整体稳定性好，但前缘出现溜滑或坍滑的公路滑坡，或坡度大于35°的高陡边坡，宜采用现浇钢筋混凝土格构进行护坡，并采用锚杆进行加固。采用经验类比和极限平衡法相结合的方法进行设计。锚杆须穿过潜在滑面3～4.0m，且采用全粘结灌浆。对于整体稳定性差，且前沿坡面须防护和美化的滑坡，宜采用现浇钢筋混凝土格构与预应力锚索进行防护。而对于整体稳定性差、滑坡推力过大，且前沿坡面须防护和美化的滑坡，宜采用预制预应力钢筋混凝土格构与预应力锚索进行防护。2．2锚固荷载的计算对于采用格构加固的高陡边坡设计，首要的问题是计算锚固荷载；边坡在设计所提供的锚固荷载的作用下应处于稳定，并且稳定性系数应达到规范要求。通常情况下，计算锚固荷载应根据边坡的破坏类型确定计算方法。对于无连续滑动面的直立或近直立的边坡，在采用锚杆(索)挡墙加固时，可以采用土压力理论计算土压力或岩石压力，然后确定锚固荷载，这类问题在挡土墙设计中有详细介绍。而对于具有连续的潜在滑动面的边坡，采用条分法稳定性进行锚固荷载反算。2．3格构的结构设计与计算根据计算求得的锚固荷载和边坡实际情况，确定锚索的布置及各锚索的设计锚固力，然后计算格构的内力。计算格构内力目前常用以下几种近似方法：1）将两个锚固点之间的格构梁简化为一个简支梁，如图6所示。梁上的分布荷载p根据梁两端的锚索最大设计荷载T按下式近似计算：(1)式中：p1，p2——与T1，T2对应的荷载集度；l——两锚索之间格构梁的长度；T1，T2——格构梁两端锚索的设计荷载。如果T1=T2=T，则格构梁上的荷载均匀分布，有p1=p2=p=T/l(2)112221(2)/(2)/pTTlpTTl该模型计算虽然简便，但存在以下存在以下缺陷：（1）没考虑锚索设计锚固力在纵横两个格构方向上的分配，计算出的格构内力偏于保守；（2）没有考虑锚索处格构梁的连续性，即忽略了锚索处格构梁的负弯矩作用，与实际受力状况有很大差异。2）将两条伸缩缝之间的格构梁视作支撑在锚索处的多跨连续梁，各跨荷载仍按（1）式计算。当各跨荷载不等且为不均匀分布时，可取最不利跨的荷载按等效均布荷载计算，如图7所示。该模型计算比较简单，但仍有以下两个缺陷：（1）仍没考虑锚索设计锚固力在纵横两个格构方向上的分配，计算出的格构内力偏于保守；（2）忽略了格构梁各跨之间实际存在的荷载差异。3）刚性梁弹性地基反力直线分布假定（1）将坡面反力视为作用在格构上的荷载,把锚杆作用点看作支座,将格构作为倒置的交叉梁格体系来进行计算;(2)认为整个格构为刚性,假定坡面反力呈均匀直线分布,将横梁和纵梁看成相互独立的连续梁。其计算模型如图8所示.这种计算模型假设地基反力为直线分布,为了确定地基反力的分布图形,只需先求出两端地基反力集度p1和p2。未知数p1和p2可由平衡方程∑Y=0和∑M=0求出。因此,问题简化为静定问题。未知数p1和p2也可以利用偏心受压地基的应力公式来求解。当p1和p2求得后,就可应用截面法求出格构梁上各截面的内力。此种算法非常简便,但与地基梁的实际情况有很大差异,只适用于绝对刚性梁这种特殊情况。4）Winkler弹性地基梁法Winkler假设认为:地基表面任一点的沉降y与该点单位面积上所受的压力p成正比,而与作用在其他各点的应力无关。即:p=ky。式中：k为基床系数,kN/m2,可根据试验场地土质特性或现场测试来确定。这种地基模型的一个重要特征是：地基模拟为刚性底座上的一系列相互独立的弹簧（如图9所示)。当地基表面上某一点作用压力p时,由于弹簧是彼此独立的,因此在荷载作用下的区域内立刻产生位移而在此区域以外的位移为零。而且,无论是土承受一个无限的刚性荷载或是承受一个均布的柔性荷载,受荷区域的位移将恒为常数。因此,这种地基模型称作局部弹性地基模型。格构梁受锚杆锚固力的作用压在坡面上,使坡面对梁产生反作用力,格构梁可视为作用于地基上的梁,梁受到锚固力和基底反力的作用。计算时先把格构梁拆分成横梁与纵梁,然后再分别进行计算。在进行锚固力的纵、横向分配时,不考虑纵梁和横梁的扭转效应,不讨论格构梁与坡体的相对刚度对地基压力的影响。2．4锚杆锚固力在节点上的分配问题前述各种计算方法均是将纵横格构梁分离起来，按单个方向受力来计算的，没有考虑两个方向均能传递锚固荷载。为了解决节点处锚杆锚固力在纵、横2个方向的分配问题,可采用弹性地基梁计算中的“节点形状分配系数法”对其进行分配。分配公式如式（3）（3）式中：pi为作用在第i个结点上的垂直于坡面方向上的锚杆分力，kN；pix，piy为pi在结点处分配给横、纵梁上的分力,kN；bx，by分别为横、纵梁的宽度,m；Sx，Sy分别为横、纵梁的弹性特征长度,m。[S=（4EI/bk)1/4,EI为梁的刚度，kN.m2；b为梁的宽度,m；k为地基反力系数，kN/m3]，如图10所示。2．5格构梁的配筋计算按上述各种方法之一求得格构梁的荷载后，便可计算格构梁的弯矩和剪力，再按受弯构件来验算格构梁的强度和进行配筋计算。2．6格构的构造要求1）浆砌块石格构浆砌块石格构可分为方型、菱型、人字型和弧型四种型式。各种型式格构水平间距均应小于3．0m。浆砌块石断面设计以类比法为主，采用的断面高×宽一般不小于300mm×200mm。浆砌块石格构边坡坡面应平整，坡度一般小于35°。为了保证格构的稳定性，可根据岩土体结构和强度在格构节点设置锚杆，系统锚杆长度一般3～5m，全粘结灌浆。若岩土体较为破碎和易溜滑时，可采用锚杆加固，加固锚杆长度由计算确定，全粘结灌浆，注浆压力一般为0．5～1．0MPa。2）现浇钢筋混凝土格构现浇钢筋混凝土格构同样有方型、菱型、人字型和弧型四种型式。方型和菱型格构水平间距均应小于5．0m，人字型和弧型格构水平间距均应小于4．5m。钢筋混凝土格构断面设计应采用简支梁法进行弯矩计算，并采用类比法校核。一般断面高×宽不小于300mm×250mm。格构纵向钢筋应采用φ14以上直径的Ⅱ级螺纹钢筋，箍筋应采用φ6以上直径的钢筋。格构混凝土强度等级不应低于C25。现浇钢筋混凝土格构护坡的坡面应平整，坡度一般不大于70°。当边坡高于30m时，应设置马道。为了保证格构护坡的稳定性，根据岩土体结构和强度在格构节点设置锚杆。锚杆应采用φ25～40直径的HRB335级或HRB400级钢筋加工，系统锚杆长度一般3~5m，加固锚杆长度由计算确定，全粘结灌浆，并与格构钢筋主筋点焊连接。如果是整体稳定性差或下滑力较大的滑坡，应采用预应力锚索进行加固。不论是浆砌块石格构还是现浇钢筋混凝土格构，均应每隔10～25m宽度设置伸缩缝，缝宽2～3cm，填塞沥青麻筋或沥青木板。同时为了美化环境和防护表层边坡，在格构间应培土和植草。3格构的施工3．1浆砌块石格构的施工要点1)浆砌块石格构应嵌置于边坡中，嵌置深度大于格构截面高度的2／3。2)浆砌块石格构护坡坡面应平整、密实，无表层溜滑体和蠕滑体。3)格构可采用毛石或条石，但毛石最小厚度应大于150mm，强度应大于Mu30，用水泥砂浆浆砌，砂浆强度不应低于M7.5。4)格构每隔l0～25m宽度设置伸缩缝，缝宽2～3cm，填塞沥青麻筋或沥青木板。3．2现浇钢筋混凝土格构的施工要点1)钢筋混凝土格构可嵌置于边坡中或上覆在边坡上。2)钢筋混凝土格构护坡坡面应平整、夯实。无溜滑体、蠕滑体和松动岩块。3)用于格构的钢筋应专门建库堆放，避免污染和锈蚀；水泥一般使用425#普通硅酸盐水泥，避免使用受潮和过期水泥；砂石料的杂质和有机质的含量应符合《混凝土结构工程施工及验收规范》(GBJ50204—92)的有关规定。4)应对边坡开挖的岩性及结构进行编录和综合分析，将开挖的岩性与设计对比，出入较大时，应进行变更处埋。5)开挖的弃渣应按设计的要求堆放，不得造成次生灾害。4国外格构加固技术简介前述格构加固技术主要是针对我国边坡工程中常用的浆砌块石格构和现浇钢筋混凝土格构。下面简要介绍在日本广泛应用的PC格构加固技术和QS格构加固技术。4．1PC格构加固技术简介PC(PrestressConcreteFrameAnchorMethod)格构加固技术是从锚固技术发展起来的，它是由预制预应力混凝土框架和灌浆锚索组成，它将传统的现浇四菱锥台式锚墩结构改为预制预应力混凝土构件，其加固机理是：锚固力通过预制预应力混凝土构件传递给边坡面，从而保持边坡的稳定。该方法在日本推广已有十多年的历史，成立了PC协会，经过PC协会会员的不断开发与改良，已有多种型号规格可供选择。PC格构加固技术有较为完善的设计施工规范，实现了标准化和系列化，在日本的许多重要工程中得到了应用。4．2QS格构加固技术简介QS(Quick&Strong)格构加固技术是指用一种在工厂中预先组装好的可折叠式钢筋笼，组装在坡面上之后，在钢