07格构加固边坡的设计与施工.docx

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07格构加固边坡的设计与施工

第7章格构加固边坡的设计与施工

§7．1概述

§7．1．1格构的作用、特点及适用条件

传统的格构是用毛石、卵石或顶制的空心砖在人工开挖的软质边坡面上，按正方形或菱形干砌或浆砌形成骨架，格构中间种草，以减少地表水对坡面的冲刷，减少水土流失，从而达到护坡和保护环境的目的，该方法在铁路、公路的边坡和路堤防护中已经得到广泛应用。

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。

格构技术一般与公路环境美化相结合，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。

这种技术山区高速公路中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（钢筋混凝土或素泥凝土）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，当边坡定性好，但因前缘表层开挖失稳出现塌滑时，可采用浆砌块石格构护坡，并用锚杆锚固；如果边坡稳定性差，可用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；

所有这些锚杆（索）都必须穿过滑动面并使锚固段位于稳定可靠的地层中，方能起到阻滑的作用。

§7．1．2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7．1所示）。

格构水平间距对于浆砌块石格构应小于3．Om，对于现浇钢筋混凝土格构应小于5．Om。

2）菱型：

沿平整边坡坡面斜向设置格构（如图7．2所示）。

格构间距对于浆砌块石格构应小于3．Om，对于现浇钢筋混凝土格构应小于5．Om。

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7．3所示）。

格构横向或水平间距对于浆砌块石格构应小于3．Om，对于现浇钢筋混凝土格构应小于4．5m。

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7．4所示）。

格构横向或水平间距对于浆砌块石格构应小于3．Om，对于现浇钢筋混凝土格构应小于4．5m。

§7．2边坡格构加固设计

§7．2．1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，可按照50～80年服务期进行设计。

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1．5～3．Om，如图7．5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1．5～2．0m，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。

锚固荷载可按第六章锚杆（索）的锚固力计算公式以及有关预应力锚索设计吨位推荐值或规定进行确定。

边坡格构加固设计的内容包括：

1）边坡稳定性分析和荷载计算；

2）选择格构型式及加固方案；

3）拟定格构的尺寸、确定锚杆（索）的锚固荷载；

4）锚杆（索）的设计计算；

5）格构内力计算及结构设计；

6）加固后边坡的稳定性验算。

设计程序流程如图7．6所示。

其中加固前后的边坡稳定性分析与验算均采用第二章中介绍的条分法（对于滑坡采用传递系数法）进行，锚杆（索）的设计计算已在第六章进行了详细阐述；下面主要就锚固荷载和格构设计计算进行探讨。

§7．2．2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（对于一级和高速公路1．2～1．3，二级及以下等级公路l．1～1．2）。

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，下面仅介绍这种方法。

如图7．7所示边坡受力分析，取一个条块作为独立分析单元，其上的作用力包括坡面荷载Q、条块重力W、锚索预应力L、剪切面反力N、抗滑力S以及条间作用力E和V。

根据竖向平衡可以得到：

（7.1）

式中的抗滑力S可以表示为抗剪强度与安全系数的比，因此可以解出滑面的法向力：

（7.2）

边坡的安全系数：

（7.3）

为了简化计算，忽略条间作用力；如果坡面荷载为0，则上式变为：

（7.4）

式中：

；

——条块滑面倾角；

bi——条块滑面长度；

β——锚索倾角；

ci，

——滑面强度参数，通常假定原整个滑面是均匀分布的。

利用式（7．4），按照规范确定安全系数后，反算锚固荷载L；从上面的推导可以看出，采用的方法实际上是第二章中介绍的简化的Bishop条分法，同样可以采用第二章中介绍的不平衡推力传递系数法按照上述考虑锚固荷载的原理进行锚固荷载反算，其他因素的影响如地下水、地震等的考虑与边坡稳定性分析完全相同。

§7．2．3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，确定锚索分布及不同高度的锚索设计锚固力，然后计算格构的内力。

为了方便，将两个锚固点之间的格构梁简化为一个简支梁来计算其内力，简化模型如图7．8所示。

严格地讲，简化模型梁上的分布荷载应根据相应格构所处边坡位置上的岩土压力和设计锚固力确定，但对于某些边坡的岩土压力分布极其复杂，因此通常按最不利原则，用锚索的最大设计荷载T近似计算分布荷载P，即：

（7.5）

式中：

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（T1≥T2）。

如果T1=T2=T，则格构梁上的荷载均匀分布，有

p1=p2=p=T/l（7.6）

为了保证锚索在超张拉或边坡变形过程中格构梁的安全性，在设计计算时，常将T1，T2

乘以1．5的系数或直接采用锚索的极限荷载代入上式中进行计算。

按上述计算求得格构梁的荷载后，便可计算格构梁的内力，并按受弯构件考虑来验算格构梁的强度和进行配筋计算。

假设计算获得的格构梁的最大弯矩为

，截面尺寸为：

b，h；截面相对受压高度为

，截面有效高度为h0，混凝土安全系数γc=1．25，钢筋安全系数γs=1．25；计算步骤如下：

①计算最大配筋率

；最小配筋率为

。

②验算双筋的可能性：

如果

，按单筋截面进行设计；否则按双筋截面进行设计。

③单面配筋计算：

受压区高度：

配筋截面积：

配筋率：

弘=导

，配筋率应满足要求。

④配筋：

纵向受力钢筋按计算设置，构造筋按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》要求设置。

§7．2．4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，长度一般3～5m，全粘结灌浆。

若岩土体较为破碎和易溜滑时，可采用锚管加固，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Ⅱ级螺纹钢加工，长度一般4m以上，全粘结灌浆，并与格构钢筋笼点焊连接。

若岩土体较为破碎和易溜滑时，可采用锚管加固，锚管用φ50架管加工，全粘结灌浆，注浆压力一般为0．5～1．0MPa，同样应与格构钢筋笼点焊连接。

φ50架管设计拉拔力可取为100～140kN。

锚杆（管）均应穿过潜在滑动面。

如果是整体稳定性差或下滑力较大的滑坡时，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。

§7．3格构的施工

§7．3．1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。

§7．3．2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）用于浇注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。

§7．4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。

§7．4．1PC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。

PC格构加固技术的主要优点有：

（1）工厂制作的预制预应力混凝土强度高，无裂缝，有良好的耐久性，不需要在现场养护，因而是一种可靠性高、施工速度快的边坡加固方法；

（2）采用边向下开挖边坡、边锚固的逆作法施工顺序，避免了边坡长期暴露和处于不稳定状态，容易保证边坡的安全；

（3）锚索采用双层防腐结构，锚头采用了专门防锈措施，解决了锚固体的永久防腐问题，采用了可复拉的外锚头结构，解决了地层松动后的再张拉问题，结构耐久，便于维护管理；

（4）预制构件结构尺寸统一，外形美观，框格内可种植草本植物恢复生态，与环境相协调，符合21世纪高标准环境保护的要求。

预应力混凝土格构锚索的设计、施工工艺与混凝土格构类似。

PC格构的类型主要有4种型式：

十字形（C）、半正方形（SS）、正方形（S）和一字形（B），如图7．9所示，其技术参数见表7．1～7．3所示。

选定预应力混凝土框架主要从工程地质条件考虑，其基本的框架是十字形框架，当采用十字形框架有困难时再研究考虑其他类型。

半正方形框架是采用十字形框架坡面表层地基承载力不足时使用，而当采用半正方形框架坡面表层地基承载力仍然不足时，则要采用正方形框架。

正方形框架是构成全面板的要素，适用于具有崩塌性强的地质条件和坡面，或者担心十字形框架会出现抽心时使用，在坡面表层地基承载力不足、使用十字型框架预应力衰减严重时也十分有效。

另外，框架的选择还要综合考虑行人的安全、防火、防止崩蹋、外观、经济性、施工性等各种要素后加以确定。

例如，为了给予邻近的来往车辆和行人以安全感，采用正方形框架；或者靠近公路的坡面最下排以防止丢弃烟头引起边坡绿化工程火灾为目的，采用正方形框架。

§7．4．2QS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，在钢筋笼中喷射混凝土，从而在坡面上形成钢筋混凝土框架的一种加固方法。

该技术无论在现场的施工性能还是在构造强度上都具有明显的优势。

在急倾斜的坡面上架设箍筋是十分困难的，而且相当费时，QS框架的构件，是在工厂中生产出预先组装好箍筋的折叠式钢筋笼（如图7．10所示），然后把它运送到现场打开即可使用的一种具有优越施工性能的构件。

QS格构加固技术必要时采用锚杆或锚索等来进行补强，QS格构加固技术即使是用于带有地锚的框架坡面保护也是很适用、很经济以及施工性能有其独特之处。

QS格构加固技术的主要特点在于：

（1）格构构件在焊接表面处进行了表面处理，所以极少产生锈蚀现象，具有良好的耐久性能：

（2）格构构件作为焊接的金属网网状构造，在其间隙中预先装入了箍筋，因此，在现场具有

良好的施工性能；

（3）格构构件自重较轻，能任意变形，具有良好的作业性；

（4）由于所有的框架都是连续的，所以对岩体的崩坏的抵抗力增大；

（5）由于安装了φ4．0的空间定位筋，所以能保证下层钢筋和山体间的间隙，保证钢筋的保护层厚度；

（6）不需要模板；

（7）湿式喷射混凝土的发展使得QS格构加固技术的质量更有保证。

QS格构加固技术可用于滑坡治理工程、陡坡防护工程、堤坝斜面防护工程、灾害修复工程、基岩斜面绿化工程、人工基岩边坡加固工程、隧道洞口斜面防护工程以及道路、住宅等削被造成的边坡加固工程。

主要参考文献

1胡石友．新型框格护坡的设计与实践．地质灾害与环境保护．V0I．11，N0．2，2000

2杨重存．锚喷加固岩土边坡的理论计算与分析·岩土锚固技术的新进展．北京：

人民交通出版社．2000

3徐祯祥．软弱破碎岩体条件下的高边坡治理技术·岩土锚田技术的新进展．北京：

人民交通出版社．2000

4国家标准．三峡移民牵建区滑坡防治工程设计与施工技术规则．北京：

中国水利出版社，200l

5王英祖，高永涛等．某特殊路堑稳坡方案研究与应用·岩土锚固新技术．北京：

人民交通出版社．2000