格構加固邊坡的設計與施工

1、格構加固邊坡的設計與施工,內容提要格構的特點和適用范圍格構的結構型式及其布置 邊坡格構加固設計 格構的施工,1　概 述 1．1 格構的作用、特點及適用條件 格構加固技術是利用漿砌塊石、現澆鋼筋混凝土或預制預應力混凝土進行邊坡坡面防護，并利用錨桿或錨索加以固定的一種邊坡加固技術。格構技術一般與環(huán)境美化相結合，利用框格護坡，同時在框格之內種植花草可以達到極其美觀的效果。這種技術在地質災害治理、公路高陡邊坡加固中

2、被廣泛采用，其護坡達到既美觀又安全的良好效果。 格構的主要作用是將邊坡坡體的剩余下滑力或土壓力、巖石壓力分配給格構結點處的錨桿或錨索，然后通過錨索傳遞給穩(wěn)定地層，從而使邊坡坡體在由錨桿或錨索提供的錨固力的作用下處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此就格構本身來講僅僅是一種傳力結構，而加固的抗滑力主要由格構結點處的錨桿或錨索提供。一般提及到的格構加固技術是一種廣義的術語，它包含了格構本身和錨桿(索)兩部分。,邊坡格構加固技術具有布置靈活、格構

3、形式多樣、截面調整方便、與坡面密貼、可隨坡就勢等顯著優(yōu)點。并且框格內視情況可掛網(鋼筋網、鐵絲網或土工網)、植草、噴射混凝土進行防護，也可用現澆混凝土(鋼筋混凝土或素凝土)板進行加固。 根據格構的特點和作用，格構加固技術特別適用于坡度較陡、坡體巖土均勻且較堅硬的公路邊坡或公路滑坡。但應當注意，對于不同穩(wěn)定性的邊坡應采用不同的格構形式和錨固形式的組合進行加固或坡面防護。例如，當邊坡坡度較緩，穩(wěn)定性好，只因前緣表層開挖局部

4、出現塌滑時，可修整坡面后，采用漿砌塊石格構護坡，必要時可加系統(tǒng)錨桿錨固；如果邊坡較陡，穩(wěn)定性差，則應選擇現澆鋼筋混凝土格構加錨桿(索)進行加固；而對于穩(wěn)定性差、下滑力大的滑坡，可用現澆鋼筋混凝土格構加預應力錨桿(索)進行加固。,1．2 格構的結構型式及其布置根據格構采用的材料不同，格構可分為漿砌塊石格構、現澆鋼筋混凝土格構和預制預應力混凝土格構(又稱PC格構)。其中PC格構在日本應用較為廣泛，并有較為完善的設計施工規(guī)范；目前我國在

5、邊坡工程中主要使用漿砌塊石和現澆鋼筋混凝土格構，格構的常用型式有4種： 1)方型：指順邊坡傾向和沿邊坡走向設置方格狀格構(如圖1所示)。 2)菱型：沿平整邊坡坡面斜向設置格構(如圖2所示)。 3)人字型：按順邊坡傾向設置漿砌塊石條帶，沿條帶之間向上設置人字型漿砌塊石拱或鋼筋混凝土(如圖3所示)。 4)弧型：按順邊坡傾向設置漿砌塊石或鋼筋混凝土條帶，沿條帶之間向上設置弧型漿

6、砌塊石拱或鋼筋混凝土(如圖4所示)。,,2 邊坡格構加固設計2．1 格構加固設計的一般要求格構設計必須充分考慮工程的服務期限，服務期限一般不少于被保護對象的設計使用年限。設計之前，應在調查、收集、分析原有地形、地質資料的基礎上，進行詳細工程地質勘察，進行現場鉆探和各種試驗，搞清楚地質體的強度、滲透性、斷層和節(jié)理的形態(tài)與產狀，以及邊坡的環(huán)境地質條件；并對邊坡穩(wěn)定系數進行計算，作為設計的依據。邊坡設計荷載應包括邊坡體自重、靜水壓力

7、、滲透壓力、孔隙水壓力、地震力等。對于整體穩(wěn)定性好，并滿足設計安全系數要求的邊坡，可采用漿砌塊石格構進行護坡。采用經驗類比法進行設計，坡度一般不大于35°，即1∶1.7。當邊坡高度超過30m時，須設馬道放坡，馬道寬2.0～3.0m，如圖5所示。,對于整體穩(wěn)定性好，但前緣出現溜滑或坍滑的公路滑坡，或坡度大于35°的高陡邊坡，宜采用現澆鋼筋混凝土格構進行護坡，并采用錨桿進行加固。采用經驗類比和極限平衡法相結合的方法進行設

8、計。錨桿須穿過潛在滑面3～4.0m，且采用全粘結灌漿。 對于整體穩(wěn)定性差，且前沿坡面須防護和美化的滑坡，宜采用現澆鋼筋混凝土格構與預應力錨索進行防護。而對于整體穩(wěn)定性差、滑坡推力過大，且前沿坡面須防護和美化的滑坡，宜采用預制預應力鋼筋混凝土格構與預應力錨索進行防護。,2．2 錨固荷載的計算 對于采用格構加固的高陡邊坡設計，首要的問題是計算錨固荷載；邊坡在設計所提供的錨固荷載的作用下應處于穩(wěn)定，并且穩(wěn)定性系數應達到規(guī)

9、范要求。通常情況下，計算錨固荷載應根據邊坡的破壞類型確定計算方法。對于無連續(xù)滑動面的直立或近直立的邊坡，在采用錨桿(索)擋墻加固時，可以采用土壓力理論計算土壓力或巖石壓力，然后確定錨固荷載，這類問題在擋土墻設計中有詳細介紹。而對于具有連續(xù)的潛在滑動面的邊坡，采用條分法穩(wěn)定性進行錨固荷載反算。,2．3 格構的結構設計與計算 根據計算求得的錨固荷載和邊坡實際情況，確定錨索的布置及各錨索的設計錨固力，然后計算格構的內力。

10、 計算格構內力目前常用以下幾種近似方法： 1）將兩個錨固點之間的格構梁簡化為一個簡支梁，如圖6所示。梁上的分布荷載p根據梁兩端的錨索最大設計荷載T按下式近似計算： (1)式中：p1，p2 ——與T1，T2對應的荷載集度； l——兩錨索之間格構梁的長度；T1，T2——格構梁兩端錨索的設計荷載。如果T1=T2=T，則

11、格構梁上的荷載均勻分布，有p1=p2=p=T/l (2),,該模型計算雖然簡便，但存在以下存在以下缺陷：（1）沒考慮錨索設計錨固力在縱橫兩個格構方向上的分配，計算出的格構內力偏于保守；（2）沒有考慮錨索處格構梁的連續(xù)性，即忽略了錨索處格構梁的負彎矩作用，與實際受力狀況有很大差異。,2）將兩條伸縮縫之間的格構梁視作支撐在錨索處的多跨連續(xù)梁，各跨荷載仍按（1）式計算。當各跨荷載不等且為不均勻分布時，可取最不利

12、跨的荷載按等效均布荷載計算，如圖7所示。 該模型計算比較簡單，但仍有以下兩個缺陷：（1）仍沒考慮錨索設計錨固力在縱橫兩個格構方向上的分配，計算出的格構內力偏于保守；（2）忽略了格構梁各跨之間實際存在的荷載差異。,3）剛性梁彈性地基反力直線分布假定（1）將坡面反力視為作用在格構上的荷載, 把錨桿作用點看作支座, 將格構作為倒置的交叉梁格體系來進行計算;( 2) 認為整個格構為剛性, 假定坡面反力呈均

13、勻直線分布, 將橫梁和縱梁看成相互獨立的連續(xù)梁。其計算模型如圖8所示.,這種計算模型假設地基反力為直線分布, 為了確定地基反力的分布圖形, 只需先求出兩端地基反力集度p1 和p2。未知數p1 和p2 可由平衡方程∑Y= 0和∑M = 0求出。因此, 問題簡化為靜定問題。未知數p1和p2也可以利用偏心受壓地基的應力公式來求解。當p1和p2求得后, 就可應用截面法求出格構梁上各截面的內力。此種算法非常簡便, 但與地基梁的實際情況有很大

14、差異, 只適用于絕對剛性梁這種特殊情況。,4）Winkler彈性地基梁法 W ink ler假設認為: 地基表面任一點的沉降y 與該點單位面積上所受的壓力p 成正比, 而與作用在其他各點的應力無關。即:p = ky。式中： k為基床系數, kN /m2, 可根據試驗場地土質特性或現場測試來確定。這種地基模型的一個重要特征是： 地基模擬為剛性底座上的一系列相互獨立的彈簧（如圖9所示)。,當地基表面上某一點作用壓

15、力p 時, 由于彈簧是彼此獨立的, 因此在荷載作用下的區(qū)域內立刻產生位移而在此區(qū)域以外的位移為零。而且, 無論是土承受一個無限的剛性荷載或是承受一個均布的柔性荷載, 受荷區(qū)域的位移將恒為常數。因此, 這種地基模型稱作局部彈性地基模型。 格構梁受錨桿錨固力的作用壓在坡面上, 使坡面對梁產生反作用力, 格構梁可視為作用于地基上的梁, 梁受到錨固力和基底反力的作用。計算時先把格構梁拆分成橫梁與縱梁, 然后再分別進行計算。在進行錨固力的

16、縱、橫向分配時, 不考慮縱梁和橫梁的扭轉效應, 不討論格構梁與坡體的相對剛度對地基壓力的影響。,2．4 錨桿錨固力在節(jié)點上的分配問題 前述各種計算方法均是將縱橫格構梁分離起來，按單個方向受力來計算的，沒有考慮兩個方向均能傳遞錨固荷載。 為了解決節(jié)點處錨桿錨固力在縱、橫2個方向的分配問題, 可采用彈性地基梁計算中的“節(jié)點形狀分配系數法”對其進行分配。分配公式如式（3）

17、 （3）,式中：pi為作用在第i個結點上的垂直于坡面方向上的錨桿分力，kN；pix，piy為pi在結點處分配給橫、縱梁上的分力, kN；bx，by 分別為橫、縱梁的寬度,m；Sx，Sy分別為橫、縱梁的彈性特征長度, m。[S=（4EI/bk)1/4, EI為梁的剛度，kN.m2；b為梁的寬度, m；k為地基反力系數，kN /m3]，如圖10所示。,2．5 格構梁的配筋計算 按上述各種方法之一

18、求得格構梁的荷載后，便可計算格構梁的彎矩和剪力，再按受彎構件來驗算格構梁的強度和進行配筋計算。,,,,,,,,,,2．6 格構的構造要求1）漿砌塊石格構漿砌塊石格構可分為方型、菱型、人字型和弧型四種型式。各種型式格構水平間距均應小于3．0m。漿砌塊石斷面設計以類比法為主，采用的斷面高×寬一般不小于300mm×200mm。漿砌塊石格構邊坡坡面應平整，坡度一般小于35°。為了保證格構的穩(wěn)定性，可根據巖土

19、體結構和強度在格構節(jié)點設置錨桿，系統(tǒng)錨桿長度一般3～5m，全粘結灌漿。若巖土體較為破碎和易溜滑時，可采用錨桿加固，加固錨桿長度由計算確定，全粘結灌漿，注漿壓力一般為0．5～1．0MPa。,2）現澆鋼筋混凝土格構 現澆鋼筋混凝土格構同樣有方型、菱型、人字型和弧型四種型式。方型和菱型格構水平間距均應小于5．0m，人字型和弧型格構水平間距均應小于4．5m。鋼筋混凝土格構斷面設計應采用簡支梁法進行彎矩計算，并采用類比法校核。一

20、般斷面高×寬不小于300mm×250mm。格構縱向鋼筋應采用φ14以上直徑的Ⅱ級螺紋鋼筋，箍筋應采用φ6以上直徑的鋼筋。格構混凝土強度等級不應低于C25。,現澆鋼筋混凝土格構護坡的坡面應平整，坡度一般不大于70°。當邊坡高于30m時，應設置馬道。為了保證格構護坡的穩(wěn)定性，根據巖土體結構和強度在格構節(jié)點設置錨桿。錨桿應采用φ25～40直徑的HRB335級或HRB400級鋼筋加工，系統(tǒng)錨桿長度一般3~5m，加固

21、錨桿長度由計算確定，全粘結灌漿，并與格構鋼筋主筋點焊連接。如果是整體穩(wěn)定性差或下滑力較大的滑坡，應采用預應力錨索進行加固。 不論是漿砌塊石格構還是現澆鋼筋混凝土格構，均應每隔10～25m寬度設置伸縮縫，縫寬2～3cm，填塞瀝青麻筋或瀝青木板。同時為了美化環(huán)境和防護表層邊坡，在格構間應培土和植草。,3 格構的施工 3．1 漿砌塊石格構的施工要點 1)漿砌塊石格構應嵌置于邊坡中，嵌置深度大于格構截面高度的2／3。2

22、)漿砌塊石格構護坡坡面應平整、密實，無表層溜滑體和蠕滑體。3)格構可采用毛石或條石，但毛石最小厚度應大于150mm，強度應大于Mu30，用水泥砂漿漿砌，砂漿強度不應低于M7.5。4)格構每隔l0～25m寬度設置伸縮縫，縫寬2～3cm，填塞瀝青麻筋或瀝青木板。,3．2 現澆鋼筋混凝土格構的施工要點1)鋼筋混凝土格構可嵌置于邊坡中或上覆在邊坡上。2)鋼筋混凝土格構護坡坡面應平整、夯實。無溜滑體、蠕滑體和松動巖塊。3)用于格構的鋼

23、筋應專門建庫堆放，避免污染和銹蝕；水泥一般使用425#普通硅酸鹽水泥，避免使用受潮和過期水泥；砂石料的雜質和有機質的含量應符合《混凝土結構工程施工及驗收規(guī)范》(GBJ50204—92)的有關規(guī)定。4)應對邊坡開挖的巖性及結構進行編錄和綜合分析，將開挖的巖性與設計對比，出入較大時，應進行變更處埋。5)開挖的棄渣應按設計的要求堆放，不得造成次生災害。,4 國外格構加固技術簡介前述格構加固技術主要是針對我國邊坡工程中常用的漿砌塊石格

24、構和現澆鋼筋混凝土格構。下面簡要介紹在日本廣泛應用的PC格構加固技術和QS格構加固技術。 4．1 PC格構加固技術簡介PC(Prestress Concrete Frame Anchor Method)格構加固技術是從錨固技術發(fā)展起來的，它是由預制預應力混凝土框架和灌漿錨索組成，它將傳統(tǒng)的現澆四菱錐臺式錨墩結構改為預制預應力混凝土構件，其加固機理是：錨固力通過預制預應力混凝土構件傳遞給邊坡面，從而保持邊坡的穩(wěn)定。該方法在日本推廣

25、已有十多年的歷史，成立了PC協會，經過PC協會會員的不斷開發(fā)與改良，已有多種型號規(guī)格可供選擇。PC格構加固技術有較為完善的設計施工規(guī)范，實現了標準化和系列化，在日本的許多重要工程中得到了應用。,4．2 QS格構加固技術簡介QS(Quick & Strong)格構加固技術是指用一種在工廠中預先組裝好的可折疊式鋼筋籠，組裝在坡面上之后，在鋼筋籠中噴射混凝土，從而在坡面上形成鋼筋混凝土框架的一種加固方法。該技術無論在現場的施工性

26、能還是在構造強度上都具有明顯的優(yōu)勢。在急傾斜的坡面上架設箍筋是十分困難的，而且相當費時，QS框架的構件，是在工廠中生產出預先組裝好箍筋的折疊式鋼筋籠，然后把它運送到現場打開即可使用的一種具有優(yōu)越施工性能的構件。QS格構加固技術必要時采用錨桿或錨索等來進行補強，QS格構加固技術即使是用于帶有地錨的框架坡面保護也是很適用、很經濟以及施工性能有其獨特之處。QS格構加固技術可用于滑坡治理工程、陡坡防護工程、堤壩斜面防護工程、災害修復工程、基