装配式锚索格梁护坡结构设计技术研究

■保利长大工程有限公司 曹以灿 陈培冲 徐光波

近年来，随着装配式建筑在国内的大力发展，边坡防护技术也相应地做出了一系列的研究和改进，逐步向装配式结构方向发展，如预制植被型生态混凝土技术、预制竹筋多孔混凝土板、预制混凝土锚定板护面墙护坡、装配式锚杆框架护坡、预制块拱形骨架护坡等[1]-[4]。

但国内目前主要还是传统的现浇混凝土结构防护以及加固技术，虽然技术成熟，但工序复杂，耗时较长。边坡开挖卸载后增加了坡体的不稳定性，坡面长期暴露增加雨水浸润和冲刷的几率，对坡面和坡体的稳定性极为不利，实际工程中也经常出现由于附属边坡防护及加固工程的不及时而导致坡面冲刷、滑塌和垮塌等工程事故，因而预制锚索格构梁结构应运而生[5]，采用预制装配式格梁施工工艺，实现护坡结构构件的工厂化生产，节约人工劳动力消耗，减少环境扰动及污染，做到边坡工程的即时开挖、及时支护，削弱气候因素对边坡稳定性的影响，近年来被广泛应用于边坡加固工程[6]。但是，目前装配式锚索格梁护坡的方法仅依靠工程经验设计，并无统一设计标准及规范，本文在前人的研究基础上，进行了装配式锚索格构梁护坡结构的设计，在对依托工程原现浇格梁支护结构优化设计的基础上，开展装配式设计，重点对结构分解、节点局部加强、构件连接、结构整体平整度控制等装配式设计关键技术进行分析，最后应用于依托工程，验证了装配式格梁护坡设计参数、施工方法及工艺的合理性，可为边坡加固设计与施工提供参考。

1.锚索格梁护坡优化设计

本文通过深度的理论及数值模拟，结合工程实例对装配式锚索格梁护坡结构进行分析和结构性优化。

1.1 工程概况

所研究路堑于拟建大潮高速公路K12+670～K12+825处，长度约155m，最大边坡高度为53.68m，属于路堑高边坡，该路堑位于线路右侧，线路走向180°，边坡倾向90°。该边坡岩土体以全～强风化变质砂岩为主，边坡后缘较陡，存在76°顺倾结构。

该边坡的稳定性主要由以下几个因素控制：

一是线路以深挖方的形式，形成路堑高边坡，由于开挖方量较大，坡体开挖后地应力调整大，易形成较大的松弛区，从而导致边坡的稳定性降低。

二是构成本边坡主要岩土体粉质、砂质黏土和全～强风化岩组成。岩土体强度低，加之岩体风化强烈，存在边坡因自身强度不足产生失稳的可能。

三是边坡开挖后，在水作用下容易沿结构面产生岩崩塌、冲沟等边坡病害。原设计方案为现浇锚索格梁护坡，格梁截面为矩形截面，尺寸为0.4m×0.4m。

1.2 护坡结构的计算模型

此次理论分析及数值模拟主要依托Abaqus 进行。Abaqus 采用强度折减法进行边坡稳定性的计算，在Abaqus中强度折减法不需要人为确定滑动面，而是根据边坡中土体塑性应变的发展情况来确定，即土体以自身受力及抗剪强度来确定，因此更符合实际情况。Abaqus 中用强度折减法确定安全系数时，往往将土体变形突然增大或者塑性区贯通而无法收敛视为边坡发生破坏，该计算模型中坡面土体位移较小，所以将塑性区贯通视为边坡发生破坏，此时的折减系数即为安全系数。

本文主要采用M-C 模型进行计算分析，土体采用M-C模型，梁采用实体单元，锚索锚杆采用Abaqus 中的Beam单元系中的Truss 单元，根据工程地质及锚索格构梁资料，本计算模型采用的计算参数，如表1所示。

表1 模型参数

全断面削坡后，当采用原设计进行格构梁现浇时，施工工期长，所以本文采用分层削坡分步支护的方式进行护坡。具体的施工方案如图1所示。

该方案在施工时能够利用原边坡的稳定，进行及时削坡、及时支护。分步削坡、分步支护时，上面的边坡削坡后对下面边坡有减荷载作用，因此，下面边坡的稳定性会提高，此时只需要计算削坡的安全性系数，若临时削坡的安全性系数满足要求，则只需要对边坡进行适当护坡，或根据工程经验或规范对边坡进行一定安全系数的支护。

1.3 稳定性计算

此次计算选取了K12+700右侧断面按有限元强度折减法进行稳定性分析，验算采用的力学参数如表2所示。

锚索（杆）格构梁支护中，格构梁采用截面为0.3m× 0.3m 的C30钢筋，第一级边坡采用8.5m 长锚杆支护；第二级边坡采用24m 锚索（锚固长度10m）支护；第三级边坡采用26m 锚索（锚固长度10m）支护。根据强度折减法，对施工工序进行稳定性验算，经计算各施工过程均满足安全要求，其中，第一次削坡之后安全系数为1.49；第二次削坡锚索支护后安全系数为1.50；第三次削坡锚杆支护后安全系数为1.25，具体分步开挖边坡安全性计算结果如图2所示，边开挖边支护施工过程中安全系数如图3所示。

1.4 格构梁受力计算

由图3可见，整个过程边坡的安全系数均大于1。所以在计算锚索梁配筋时可直接按锚索预拉力值来计算，考虑到安全性，将锚索的预拉应力乘1.25的安全系数，此时格构梁承受锚索的拉力按最不利考虑为锚点处满布F=480×1.25=600kN（有限元计算中求得锚杆的最大拉力为602kN）。根据该值计算出格构梁最大弯矩及剪力分别为：101kN·m;113kN。

图1 施工方案示意图

表2 岩土的物理力学参数指标

图2 分步开挖时边坡潜在的滑动面

图3 施工过程中边坡安全系数变化情况

图4 梁截面及配筋示意图

对格构梁截面及配筋进行设计，如图4所示，结合混凝土设计规范，可以计算得出梁的极限弯矩设计值及极限抗剪设计值。

1.4.1 截面受弯验算

对于双筋矩形截面受弯构件正截面受弯计算,参照《混凝土结构设计原理》，有以下公式：

(2)横梁：与纵梁配筋相同。

1.4.2 截面受剪

纵横梁受剪破坏也需要重点考虑，根据《混凝土设计规范》，对梁受剪承载力验算有如下规定：

针对一般梁要满足：

所以：

计算得165.61kN>113kN，也满足配筋要求。

1.4.3 计算结果

按格构梁承受锚索拉力为600kN 时进行的格构梁截面及配筋的设计，经过验算后格构梁的最大剪力及弯矩均在梁承载力范围之内。

2.预制锚索格梁护坡结构设计

装配式锚索格构梁结构由预制节点构件、预制横梁构件、预制纵梁构件以及连接构件等四个部分组成。锚索格构梁结构示意图如图5所示。

其中，预制节点构件的混凝土强度等级为C40，其间预留有一个锚孔，锚孔里嵌有一个套筒，套筒的作用是防制锚索左右摆动，可能会损害预制构件，造成构件混凝土的剥落。预制节点构件呈十字形，每个伸长端各设置上下两个螺杆孔，螺杆孔孔径约为25mm。具体形式如图6所示，配筋参数应视具体工况进行计算设计。

螺栓连接构件由10mm ～20mm 厚的连接钢板、10mm 厚的压块以及直径约25mm 的螺杆以及相应的螺帽等几个部件组成，如图7所示。

格构横梁与纵梁构件的混凝土强度等级为C30，截面尺寸约为300mm×300mm。在构件的两端分别各预留两个孔径约为25mm 的螺杆孔，用于连接节点构件。

图5 锚索格构梁结构示意图

图6 预制节点构件示意图

图7 螺栓连接构件示意图

3.预制锚索格梁护坡结构关键技术

3.1 节点局部加强技术

节点构件的强度和刚度、构件之间连接的牢固程度和坡面的平整度是预制锚索格构梁护坡结构成功的关键。节点采用比格构横、纵梁C30要大的C40混凝土，同时保证良好的石子级配比、优质的细骨料和合格的水泥质量，一般可采用常规的喷淋覆盖养生。在特殊条件或紧急情况下推荐采用蒸汽养生，在90%以上的相对湿度、60 ℃以上温度的饱和水蒸气中养护，以加快水泥水化作用，使混凝土更快达到高强度。其次，可增加节点的配筋率，以解决锚索锚固引起应力集中的问题。

3.2 构件连接技术

构件之间连接的牢固程度直接关系到结构整体力学性能和加固性能，而连接方法的难易程度直接关系到结构安装的进度。用于边坡支护预制构件的连接不同于一般性装配式建筑物构件的连接，边坡上预制构件连接受到边坡岩土特性与刷坡挖槽等平整度的影响，构件之间很难做到精准对位，构件之间的连接必须能适应这种变化因素。为使构件之间的连接满足连接可靠性、连接简易性和连接灵活性等要求，构件间的连接采用螺栓连接的方法，构件间的连接如图7所示。

3.3 结构整体平整度控制

在坡面的清理过程中，必须保证坡面的平整度，要避免坡面的凹凸不平，方便基槽开挖和锚索张拉。边坡坡面不平整，会使构件之间连接出现上下错位和左右偏移，后浇连接处不容易支模板；统一张拉过程，预制纵向排水梁和横向排水梁会受力不均匀，在坡面凸的位置会应力集中，力通过预制构件的传递，加大了构件和后浇带结合面受力的复杂情况；地表不均匀，完全张拉后也会影响美观。

为保证地表的平整度，坡面修正时，要按照规范严格执行，确保坡面的平整度；基槽开挖时，槽底高的位置可以削去，过低的位置可以垫素混凝土或水泥砂浆找平。

4.工程应用

装配式锚索格梁护坡方法实现了装配式建筑在边坡支护中的应用，该方法可实现护坡结构构件的工厂化生产，节约人工劳动力消耗，减少环境扰动及污染，做到边坡工程的即时开挖、及时支护，削弱气候因素对边坡稳定性的影响。

工程应用表明，该装配式锚索格梁护坡结构可实现构件工厂化预制，现场无支架快速安装，边坡边开挖边支护，安全可靠，可供类似边坡加固参考。

5.结论

为响应国家大力推广装配式建筑发展的号召，运用有限元法在对依托工程原现浇格梁支护结构优化设计的基础上，开展装配式设计，重点对结构分解、节点局部加强、构件连接、结构整体平整度控制等装配式设计关键技术进行分析，最后应用于依托工程，得到如下结论。

(1)把格梁截面尺寸由现浇的400mm×400mm 优化为装配式的300mm×300mm，是安全可靠的；

(2)笔者提出的装配式格梁护坡结构受力合理且易于施工，既能满足结构护坡需要，又能达到高效、节能、绿色、环保的目的，具有较高的推广应用价值。

在施工过程中发现，本文提出的装配式护坡结构也存在格件重量过大的缺点，施工时需要大型吊机吊装，下一步可对装配式护坡结构进行轻型化和专门的装配式护坡结构施工设备研究。