格構(gòu)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(chǎn)生的邊坡隨著基礎建設飛速發(fā)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(gòu)錨固由于其優(yōu)點而廣泛應用于特殊邊坡的加固，產(chǎn)生了良好的社會價值。隨著格構(gòu)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(gòu)錨固理論研究、格構(gòu)錨固應用和格構(gòu)錨固技術創(chuàng)新三個方面進行總結(jié)。

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(chǎn)生的邊坡，其中部分邊坡處于地質(zhì)條件較差的地區(qū)，這些邊坡在設計和施工中的不重視，使得其發(fā)展成滑坡災害，近幾年，滑坡事故屢見不鮮。2014年，云南省發(fā)生的福貢大型滑坡，致使15人遇害、3人受傷，經(jīng)濟損失8000多萬元；2015年，貴陽市由于連續(xù)的強降雨，導致一高陡順向坡發(fā)生山體滑坡，造成人員死亡16人，經(jīng)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(jīng)濟損失2020多萬元。滑坡所造成的危害觸目驚心，不僅使經(jīng)濟造成巨大的創(chuàng)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(gòu)錨固由于結(jié)構(gòu)輕巧、外型美觀，抗震性能好以及整體性強而廣泛應用，格構(gòu)錨固的各方面研究，也更加深入。

2 格構(gòu)錨固結(jié)構(gòu)理論研究

2.1 錨固邊坡穩(wěn)定性分析

邊坡的穩(wěn)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(shù)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(shù)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(wěn)定性分析方法，對傳統(tǒng)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(wěn)定性分析方法[1]。

2.2 格構(gòu)錨固結(jié)構(gòu)理論計算

格構(gòu)錨固分為格構(gòu)梁結(jié)構(gòu)和錨桿（索）結(jié)構(gòu)。格構(gòu)結(jié)構(gòu)的力學性能接近梁，因此在進行格構(gòu)梁內(nèi)力計算時，常常將格構(gòu)梁簡化成單根的連續(xù)梁，再選取合適的地基模型，通過相應的本構(gòu)關系來求解內(nèi)力。三種經(jīng)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(shù)為k，即：

據(jù)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(gòu)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(jié)構(gòu)，格構(gòu)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(yōu)點而在邊坡支護工程中廣泛應用。彭煌在現(xiàn)有的錨桿格構(gòu)梁支護邊坡安全系數(shù)公式的基礎上，改進其計算公式，考慮了錨桿格構(gòu)梁共同作用下對邊坡產(chǎn)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(shù)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(shù)，基于此進行了考慮共同作用的格構(gòu)梁內(nèi)力計算及分析，并用有限元分析軟件進行驗證。結(jié)果表明，用鋼量大大節(jié)省，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益。

2.3 格構(gòu)錨固結(jié)構(gòu)破壞及設計優(yōu)化

在格構(gòu)錨固加固的滑坡中，錨固結(jié)構(gòu)會由于多種因素作用而發(fā)生破壞，陳春利通過實驗，驗證了格構(gòu)錨固的兩種失效方式（錨桿失效和格構(gòu)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(gòu)的失效主要表現(xiàn)：受拉側(cè)的彎折開裂、受壓側(cè)（靠坡面?zhèn)龋┕?jié)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?zhí)紤]邊坡的淺表層穩(wěn)定性和整體穩(wěn)定性控制要求，采用塑性極限分析方法，分別得出了格構(gòu)橫梁間距與縱梁間距的計算方法，并采取數(shù)值模擬方法進行分析驗證[8]。因此，在格構(gòu)錨固工程設計時，應根據(jù)坡體的特征、土體參數(shù)等，合理選擇錨桿的錨固角度、長度以及格構(gòu)布置方式，以滿足實用和經(jīng)濟的需求。

2.4 地震動力響應分析

地震作用下邊坡穩(wěn)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(fā)生后，邊坡震害調(diào)查發(fā)現(xiàn)：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(gòu)錨固加固邊坡基本未出現(xiàn)明顯災害，表明格構(gòu)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(tǒng)為研究對象，采用試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法進行研究，對地震作用下滑坡體、壓力型錨固系統(tǒng)的動力響應展開研究[9]。

3 格構(gòu)錨固結(jié)構(gòu)應用

由于布置靈活，格構(gòu)錨固廣泛應用于各類邊坡。

（1）凝灰質(zhì)高邊坡巖體性質(zhì)以凝灰?guī)r為主，在一些日照充足且降水豐沛的地區(qū)，凝灰?guī)r高邊坡的穩(wěn)定性普遍較差。而格構(gòu)錨固可利用錨桿（索），將錨固力傳遞給坡體內(nèi)部強度較高的巖層，從而充分發(fā)揮巖體的承載能力，因此可以采用格構(gòu)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?guī)r質(zhì)高邊坡的破壞機理及其加固技術[10]，他采用理論研究、數(shù)值模擬和現(xiàn)場勘測相結(jié)合的方式，提出了最優(yōu)的錨固角度和長度。

（2）一般的自然狀態(tài)下的邊坡是穩(wěn)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(wěn)定性降低。由于公路建設的美觀要求，宜采用結(jié)合格構(gòu)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(gòu)錨固加固前后的邊坡，證明了格構(gòu)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(gòu)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(jié)合可美化環(huán)境的優(yōu)點而被應用。劉庚利用試驗數(shù)據(jù)建立適用于該類土體的蠕變本構(gòu)模型，為含碎石粉質(zhì)黏土蠕變對格構(gòu)梁變形破壞的影響機制研究提供理論基礎[12]。他現(xiàn)場取樣，并利用三維有限差分數(shù)值計算軟件分析了含碎石粉質(zhì)黏土蠕變引起格構(gòu)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(zhì)，因此黃土邊坡滑坡災害時常發(fā)生。韓佳明提出了格構(gòu)錨固加固不同整體性下黃土滑坡的加固[13]。利用格構(gòu)錨固布置靈活的特點，對黃土邊坡進行格構(gòu)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(gòu)聯(lián)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(xiàn)澆鋼筋混凝土格構(gòu)聯(lián)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(xiàn)澆鋼筋混凝土格構(gòu)聯(lián)合防護。

4 格構(gòu)錨固技術的創(chuàng)新

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

目前的格構(gòu)錨固工程中的格構(gòu)結(jié)構(gòu)多采用現(xiàn)澆混凝土，現(xiàn)澆混凝土格構(gòu)錨桿（索）技術雖然較好的順應了上述邊坡支護技術的發(fā)展趨勢，但其在山區(qū)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(zhì)量問題、混凝土離析現(xiàn)象等問題。秦宇提出榫卯搭接格構(gòu)梁、鋼節(jié)點連接裝配式格構(gòu)兩種裝配式格構(gòu)結(jié)構(gòu)及其施工方法[14]。除了技術的創(chuàng)新，新型材料的應用也開始于格構(gòu)錨固工程相結(jié)合，以達到最優(yōu)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(jié)構(gòu)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(shù)值模擬相互結(jié)合的方法，驗證其可靠性。韓雪剛提出采用鋼纖維混凝土結(jié)合濕噴技術施做框格梁[16]。他采用理論分析、數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗相結(jié)合的方式，驗證了鋼纖維混凝土格構(gòu)梁的可靠性。

5 結(jié)語

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