格構錨固結構在水利工程邊坡治理中的應用

王 乾

(廣州利源工程咨詢有限公司,廣州 510000)

隨著水利水電、礦山、鐵路、公路、城市建設事業迅猛發展,在邊坡治理中,支擋加固技術越來越受到世界各國的關注。當前,我國的支擋加固技術向小型化、輕型化、復合型、機械化施工方向發展,格構錨固技術正是順應了這種潮流,并將護坡與支擋相結合。格構錨固是一種行之有效的邊坡防護技術,目前已經引起非常廣泛的重視隨著我國基建投資的增加,公路、水利等領域將會出現大量的邊坡,這就給邊坡的治理技術帶來了新的挑戰[1]。近幾年來,在高邊坡、水利水電邊坡、工業和民用建筑等領域,對其進行了深入的理論分析和設計研究。

1 工程概況

廣州健康產業城(醫藥研發片區)河涌整治一期工程(第一期)位于廣州市白云區鐘落潭鎮,主要建設內容是對馬洞坑樁號馬k1+800-樁號k2+260河涌兩岸共計460m按控規進行整治,馬洞坑樁號馬k1+780-馬k1+800及馬k2+260-馬k2+360共計120m河涌采用漸變式C30懸臂鋼筋混凝土擋土墻護岸和上下游現狀河涌平順連接;對茅崗河樁號茅k0+000-茅k0+720共計720m河涌左岸按控規進行整治,茅k0+000-茅k0+720段河涌右岸為放坡開挖,采用格構式護坡形式,形成臨時渠道;新建抽水站一座,泵房長寬為4m×4m,新建灌溉渠道。

2 格構錨固的種類與概念

格構式錨固是一種由格構梁與錨固結合而形成的新型防滑支擋結構。在坡面上,采取了漿砌塊石、現澆鋼筋、預應力混凝土格構梁等多種保護措施,同時,由于梁體與斜坡的接觸面積比較大,在邊坡穩定性分析中,采用錨桿或錨索結合進行邊坡加固是一種行之有效的方法[2]。在實際工程應用中,預應力錨索網架的主要結構形式見圖1。

圖1 格構示意圖

格構的作用是將剩余的巖壓力或下滑力或土壓力分布于格構結點的錨索或錨桿上,用錨桿(索)將其再送至穩定的地層,由此,邊坡在錨固力的作用下保持穩定。因此,從格構本身來說,它只是一種傳遞力量的結構,它的抗滑力主要來自于格構節點上的錨桿和錨索。通常所提到的格構加固技術,分為兩種類型:格構自身和錨桿(索)[3]。此外,格構錨固還可以和其它的綠色保護措施相結合,如在框架中種植雜草,起到了穩定邊坡和美化邊坡環境的作用,因此,格構錨固是一種廣泛應用的結構形式,具有廣闊應用前景的防滑護坡系統[4]。我國在邊坡工程中,按所選擇的材料,多采取漿砌塊式和現澆鋼筋混凝土格構。一般有4種:方型、菱型、人型、弧型。為了確保安全,一般采用長方形的橫梁,而且至少要有2/3的橫梁要埋入地下。

漿砌塊石格錨固是以漿砌塊為基礎,采用錨桿進行錨固,這樣才能使表面得到加強,水泥砂漿的抗彎性很差,不能承載其本身的重量,但具有良好的抗壓能力,尤其適合于坡面前緣較小、整體穩定性良好的邊坡。現澆鋼筋混凝土錨固結構的現澆鋼筋混凝土格構梁,其錨桿(索)在滑行時會產生阻力。鋼筋混凝土梁抗彎、抗壓性能均優于漿砌塊,其整體剛度明顯改善,適合于整體穩定,在前方發生溜滑、崩滑、或較大坡度的邊坡整治,得到了較為廣泛的應用。

3 工程實踐

3.1 設計原則

該項目在施工期間,邊坡最大高度差達30m,造成的損害非常嚴重。經鑒定,該結構的安全等級為第二級,根據現場地質環境、邊坡穩定性、技術經濟條件等因素,對邊坡進行了分析,采取技術可靠、施工簡單、投資小的控制措施,為了消除危險,根據永久邊坡的形式進行了設計,下面是一些基礎原理:

1)及時、經濟、合理的治理措施,可改善地質環境,努力與周圍自然環境彼此交融,彼此配合。

2)為保證邊坡的安全、地質災害的發生、坡腳和人身安全,都起到了重要的作用。

3)在進行邊坡整治前,必須采取適當的防護措施,以防止在施工中發生二次事故,即使出現巖體松動或者是滑坡等情況,同時,要采取有效的保護措施,將其限制在一定的范圍之內。

4)從安全角度出發,對設計方案進行了優化,減少了管理費用。

3.2 設計方案

依據以上設計原理,結合工程實際,提出了以下幾種支護方案:

利用分段削坡技術建立了一階臺階,在主要裂縫附近,上部邊坡削坡線基本上是沿主裂面切去的,坡度為1∶1; 根據坡腳用地紅線規劃,采用1∶0.75～1∶1.5的坡度控制下斜坡的坡度。待削坡完成后,由于覆蓋和全強風化作用,上部邊坡的厚度比較大,采用錨桿(錨索)結合網架支撐,錨索間距為6m,垂直方向為2m,錨桿垂直方向為2m。并在格構梁結點上設置了錨桿和錨索。下層斜坡主要是風化的基巖,系統地錨固采用了鋼筋錨固法。坡頂達分水嶺或匯水區域不大,故不設截流渠。在平臺和坡底設置排水溝,并與斜坡上的縱溝相連,匯集的雨水經過集中后,統一排入下水道。在邊坡支護完成后,進行綠化,以美化邊坡,恢復破壞的生態環境。采用噴混植生技術對斜坡進行復綠,坡底設置低矮的漿砌石擋墻,在斜坡后進行回填土和栽植灌叢。

3.3 主要的建造規范和需求

3.3.1 預應力錨索格構的受力分析

在邊坡巖土中,預應力錨索的格構受下列力的影響,如圖2所示。

圖2 錨索格構受力示意圖

1)錨索拉力pt:根據預應力錨索的工作原理,將錨索上的拉力首先通過錨固的預應力作用,使其在邊坡體內的巖體中得到足夠的拉力,從而達到防止邊坡變形的目的。

2)巖土體對格構梁的地基反力q(x):在邊坡變形與錨索約束共同作用下,引起了邊坡的地基反力,并與邊坡土相互作用。基礎反力是格構梁受力的一種反力,它沿著縱梁、橫梁、與格構底部垂直,其分布形式和數值大小與錨索拉力、格構剛度以及邊坡巖土的關系密切。

3)格構與坡面巖土體間的摩擦力f(x):摩擦力f(x)是錨索格構和邊坡巖土體之間的相對移動傾向而同時發生,該力和q(x)同時生成、存在,平行于框架梁梁底。根據邊坡角度和錨索的實際張力值,這種作用力可以指向坡頂或坡底。

4)格構的自重W:鋼筋混凝土結構本身的自重,垂直向下,相對于其他作用于結構的外力,其數值一般很小,通?？梢院雎?。

5)地面對格構結構的支承力H:這種作用力對預應力錨索結構的影響較為復雜,其數值的大小和分布不僅取決于上述各方面的作用力,還與邊坡的變形規律密切相關。如果邊坡上部的變形比下側大,等于邊坡在斜坡腳下旋轉,那么這個作用點的作用點就是支撐點,它的作用值就會更高。在邊坡上部的變形比下部小的情況下,如果不是在斜坡的底部,或者在斜坡中埋深較少,那么這種作用力的大小將會很小,甚至是零。由于這種作用力的變化很大,所以在進行格構的內力分析時,通常忽略了這種作用力的影響,但是這種作用力對框架自身的穩定起著很大的作用。

3.3.2 削坡

1)削坡的施工必須由上而下,分段進行,禁止一般大斷面的開挖。在滑坡的推動力區內,不能隨意堆放挖掘出的廢渣,避免滑坡,導致新的崩塌。

2)斜坡開挖采用機械法,一般不適宜于常規爆破,坡度符合設計要求。

3)在建筑工地設置警告標志,疏散受影響區域的人員。

4)為了保證工程的安全,必須加強對削坡的監控。

3.3.3 鋼筋錨桿

1)鋼筋錨桿采用為Φ25mmⅢ級螺紋鋼筋,6.5mm鋼筋對中支撐,鉆孔90mm,為全黏性錨固,傾斜角度20°,立面間距2m×2m。

2)錨桿孔間距允許偏差為±100mm,孔傾斜為±5%,超過設計錨桿長度≥0.5m。在安裝錨桿之前,必須將鉆孔內的石粉、積水等雜物清理干凈;鋼筋應除繡、調直,每隔1.5m設置一對中間支撐,以保證柱身水泥夾層的厚度。

3)注漿材料為M30型水泥砂漿,按比例測定,灌漿壓力在0.3～0.5MPa之間;注漿用42.5R強度的普通硅酸鹽水泥。

4)在工程建設中,必須在上坡處的錨桿強度達到設計強度的80%,采取自頂向下的施工方式。

3.3.4 預應力錨索

1)用錨索鉆出直徑137mm的錨繩,用鉆機鉆,再用空機清除。

2)預應力錨索長20m,錨固段長度8m,設計載荷1000N。

3)纜繩向下傾斜20°,由6條φ15.2mm的鋼絲繩構成,灌漿材料為M30水泥砂漿,灌漿材料為0.4MPa,通過試驗確定了配比,鉆孔應滿足設計的要求,傾斜角度≤1°。

4)鉆孔深度應與設計深度相適應,傾角不能超過1°,錨索應涂一層防銹漆,并用波紋管保護。在安裝錨索時,采用對中的支座,每隔1m布置一對中支架。

5)錨索灌漿分為兩個階段,首先是錨固期,其次是張拉后的防腐蝕灌漿。

6)預應力錨索采用二次張拉法,首次張拉為設計荷載的50%,每次張拉后再進行二次張拉。在張拉階段,張拉荷載是設計應力的25%,50%,75%,100%,在每一階段的載荷作用下,每一階段的應力都要達到設計應力的110%,并且在30min之內完成。

7)張拉后,采用鋼筋混凝土再對其進行加固處理。

3.3.5 鋼筋混凝土格構

1)格構大小為40cm(寬)×40cm(高)。

2)每10～20m處布置一條可伸縮縫,寬度為2～3cm,然后用瀝青麻筋或其它有彈性的防水材料填充。

3)該格構梁混凝土強度等級為C25,鋼筋混凝土防護層為50mm。

4)格構梁被埋在巖石中30cm處。

5)格構梁混凝土應采取現澆施工,注意噴淋施工,以確保其強度與質量。為減少施工困難,加速施工,必須合理安排豎向傳送模式及工作臺,鋼筋混凝土格構梁的施工工藝的順序為: 測線、挖梁、鋼筋制安、錨桿頭制安、支模、梁槽內澆筑混凝土、拆卸、維護。

4 格構梁內力分析

4.1 倒梁法

1)剛性倒梁法

按照《建筑地基設計規范》要求,在較為均勻的基礎上,上部結構的剛度較好,載荷分布也較均勻,在條形梁高度不低于柱距的六分之一的情況下,可以采用線性分布的方法來計算地基反力,條形梁的內力可以用連續梁來計算。在假定格梁為絕對剛度的情況下,梁基底的反作用力是線性的。

在不考慮梁與巖土相互作用的情況下,僅需計算出梁底端的基礎反力集,確定地基反作用力的分布情況。當外力被充分地確定后,就可以決定梁的任何部分的內力。

在地基反力確定后采用靜平衡法進行格梁內力的計算。很明顯,剛性梁法無法將梁的基礎特性及彎曲剛度等因素考慮在內,在此基礎上,可以忽略地基與梁體之間的相互作用,而內力僅與荷載的大小及位置相關。只適合于較硬的地層和較大的梁彎曲剛度。

4.2 文克爾彈性地基梁法

文克爾假設:地基面任何一處的下沉量都與這一點上單位面積所承受的壓力相關。這個假說將地基比作了剛性底座上的彈簧,由于考慮了梁體自身的彈性和地基的彈性變形,克服了反力線性分布的缺陷。

5 結 語

總之,錨格構固結構是近幾年在邊坡支擋、滑坡防治中廣泛采用的一種主動防護結構,它是一種以錨桿(索)與網架結構組合而成的結構形式,能夠最大限度地發揮其本身的潛能,起到很好的支撐效果,其結構簡單,重量輕,材料節約,坡面綠化方便,技術上具有很高的實用價值,值得推廣。