邊坡工程中支護結(jié)構(gòu)形式淺析

張凱封

[摘要]對邊坡支擋結(jié)構(gòu)的多種形式的機理、優(yōu)勢進行了概要描述和分析，對國內(nèi)各種支護結(jié)構(gòu)形式的最新研究成果進行了綜述，新材料、新工藝以及新技術(shù)的發(fā)展對邊坡工程治理帶來的巨大幫助進行了展望，總結(jié)邊坡治理中應(yīng)結(jié)合實際工程情況，有針對性地選用多種支護方法，經(jīng)濟、有效的完成邊坡治理。

[關(guān)鍵詞]邊坡支護； 結(jié)構(gòu)形式； 機理描述

[中國分類號]TU751+.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標(biāo)志碼]A

0引言

邊坡工程問題一直是我國工程項目建設(shè)的薄弱環(huán)節(jié)，前期我國由于經(jīng)濟與技術(shù)的限制，邊坡工程問題未得到有效整治。為確保諸如建筑邊坡支護、道路高邊坡支護以及工程地質(zhì)災(zāi)害等邊坡工程問題能夠妥善解決，就必須深入探討邊坡工程中結(jié)構(gòu)形式的原理。

1支護形式

1.1放坡

放坡，其核心便是控制邊坡高度與邊坡坡度，而不需要對邊坡進行支護就能使邊坡穩(wěn)定的方案。這是歷史上邊坡處理中最古老與最傳統(tǒng)的方法，但同時也是最經(jīng)濟與最方便的方法，更是需要優(yōu)先采用的方法。選擇此支護形式時，需要考慮實際的地質(zhì)特點，做好施工技術(shù)可行性分析，確保方案的順利執(zhí)行。

1.2噴錨支護

噴錨支護指的是噴射混凝土、掛鋼筋網(wǎng)以及錨桿支護。噴錨支護首先是在巖體外通過鉆孔將錨桿植入孔中，往往配有錨具或水泥砂漿。因為是利用空氣壓縮機加壓將混凝土通過噴槍噴出，所以出口處具有很高的速度，混凝土可以填充土體裂隙。土體裂隙中的混凝土，擁有高粘結(jié)力、高摩擦力，能夠起到“楔子”作用，使土體更加完整的同時阻止了土層間的相對運動。與此同時，土體面層的混凝土隔離了土層與空氣、水的接觸，杜絕了風(fēng)化潮解而引起的土層剝離情況。

與其他支護形式相比，噴錨支護技術(shù)的優(yōu)勢理論是噴錨支護充分發(fā)揮了錨桿高抗拉強度、混凝土高抗壓能力的優(yōu)勢。施工優(yōu)點是其造價較低、工程較占地較少、施工迅速、穩(wěn)定性好等。張路青等［1］提出錨噴結(jié)構(gòu)的一種綠化新方法，提供給植物生長的空間（包括綠化槽、綠化盆等）與噴錨支護是相分離的，但在2方面又有所聯(lián)系：第一，借助于錨桿和噴射混凝土來固定栽種植物所需的設(shè)施；第二，通過布置在錨噴結(jié)構(gòu)上的排水孔為植物供水。對于這一相互分離的綠化方法，既保證足夠的植物生長空間、水分和營養(yǎng)，又可避免植物根系及分泌物對錨噴結(jié)構(gòu)的潛在損害。

1.3格構(gòu)錨桿

在格構(gòu)錨桿的治理理念中考慮了支護以及綠化，即同時考慮了工程、環(huán)保的意義。其核心理論是：錨桿貫穿潛在破裂面錨固于堅硬的基巖中，為邊坡的穩(wěn)定提供較大的抗拔力，而格構(gòu)能阻擋不穩(wěn)定巖層的下滑，并將下滑力傳遞給錨桿，與此同時格構(gòu)具有的剛度能夠使多排錨桿協(xié)同工作，控制邊坡變形，提高邊坡穩(wěn)定性。董建華等［2］考慮了土體與結(jié)構(gòu)的性質(zhì)及相互作用，建立了框架預(yù)應(yīng)力錨桿邊坡支護結(jié)構(gòu)動力計算模型。陳春麗等［3］，通過物理模型實驗對格構(gòu)錨桿體系的力學(xué)抗滑機制進行了揭示。

1.4擋土墻

擋土墻分為重力式、懸臂式以及扶壁式擋土墻。重力式擋土墻指依靠本身重力抵抗土壓力，其優(yōu)點是取材容易、工藝簡單、經(jīng)濟性好；缺點是自重大、對地基承載力要求高，不適宜在軟弱下臥層的地基以及邊坡較高的情況下修建。

當(dāng)?shù)鼗休d力較低時，多采用懸臂式、扶壁式擋土墻。該擋土墻的穩(wěn)定性主要是借助墻踵懸臂上面的土重量予以維持的。在施工的時候懸臂式擋土墻內(nèi)部放置鋼筋，以更好地承受拉應(yīng)力，所以擋土墻的墻身截面更小。

黨發(fā)寧等［4］通過將所提公式的計算結(jié)果與模型試驗結(jié)果對比分析，得出結(jié)論：當(dāng)擋土墻產(chǎn)生水平平動位移、繞墻腳的轉(zhuǎn)動位移和水平平動+繞墻腳轉(zhuǎn)動組合位移時，土壓力分布均呈非線性分布，且不同位移下土壓力隨墻深度的計算值與實測值基本一致，說明提出的有限位移條件下土壓力的計算式能夠很好地應(yīng)用在實際工程的擋土墻設(shè)計中。林慶濤等［5］通過將土拱效應(yīng)原理引入顧慰慈建立的空間土壓力計算模型，建立考慮土拱效應(yīng)的空間土壓力計算模型，建立各微分單元體的水平和豎向靜力平衡方程，推導(dǎo)出各區(qū)域相應(yīng)的擋土墻空間主動土壓力計算公式，該公式可以計算出墻背任意位置的主動土壓力；并提出空間土壓力合力及其合力作用點的計算方法。

1.5抗滑樁

抗滑樁是當(dāng)前邊坡治理的常用措施之一?？够瑯兜脑O(shè)計理念是利用土體的自身結(jié)構(gòu)與差異變形形成的土拱將邊坡的下滑力傳遞到樁身，以此完成設(shè)計。設(shè)計人員在設(shè)計時，通常應(yīng)先使樁的抗滑力與剩余下滑力相平衡，再考慮土拱效應(yīng)的影響，對樁尺寸、樁間距進行設(shè)計。章為民等［6］分析比較不同截面形式的實心樁與薄壁管樁的阻滑效率。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對于實心樁，在截面面積相同的條件下，傳統(tǒng)圓樁的阻滑力和截面剛度在各種樁型中均為最小，表明水平受力的實心圓樁并非最優(yōu)的設(shè)計選擇。而對于薄壁管樁，在相同周長、相同壁厚的條件下，圓形管樁的截面阻力相對增長較大，且截面剛度最強，是一個合理的設(shè)計選擇。王貴華等［7］基于MATLAB平臺編寫了改進算法的計算程序，將改進算法與傳統(tǒng)算法應(yīng)用于2個滑坡實例的計算中，并通過數(shù)值模擬與監(jiān)測數(shù)據(jù)分別對計算結(jié)果進行對比分析。結(jié)果表明：改進算法相比傳統(tǒng)算法準(zhǔn)確性更高，且改進算法得到的樁身變形及內(nèi)力均小于傳統(tǒng)算法，證明傳統(tǒng)算法的設(shè)計偏于保守，會導(dǎo)致工程造價偏高。

1.6樁基托梁擋土墻

當(dāng)土層厚度較大，其地基承載力較小時，若選擇的擋土墻難以滿足其需要的地基承載力，此時可以采用樁基托梁；另一典型應(yīng)用場景是陡峻路段，若選擇擋土墻進行支擋，則墻趾距離地面的水平距離與墻趾埋深無法滿足;此時若選擇抗滑樁，則造價較高，可選擇使用樁基托梁。樁頂擋土墻的形式可以選擇懸臂式、扶壁式擋土墻以及重力式擋土墻。樁基托梁擋土墻的使用解決了陡坡地段墻趾距離地面的水平距離不足以及填土地段擋土墻基底承載力不足的情況，降低了墻身高度。唐秋元等［8］對樁基托梁等多種混合支擋結(jié)構(gòu)在高陡邊坡中的使用進行了描述。蔣麗影等［9］結(jié)合高邊坡實例將支擋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題轉(zhuǎn)化為強度問題，提出先進行擋土墻墻頂以上邊坡穩(wěn)定性分析計算，然后將樁基立柱及預(yù)應(yīng)力錨定拉桿按樁-錨支護體系計算，再進行擋土墻計算，最后完成托梁、錨定墻等結(jié)構(gòu)的計算。謝康等［10］提出了雙排樁基懸臂式擋土墻設(shè)計的高寬比建議值為1.6～2.0，結(jié)構(gòu)橫向樁間距建議值為3～4倍樁徑，縱向樁間距建議值為3～5倍樁徑，同時提出了適用于雙排樁基懸臂式擋土墻土壓力計算方法建議：黏性土采用庫侖理論，砂性土采用郎金理論計算土壓力。

1.7加筋土擋墻

擋土板、拉筋和填土是加筋土擋土墻的主要組成部分。這種擋土墻是一種具有增加土壤強度的特性，它通過拉結(jié)筋可以有效地增加土壤的摩擦，從而提高邊坡的穩(wěn)定性。與其它支護形式相比加筋土擋墻的施工容易、占地面積小，工程造價低等優(yōu)點，經(jīng)常用于缺乏材料的工程項目區(qū)域，但其對工藝要求較高。韓華欣等［11］基于既有土工合成材料筋材蠕變試驗結(jié)果及蠕變特性分析，構(gòu)建一種考慮蠕變-溫度耦合效應(yīng)的筋材本構(gòu)模型，并利用二維瞬態(tài)熱傳導(dǎo)方程，建立計算加筋土擋墻溫度的有限差分公式，進而確定加筋土擋墻溫度并結(jié)合筋材本構(gòu)模型計算面板水平位移和筋材最大應(yīng)變，綜合分析了初始溫度、溫度幅值、筋材層間距、墻頂超載、填土內(nèi)摩擦角和導(dǎo)熱率等因素對擋墻水平位移和筋材應(yīng)變的影響。張埡、汪磊等［12］通過數(shù)值模擬，分析了面板傾角的作用機理主要是通過對潛在滑動面附近的土單元應(yīng)力狀態(tài)與滑動楔形體的平衡2個方面，確定了影響筋材內(nèi)力的2個關(guān)鍵因素：填土豎向土壓力與面板基底水平摩擦阻力。

2邊坡治理發(fā)展前景

新材料和新構(gòu)件的不斷開發(fā)和應(yīng)用，多種支護形式的組合使用將會應(yīng)用到邊坡的治理過程中，為邊坡的穩(wěn)定性帶來巨大提升。另外隨著BIM、GIS等技術(shù)的發(fā)展可以將邊坡地質(zhì)信息進行有效的管理，將輔助設(shè)計人員進行方案的更優(yōu)選擇，未來的GPS、光電等技術(shù)的迅速發(fā)展將優(yōu)化邊坡的監(jiān)測技術(shù)，為邊坡的施工安全提供更大保障。

3結(jié)束語

邊坡工程的治理是一個綜合治理的過程，設(shè)計人員需要找到影響邊坡穩(wěn)定的主導(dǎo)因素，并根據(jù)工程的實際情況選擇具有針對性的治理設(shè)計方案，即針對每個邊坡的特點，在不同地方采用不同的邊坡支護形式。綜合考慮預(yù)算、施工難度等因素，有主次的對邊坡進行治理，只有做到既有主體工程，又有輔助工程，這樣才能經(jīng)濟、有效地完成邊坡的治理。從邊坡工程支護形式發(fā)展的趨勢看，仍然存在較多問題，但也充分體現(xiàn)新的支護結(jié)構(gòu)形式具有足夠廣闊的發(fā)展舞臺。

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