格構錨固護坡研究綜述

◇聊城大學建筑工程學院 徐一凡 袁立群 陳為正 崔 康

滑坡是一種僅次于地震的嚴重自然災害，近年來我國的產生的邊坡隨著基礎建設飛速發展而增加，滑坡危害也隨之增加，特別是對于一些處于特殊土層的邊坡。而格構錨固由于其優點而廣泛應用于特殊邊坡的加固，產生了良好的社會價值。隨著格構錨固工程的應用，其理論研究、施工技術等方面也相對成熟，因此本文從格構錨固理論研究、格構錨固應用和格構錨固技術創新三個方面進行總結。

1 引言

近年來，我國基礎設施工程的建設如火如荼，大量的工程建設，使我國綜合國力顯著提升。然而隨之而來的，也有大量由于開挖、堆載產生的邊坡，其中部分邊坡處于地質條件較差的地區，這些邊坡在設計和施工中的不重視，使得其發展成滑坡災害，近幾年，滑坡事故屢見不鮮。2014年，云南省發生的福貢大型滑坡，致使15人遇害、3人受傷，經濟損失8000多萬元；2015年，貴陽市由于連續的強降雨，導致一高陡順向坡發生山體滑坡，造成人員死亡16人，經濟損失5000多萬元；2016年，浙江省麗水市的一處大型山體滑坡導致人員死亡26人、2人失蹤，造成20余戶民宅被摧毀，直接經濟損失2020多萬元。滑坡所造成的危害觸目驚心，不僅使經濟造成巨大的創傷，更使人民群眾飽受摧殘，社會影響巨大。在滑坡防治手段中，格構錨固由于結構輕巧、外型美觀，抗震性能好以及整體性強而廣泛應用，格構錨固的各方面研究，也更加深入。

2 格構錨固結構理論研究

2.1 錨固邊坡穩定性分析

邊坡的穩定性計算方法包括極限平衡分析法和彈塑性理論分析法。極限平衡法包括：①瑞典分條法（滿足坡體整體力矩平衡）；②Bishop法（滿足坡體整體力矩平衡）；③Janbu法（滿足分塊力矩和力的平衡）；④Spencer法（滿足分塊力矩和力的平衡）；⑤傳遞系數法（各條塊底滑面法線方向滿足力平衡條件）；⑥Morgenstern-Price法（滿足分塊力矩和力的平衡）。這6種分析方法中，Morgenstern-Price法和Spencer法滿足力與力矩的平衡、適用于任意形狀的滑面；傳遞系數法計算過程相對簡便因而這三種方法廣泛應用于工程實際。雷軍基于這3種可適用于折線型滑面的邊坡穩定性分析方法，對傳統的將錨拉力作為集中力直接作用在滑面上的分析方法進行改進，分析推導在條塊底面處引入錨拉力擴散后的應力的錨固邊坡穩定性分析方法[1]。

2.2 格構錨固結構理論計算

格構錨固分為格構梁結構和錨桿（索）結構。格構結構的力學性能接近梁，因此在進行格構梁內力計算時，常常將格構梁簡化成單根的連續梁，再選取合適的地基模型，通過相應的本構關系來求解內力。三種經典的地基模型為：①文科勒（Winkler）地基模型；②彈性半空間地基模型；③有限壓縮層地基模型。其中，Winkler地基模型認為：土體表面任意一點的壓力強度P0與該點的沉降量y呈線性相關關系，比例系數為k，即：

據材料力學和靜力平衡，可得到彈性地基梁的撓曲微分方程：

式中：V為剪力：q為外貼碳纖維布格構梁的分布荷載；；P為地基反力；b為梁的寬度。設地基沉降梁等于梁的變形，對式（2）求二階導，由式（3）得：

求解該方程，得：

圖1 Heteryi解析解示意圖

梁的撓度、彎距、剪力的解析解為：

當x>a時，式（6）中a、b互換，且x從向左進行計算。

對于錨桿（索）結構，格構錨固加固邊坡的機理主要包括四種：①懸吊理論；②組合梁理論；③組合拱理論；④銷釘理論等加固理論[2-5]。設計方法主要有三種：倒梁法、彈性地基梁法以及彈性半空間法。目前常用的倒梁法由于計算簡單、設計保守，不易出錯等優點而在邊坡支護工程中廣泛應用。彭煌在現有的錨桿格構梁支護邊坡安全系數公式的基礎上，改進其計算公式，考慮了錨桿格構梁共同作用下對邊坡產生的附加應力，使得其接近邊坡實際受力[6]。他應用Winkler和雙參數彈性地基模型推導基于有限長梁受集中力的解，計算出荷載分配系數，基于此進行了考慮共同作用的格構梁內力計算及分析，并用有限元分析軟件進行驗證。結果表明，用鋼量大大節省，產生良好的經濟效益。

2.3 格構錨固結構破壞及設計優化

在格構錨固加固的滑坡中，錨固結構會由于多種因素作用而發生破壞，陳春利通過實驗，驗證了格構錨固的兩種失效方式（錨桿失效和格構失效）[7]。錨桿的失效主要有：錨桿在滑面位置的剪切破壞、錨固段錨桿滑脫。格構的失效主要表現：受拉側的彎折開裂、受壓側（靠坡面側）節點處的壓裂破壞。雖然輕微的破壞不會使錨固失效，但仍予以重視。張太考慮邊坡的淺表層穩定性和整體穩定性控制要求，采用塑性極限分析方法，分別得出了格構橫梁間距與縱梁間距的計算方法，并采取數值模擬方法進行分析驗證[8]。因此，在格構錨固工程設計時，應根據坡體的特征、土體參數等，合理選擇錨桿的錨固角度、長度以及格構布置方式，以滿足實用和經濟的需求。

2.4 地震動力響應分析

地震作用下邊坡穩定性及治理尤為關鍵。我國由于多山地、多地震的特點，存在大量與地震作用有關的邊坡問題。汶川地震發生后，邊坡震害調查發現：在采用錨固技術加固的邊坡中，錨頭存在松動、脫落、錨筋松弛等，但是錨固工程仍然有效[9]。格構錨固加固邊坡基本未出現明顯災害，表明格構錨固加固邊坡性能可靠。張妙芝依托青年科學基金項目，以滑坡體、壓力型錨固系統為研究對象，采用試驗與數值模擬相結合的方法進行研究，對地震作用下滑坡體、壓力型錨固系統的動力響應展開研究[9]。

3 格構錨固結構應用

由于布置靈活，格構錨固廣泛應用于各類邊坡。

（1）凝灰質高邊坡巖體性質以凝灰巖為主，在一些日照充足且降水豐沛的地區，凝灰巖高邊坡的穩定性普遍較差。而格構錨固可利用錨桿（索），將錨固力傳遞給坡體內部強度較高的巖層，從而充分發揮巖體的承載能力，因此可以采用格構錨固工程進行治理。范哲依托惠深高速公路改擴建工程，研究凝灰巖質高邊坡的破壞機理及其加固技術[10]，他采用理論研究、數值模擬和現場勘測相結合的方式，提出了最優的錨固角度和長度。

（2）一般的自然狀態下的邊坡是穩定的，然而在公路、鐵路等基礎設施建設中，需要對其進行開挖以滿足要求，開挖使邊坡原有應力大幅降低，使應力重分布，形成臨空面，從而導致邊坡穩定性降低。由于公路建設的美觀要求，宜采用結合格構錨固的綜合防護。張殿義依托高沁高速公路高邊坡病害治理工程，研究高路塹邊坡的破壞機理及其加固技術[11]。他利用有限元分析軟件，分析了格構錨固加固前后的邊坡，證明了格構錨固工程應用于高路塹邊坡的可靠性。

（3）蠕變土體邊坡中含有較高的黏粒含量，具有強度低、壓縮性高的特點。格構錨固技術由于施工時不需要大型機械，不必開挖擾動邊坡，施工安全快速，與植被恢復相結合可美化環境的優點而被應用。劉庚利用試驗數據建立適用于該類土體的蠕變本構模型，為含碎石粉質黏土蠕變對格構梁變形破壞的影響機制研究提供理論基礎[12]。他現場取樣，并利用三維有限差分數值計算軟件分析了含碎石粉質黏土蠕變引起格構梁變形破壞的過程和原因。

（4）黃土是具有濕陷性、大孔隙、浸水后力學強度低等特點的特殊土質，因此黃土邊坡滑坡災害時常發生。韓佳明提出了格構錨固加固不同整體性下黃土滑坡的加固[13]。利用格構錨固布置靈活的特點，對黃土邊坡進行格構錨固加固。①當黃土邊坡整體性較好時，可以采用穿過滑帶的錨桿錨固的漿砌塊石格構聯合護坡；②當黃土邊坡整體性一般時，可以采用穿過滑帶的錨桿錨固的現澆鋼筋混凝土格構聯合防護；③當黃土邊坡整體性很差時，可以采用穿過滑帶的錨索錨固的現澆鋼筋混凝土格構聯合防護。

4 格構錨固技術的創新

隨著格構錨固護坡技術的發展、施工機械的革新、材料性能的提高，邊坡格構錨固防護技術逐正漸向復合型、輕型、機械化生產、綠色環保工業的方向發展。

目前的格構錨固工程中的格構結構多采用現澆混凝土，現澆混凝土格構錨桿（索）技術雖然較好的順應了上述邊坡支護技術的發展趨勢，但其在山區邊坡支護施工過程中依然存在諸多難題。鋼筋籠布設困難、支模要求嚴格、混凝土蜂窩麻面質量問題、混凝土離析現象等問題。秦宇提出榫卯搭接格構梁、鋼節點連接裝配式格構兩種裝配式格構結構及其施工方法[14]。除了技術的創新，新型材料的應用也開始于格構錨固工程相結合，以達到最優的加固效果。張力依托永吉高速公路項目，對鋼絞線-錨桿捆綁式結構的作用機理及加固效果進行了研究[15]，他通過理論分析和數值模擬相互結合的方法，驗證其可靠性。韓雪剛提出采用鋼纖維混凝土結合濕噴技術施做框格梁[16]。他采用理論分析、數值模擬和室內試驗相結合的方式，驗證了鋼纖維混凝土格構梁的可靠性。

5 結語

格構錨固結構是一種復合結構，其理論研究和施工技術已相對完善。目前，格構錨固工程已應用廣泛于各類邊坡的防治，但是近年來，格構錨固破壞現象也頻繁發生，許多格構梁都是在產生裂縫的情況下工作，隨著新型材料的廣泛應用，未來，格構錨固的新型材料加固將成為研究重點。