■保利長大工程有限公司 曹以燦 陳培沖 徐光波

近年來，隨著裝配式建筑在國內的大力發(fā)展，邊坡防護技術也相應地做出了一系列的研究和改進，逐步向裝配式結構方向發(fā)展，如預制植被型生態(tài)混凝土技術、預制竹筋多孔混凝土板、預制混凝土錨定板護面墻護坡、裝配式錨桿框架護坡、預制塊拱形骨架護坡等[1]-[4]。

但國內目前主要還是傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土結構防護以及加固技術，雖然技術成熟，但工序復雜，耗時較長。邊坡開挖卸載后增加了坡體的不穩(wěn)定性，坡面長期暴露增加雨水浸潤和沖刷的幾率，對坡面和坡體的穩(wěn)定性極為不利，實際工程中也經常出現(xiàn)由于附屬邊坡防護及加固工程的不及時而導致坡面沖刷、滑塌和垮塌等工程事故，因而預制錨索格構梁結構應運而生[5]，采用預制裝配式格梁施工工藝，實現(xiàn)護坡結構構件的工廠化生產，節(jié)約人工勞動力消耗，減少環(huán)境擾動及污染，做到邊坡工程的即時開挖、及時支護，削弱氣候因素對邊坡穩(wěn)定性的影響，近年來被廣泛應用于邊坡加固工程[6]。但是，目前裝配式錨索格梁護坡的方法僅依靠工程經驗設計，并無統(tǒng)一設計標準及規(guī)范，本文在前人的研究基礎上，進行了裝配式錨索格構梁護坡結構的設計，在對依托工程原現(xiàn)澆格梁支護結構優(yōu)化設計的基礎上，開展裝配式設計，重點對結構分解、節(jié)點局部加強、構件連接、結構整體平整度控制等裝配式設計關鍵技術進行分析，最后應用于依托工程，驗證了裝配式格梁護坡設計參數、施工方法及工藝的合理性，可為邊坡加固設計與施工提供參考。

1.錨索格梁護坡優(yōu)化設計

本文通過深度的理論及數值模擬，結合工程實例對裝配式錨索格梁護坡結構進行分析和結構性優(yōu)化。

1.1 工程概況

所研究路塹于擬建大潮高速公路K12+670～K12+825處，長度約155m，最大邊坡高度為53.68m，屬于路塹高邊坡，該路塹位于線路右側，線路走向180°，邊坡傾向90°。該邊坡巖土體以全～強風化變質砂巖為主，邊坡后緣較陡，存在76°順傾結構。

該邊坡的穩(wěn)定性主要由以下幾個因素控制：

一是線路以深挖方的形式，形成路塹高邊坡，由于開挖方量較大，坡體開挖后地應力調整大，易形成較大的松弛區(qū)，從而導致邊坡的穩(wěn)定性降低。

二是構成本邊坡主要巖土體粉質、砂質黏土和全～強風化巖組成。巖土體強度低，加之巖體風化強烈，存在邊坡因自身強度不足產生失穩(wěn)的可能。

三是邊坡開挖后，在水作用下容易沿結構面產生巖崩塌、沖溝等邊坡病害。原設計方案為現(xiàn)澆錨索格梁護坡，格梁截面為矩形截面，尺寸為0.4m×0.4m。

1.2 護坡結構的計算模型

此次理論分析及數值模擬主要依托Abaqus 進行。Abaqus 采用強度折減法進行邊坡穩(wěn)定性的計算，在Abaqus中強度折減法不需要人為確定滑動面，而是根據邊坡中土體塑性應變的發(fā)展情況來確定，即土體以自身受力及抗剪強度來確定，因此更符合實際情況。Abaqus 中用強度折減法確定安全系數時，往往將土體變形突然增大或者塑性區(qū)貫通而無法收斂視為邊坡發(fā)生破壞，該計算模型中坡面土體位移較小，所以將塑性區(qū)貫通視為邊坡發(fā)生破壞，此時的折減系數即為安全系數。

本文主要采用M-C 模型進行計算分析，土體采用M-C模型，梁采用實體單元，錨索錨桿采用Abaqus 中的Beam單元系中的Truss 單元，根據工程地質及錨索格構梁資料，本計算模型采用的計算參數，如表1所示。

表1 模型參數

全斷面削坡后，當采用原設計進行格構梁現(xiàn)澆時，施工工期長，所以本文采用分層削坡分步支護的方式進行護坡。具體的施工方案如圖1所示。

該方案在施工時能夠利用原邊坡的穩(wěn)定，進行及時削坡、及時支護。分步削坡、分步支護時，上面的邊坡削坡后對下面邊坡有減荷載作用，因此，下面邊坡的穩(wěn)定性會提高，此時只需要計算削坡的安全性系數，若臨時削坡的安全性系數滿足要求，則只需要對邊坡進行適當護坡，或根據工程經驗或規(guī)范對邊坡進行一定安全系數的支護。

1.3 穩(wěn)定性計算

此次計算選取了K12+700右側斷面按有限元強度折減法進行穩(wěn)定性分析，驗算采用的力學參數如表2所示。

錨索（桿）格構梁支護中，格構梁采用截面為0.3m× 0.3m 的C30鋼筋，第一級邊坡采用8.5m 長錨桿支護；第二級邊坡采用24m 錨索（錨固長度10m）支護；第三級邊坡采用26m 錨索（錨固長度10m）支護。根據強度折減法，對施工工序進行穩(wěn)定性驗算，經計算各施工過程均滿足安全要求，其中，第一次削坡之后安全系數為1.49；第二次削坡錨索支護后安全系數為1.50；第三次削坡錨桿支護后安全系數為1.25，具體分步開挖邊坡安全性計算結果如圖2所示，邊開挖邊支護施工過程中安全系數如圖3所示。

1.4 格構梁受力計算

由圖3可見，整個過程邊坡的安全系數均大于1。所以在計算錨索梁配筋時可直接按錨索預拉力值來計算，考慮到安全性，將錨索的預拉應力乘1.25的安全系數，此時格構梁承受錨索的拉力按最不利考慮為錨點處滿布F=480×1.25=600kN（有限元計算中求得錨桿的最大拉力為602kN）。根據該值計算出格構梁最大彎矩及剪力分別為：101kN·m;113kN。

圖1 施工方案示意圖

表2 巖土的物理力學參數指標

圖2 分步開挖時邊坡潛在的滑動面

圖3 施工過程中邊坡安全系數變化情況

圖4 梁截面及配筋示意圖

對格構梁截面及配筋進行設計，如圖4所示，結合混凝土設計規(guī)范，可以計算得出梁的極限彎矩設計值及極限抗剪設計值。

1.4.1 截面受彎驗算

對于雙筋矩形截面受彎構件正截面受彎計算,參照《混凝土結構設計原理》，有以下公式：

(2)橫梁：與縱梁配筋相同。

1.4.2 截面受剪

縱橫梁受剪破壞也需要重點考慮，根據《混凝土設計規(guī)范》，對梁受剪承載力驗算有如下規(guī)定：

針對一般梁要滿足：

所以：

計算得165.61kN>113kN，也滿足配筋要求。

1.4.3 計算結果

按格構梁承受錨索拉力為600kN 時進行的格構梁截面及配筋的設計，經過驗算后格構梁的最大剪力及彎矩均在梁承載力范圍之內。

2.預制錨索格梁護坡結構設計

裝配式錨索格構梁結構由預制節(jié)點構件、預制橫梁構件、預制縱梁構件以及連接構件等四個部分組成。錨索格構梁結構示意圖如圖5所示。

其中，預制節(jié)點構件的混凝土強度等級為C40，其間預留有一個錨孔，錨孔里嵌有一個套筒，套筒的作用是防制錨索左右擺動，可能會損害預制構件，造成構件混凝土的剝落。預制節(jié)點構件呈十字形，每個伸長端各設置上下兩個螺桿孔，螺桿孔孔徑約為25mm。具體形式如圖6所示，配筋參數應視具體工況進行計算設計。

螺栓連接構件由10mm ～20mm 厚的連接鋼板、10mm 厚的壓塊以及直徑約25mm 的螺桿以及相應的螺帽等幾個部件組成，如圖7所示。

格構橫梁與縱梁構件的混凝土強度等級為C30，截面尺寸約為300mm×300mm。在構件的兩端分別各預留兩個孔徑約為25mm 的螺桿孔，用于連接節(jié)點構件。

圖5 錨索格構梁結構示意圖

圖6 預制節(jié)點構件示意圖

圖7 螺栓連接構件示意圖

3.預制錨索格梁護坡結構關鍵技術

3.1 節(jié)點局部加強技術

節(jié)點構件的強度和剛度、構件之間連接的牢固程度和坡面的平整度是預制錨索格構梁護坡結構成功的關鍵。節(jié)點采用比格構橫、縱梁C30要大的C40混凝土，同時保證良好的石子級配比、優(yōu)質的細骨料和合格的水泥質量，一般可采用常規(guī)的噴淋覆蓋養(yǎng)生。在特殊條件或緊急情況下推薦采用蒸汽養(yǎng)生，在90%以上的相對濕度、60 ℃以上溫度的飽和水蒸氣中養(yǎng)護，以加快水泥水化作用，使混凝土更快達到高強度。其次，可增加節(jié)點的配筋率，以解決錨索錨固引起應力集中的問題。

3.2 構件連接技術

構件之間連接的牢固程度直接關系到結構整體力學性能和加固性能，而連接方法的難易程度直接關系到結構安裝的進度。用于邊坡支護預制構件的連接不同于一般性裝配式建筑物構件的連接，邊坡上預制構件連接受到邊坡巖土特性與刷坡挖槽等平整度的影響，構件之間很難做到精準對位，構件之間的連接必須能適應這種變化因素。為使構件之間的連接滿足連接可靠性、連接簡易性和連接靈活性等要求，構件間的連接采用螺栓連接的方法，構件間的連接如圖7所示。

3.3 結構整體平整度控制

在坡面的清理過程中，必須保證坡面的平整度，要避免坡面的凹凸不平，方便基槽開挖和錨索張拉。邊坡坡面不平整，會使構件之間連接出現(xiàn)上下錯位和左右偏移，后澆連接處不容易支模板；統(tǒng)一張拉過程，預制縱向排水梁和橫向排水梁會受力不均勻，在坡面凸的位置會應力集中，力通過預制構件的傳遞，加大了構件和后澆帶結合面受力的復雜情況；地表不均勻，完全張拉后也會影響美觀。

為保證地表的平整度，坡面修正時，要按照規(guī)范嚴格執(zhí)行，確保坡面的平整度；基槽開挖時，槽底高的位置可以削去，過低的位置可以墊素混凝土或水泥砂漿找平。

4.工程應用

裝配式錨索格梁護坡方法實現(xiàn)了裝配式建筑在邊坡支護中的應用，該方法可實現(xiàn)護坡結構構件的工廠化生產，節(jié)約人工勞動力消耗，減少環(huán)境擾動及污染，做到邊坡工程的即時開挖、及時支護，削弱氣候因素對邊坡穩(wěn)定性的影響。

工程應用表明，該裝配式錨索格梁護坡結構可實現(xiàn)構件工廠化預制，現(xiàn)場無支架快速安裝，邊坡邊開挖邊支護，安全可靠，可供類似邊坡加固參考。

5.結論

為響應國家大力推廣裝配式建筑發(fā)展的號召，運用有限元法在對依托工程原現(xiàn)澆格梁支護結構優(yōu)化設計的基礎上，開展裝配式設計，重點對結構分解、節(jié)點局部加強、構件連接、結構整體平整度控制等裝配式設計關鍵技術進行分析，最后應用于依托工程，得到如下結論。

(1)把格梁截面尺寸由現(xiàn)澆的400mm×400mm 優(yōu)化為裝配式的300mm×300mm，是安全可靠的；

(2)筆者提出的裝配式格梁護坡結構受力合理且易于施工，既能滿足結構護坡需要，又能達到高效、節(jié)能、綠色、環(huán)保的目的，具有較高的推廣應用價值。

在施工過程中發(fā)現(xiàn)，本文提出的裝配式護坡結構也存在格件重量過大的缺點，施工時需要大型吊機吊裝，下一步可對裝配式護坡結構進行輕型化和專門的裝配式護坡結構施工設備研究。