鄭靜 安孟康 蘇俊霞 甄作林

（中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，蘭州 730000）

近些年來(lái)，我國(guó)進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，鐵路、公路向山區(qū)延伸，水電、市政工程也大量興建，形成了大量的高邊坡［1］，錨桿（索）框架作為輕型工程治理措施得到廣泛應(yīng)用，工程技術(shù)人員也進(jìn)行了相應(yīng)的研究和總結(jié)。林瑋等［2］采用數(shù)值仿真方法研究了預(yù)應(yīng)力錨桿框架梁支護(hù)體系中框架梁的受力特點(diǎn)，框架梁的彎矩在錨頭處最大，在相同土質(zhì)條件和同一錨固預(yù)應(yīng)力作用下坡腳處框架梁的彎矩要高于坡頂。董建華等［3］針對(duì)深基坑工程在施工場(chǎng)地狹窄和土質(zhì)松散地區(qū)施工時(shí)遇到的難題，提出了框架預(yù)應(yīng)力錨桿微型鋼管樁聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)，并對(duì)其結(jié)構(gòu)工作機(jī)制進(jìn)行詳細(xì)探討。韓愛(ài)民等［4］通過(guò)數(shù)值模擬并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與測(cè)試，對(duì)預(yù)應(yīng)力錨桿框架梁支護(hù)體系加固邊坡的力學(xué)行為進(jìn)行了研究，結(jié)果表明預(yù)應(yīng)力錨桿框架梁的支護(hù)力學(xué)性狀表現(xiàn)出張拉和穩(wěn)定工作2個(gè)階段，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮位于坡腳附近的框架梁與錨桿的內(nèi)力在穩(wěn)定工作階段有所上升的不利影響。廖文斌等［5］依據(jù)對(duì)膨脹土高邊坡上錨桿框架梁后土壓力的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，定量分析了降雨對(duì)梁后土壓力的影響。周宏元等［6］通過(guò)對(duì)預(yù)應(yīng)力錨桿框架梁加固邊坡應(yīng)用實(shí)例的分析，認(rèn)為土質(zhì)和軟巖路塹邊坡采用坡腳墻和預(yù)應(yīng)力錨桿框架輕型支護(hù)結(jié)構(gòu)可有效降低邊坡高度，保證邊坡穩(wěn)定。曹興松等［7］通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)對(duì)多級(jí)錨桿框架梁上坡體壓力分布和各級(jí)框架梁受力進(jìn)行了研究，得出各級(jí)坡框架梁上坡體壓力整體均呈現(xiàn)出中間大兩端小的特點(diǎn)。楊明等［8］利用Winkler地基模型分析了錨索框架的受力特征，提出了錨索框架的彈性地基梁計(jì)算模式。

現(xiàn)有的錨桿（索）框架都是現(xiàn)澆施工，以上的研究也都是在現(xiàn)澆混凝土框架梁的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，但現(xiàn)澆支模、澆注、養(yǎng)護(hù)等工序花費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)，錨桿（索）的張拉鎖定須等混凝土框架梁達(dá)到一定設(shè)計(jì)強(qiáng)度后方可進(jìn)行。而在高邊坡和滑坡地質(zhì)災(zāi)害治理中，如何讓錨桿（索）框架盡快受力發(fā)揮作用，盡早控制地質(zhì)災(zāi)害發(fā)展，是減少地質(zhì)災(zāi)害損失、經(jīng)濟(jì)合理治理的前提。針對(duì)這種情況，本文通過(guò)分析提出預(yù)制混凝土拼裝式錨桿（索）框架結(jié)構(gòu)，以期達(dá)到邊坡和滑坡病害快速治理的目的。

1 拼裝式錨桿（索）框架結(jié)構(gòu)

錨桿（索）框架結(jié)構(gòu)受力理論研究和數(shù)值模擬的結(jié)果表明，橫梁與豎肋的受力相似，節(jié)點(diǎn)部位（錨固點(diǎn)）橫梁與豎肋的彎矩和剪力最大，跨中部位剪力為0，當(dāng)邊坡為土和軟巖時(shí)跨中彎矩很?。?-9］，邊坡為硬巖時(shí)跨中彎矩基本為0。根據(jù)錨桿（索）框架的這種受力特點(diǎn)，從減輕預(yù)制混凝土梁的重量、方便現(xiàn)場(chǎng)拼裝施工的角度考慮，以預(yù)制鋼筋混凝土單向（高度方向）變截面倒T形梁、單向（高度方向）變截面矩形梁、帶翼緣的雙向（高度、寬度方向）變截面矩形梁為基本構(gòu)件（圖1），拼裝組合形成圖2所示的3種單節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。將單節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)豎肋與豎肋、橫梁與橫梁相互連接，就形成拼裝式錨桿（索）框架，如圖3所示。

圖1 預(yù)制鋼筋混凝土梁基本構(gòu)件

圖2 拼裝組合形成的單節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

圖3 Ⅰ型拼裝式錨桿（索）框架

由于框架跨中基本不受力，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)可先將梁端預(yù)留鋼筋焊接，再采用細(xì)石混凝土澆注或預(yù)留孔采用螺栓連接，連接較簡(jiǎn)單。關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題是節(jié)點(diǎn)處縱橫梁的拼裝，豎肋與橫梁在節(jié)點(diǎn)處相互咬合，可以采用高強(qiáng)度水泥漿灌注結(jié)合縫，以提高結(jié)構(gòu)的受力性能。拼裝式錨桿（索）框架和現(xiàn)澆錨桿（索）框架相比，施工工期可減少約30 d，框架梁的質(zhì)量也相應(yīng)減輕。

2 試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

通過(guò)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的預(yù)制、拼裝以確定合理的施工工藝。通過(guò)結(jié)構(gòu)的受力和變形測(cè)試，分析拼裝結(jié)構(gòu)的受力和變形特征，確定實(shí)際承載能力。通過(guò)觀察結(jié)構(gòu)破壞形式、受力易損部位和分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，有針對(duì)性地進(jìn)行結(jié)構(gòu)的改進(jìn)與完善，從而形成輕型化、簡(jiǎn)單可靠的結(jié)構(gòu)系列。

3 試驗(yàn)場(chǎng)地概況

試驗(yàn)場(chǎng)地位于四川綿陽(yáng)一工地，場(chǎng)地為低山丘陵地貌，場(chǎng)區(qū)位于兩丘陵低山間平緩坡地。地層為殘坡積層、坡洪積層和下伏白堊系七曲寺組泥巖地層。殘坡積層主要為粉質(zhì)黏土，磚紅色、紫紅色，主要由泥巖風(fēng)化形成，含少量碎石。坡洪積層為粉質(zhì)黏土，褐黃色，含氧化鐵和氧化錳。白堊系七曲寺組地層為泥巖及粉砂質(zhì)泥巖，磚紅、紫紅色，夾灰白色、青灰色團(tuán)塊及條帶，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，局部夾角礫及巖屑，薄～中層狀構(gòu)造，強(qiáng)～中風(fēng)化。其中強(qiáng)風(fēng)化泥巖巖質(zhì)極軟，勘探攪動(dòng)呈土狀，角礫狀；中風(fēng)化泥巖質(zhì)地較軟，完整性較好，巖芯多呈柱狀。

4 試驗(yàn)與結(jié)果分析

根據(jù)錨桿（索）框架跨中基本不受力，單節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)為一相對(duì)獨(dú)立受力單元的這種特點(diǎn)，選取各型拼裝單節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)張拉加載試驗(yàn)。

4.1 Ⅰ型拼裝式結(jié)構(gòu)

4.1.1 結(jié)構(gòu)尺寸

Ⅰ型拼裝式框架梁設(shè)計(jì)跨度3.0 m，預(yù)制構(gòu)件長(zhǎng)2.9 m（預(yù)留跨中連接段），橫梁構(gòu)件截面0.4 m（寬）×0.2 m（高）～0.4 m（寬）×0.25 m（高），豎肋倒T型梁構(gòu)件0.5 m（寬）×0.2 m（高）～0.5 m（寬）×0.45 m（高），翼緣板厚0.12 m，梁肋寬0.2 m。采用HRB400鋼筋配筋，C30混凝土澆注，構(gòu)件預(yù)制完成后，須灑水養(yǎng)護(hù)28 d方可拼裝。

4.1.2 儀器設(shè)備與測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)選擇在中風(fēng)化泥巖坡面上進(jìn)行，泥巖受節(jié)理切割呈塊狀，節(jié)理面為土所充填，邊坡坡面較陡。試驗(yàn)主要采用OVM?250型穿心千斤頂和油泵進(jìn)行張拉加載試驗(yàn)，百分表量測(cè)變形。具體測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

4.1.3 試驗(yàn)加載

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載600 kN，試驗(yàn)采用分級(jí)張拉加載，每一級(jí)荷載200 kN，待百分表讀數(shù)穩(wěn)定后，施加下一級(jí)荷載，直至結(jié)構(gòu)破壞或位移增大而荷載無(wú)法增加。張拉至1 000 kN，試驗(yàn)終止。當(dāng)時(shí)未見(jiàn)結(jié)構(gòu)破壞產(chǎn)生的裂縫，但在試驗(yàn)結(jié)束后的第15 d，現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)框架節(jié)點(diǎn)的下部有3條張性裂縫。

圖4 框架位移測(cè)點(diǎn)布置示意（單位：cm）

4.1.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

Ⅰ型拼裝式錨桿（索）框架結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)位移見(jiàn)表1。

表1 Ⅰ型拼裝式錨桿（索）框架結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)位移mm

由表1可知，節(jié)點(diǎn)附近測(cè)點(diǎn)A2和測(cè)點(diǎn)A5的位移大于同一構(gòu)件上其他部位的位移，這與理論研究和數(shù)值模擬結(jié)果相一致［8］，但測(cè)點(diǎn)位移的對(duì)稱(chēng)性不好，除了與百分表的安裝固定有關(guān)外，與坡面泥巖風(fēng)化不均也有關(guān)。橫梁的位移大于豎肋，主要是橫梁的剛度小于豎肋。結(jié)構(gòu)在最大荷載1 000 kN時(shí)最大位移為14.71 mm，最大荷載800 kN時(shí)最大位移為12.12 mm，由此可見(jiàn)拼裝結(jié)構(gòu)整體位移不大，可滿(mǎn)足邊坡加固使用要求。試驗(yàn)張拉加載至1 000 kN，在試驗(yàn)結(jié)束數(shù)天后發(fā)現(xiàn)框架節(jié)點(diǎn)處有張性裂縫。這一方面說(shuō)明在中風(fēng)化泥巖這種地基承載力較大的坡面，框架結(jié)構(gòu)可以承載更大的荷載，但另一方面也說(shuō)明在風(fēng)化不均的坡面，若加載持時(shí)不夠長(zhǎng)，框架結(jié)構(gòu)可能會(huì)破壞滯后。按結(jié)構(gòu)破壞的上一級(jí)荷載并考慮加載持時(shí)不夠長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致破壞滯后，確定Ⅰ型拼裝式錨桿（索）框架結(jié)構(gòu)在中風(fēng)化泥巖坡面的承載力為800 kN。

4.2 Ⅱ-1型拼裝式框架結(jié)構(gòu)

4.2.1 結(jié)構(gòu)尺寸

根據(jù)Ⅰ型拼裝式錨桿（索）框架試驗(yàn)結(jié)果，構(gòu)件承載力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，但存在單根構(gòu)件較重（單根豎肋構(gòu)件質(zhì)量達(dá)800 kg/根，單根橫梁構(gòu)件質(zhì)量達(dá)648 kg/根），拼裝需要借助吊車(chē)進(jìn)行，限制了其使用范圍。且橫梁和豎肋底部不在同一平面上，施工時(shí)必須預(yù)先設(shè)計(jì)基礎(chǔ)高度差，增加了施工的難度。

針對(duì)以上問(wèn)題，在Ⅰ型拼裝式錨桿（索）框架基礎(chǔ)上，根據(jù)彎矩、剪力沿梁身長(zhǎng)度變化規(guī)律，把預(yù)制構(gòu)件更改為雙向變截面梁，即在滿(mǎn)足抗彎、抗剪要求的條件下，盡量減少截面面積，從而減小構(gòu)件質(zhì)量；同時(shí)，為了滿(mǎn)足梁底地基承載力要求，在橫梁和豎肋底部節(jié)點(diǎn)附近設(shè)計(jì)了翼緣（見(jiàn)圖2（b）），并將豎肋和橫梁底面設(shè)計(jì)為同一平面。單根預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量為120 kg，可由4名工人抬移進(jìn)行拼裝。

Ⅱ?1型拼裝式框架梁設(shè)計(jì)跨度3.0 m，預(yù)制構(gòu)件長(zhǎng)3.0 m，橫梁、豎肋構(gòu)件截面0.1 m（寬）×0.1 m（高）～0.2 m（寬）×0.35 m（高），在節(jié)點(diǎn)兩側(cè)0.75 m范圍內(nèi)設(shè)翼緣以增加梁底寬度至0.3 m，翼緣板厚0.1 m，設(shè)計(jì)荷載500 kN，具體見(jiàn)圖5。

圖5 Ⅱ?1型拼裝式框架結(jié)構(gòu)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

4.2.2 儀器設(shè)備與測(cè)點(diǎn)布置

構(gòu)件預(yù)制、儀器設(shè)備與測(cè)點(diǎn)布置同Ⅰ型拼裝式結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)選擇在坡、洪積粉質(zhì)黏土坡面上進(jìn)行。

4.2.3 試驗(yàn)加載

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載500 kN，試驗(yàn)采用分級(jí)張拉加載，每一級(jí)荷載100 kN，待百分表讀數(shù)穩(wěn)定后，再施加下一級(jí)荷載，直至結(jié)構(gòu)破壞或位移增大而荷載無(wú)法增加。試驗(yàn)張拉至612 kN時(shí)因框架節(jié)點(diǎn)附近出現(xiàn)裂縫，荷載無(wú)法維持而終止試驗(yàn)，見(jiàn)圖6。

圖6 Ⅱ?1型拼裝式錨桿（索）框架構(gòu)件節(jié)點(diǎn)擠裂變形

4.2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

由于試驗(yàn)坡體在試驗(yàn)之前產(chǎn)生坍塌，后用挖機(jī)清理出錨索并拼裝框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)。在試驗(yàn)張拉加載過(guò)程中拼裝結(jié)構(gòu)整體向上位移，因而造成框架梁位移觀測(cè)數(shù)據(jù)不完整，但試驗(yàn)張拉加載至612 kN時(shí)因框架節(jié)點(diǎn)附近出現(xiàn)裂縫而終止試驗(yàn)。試驗(yàn)坡體坍塌變形造成地基承載力降低致使結(jié)構(gòu)變形增大、承載力降低，但也達(dá)到了612 kN，因而結(jié)構(gòu)的承載力基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。構(gòu)件節(jié)點(diǎn)頂部擠裂變形，主要是因?yàn)槠囱b時(shí)構(gòu)件凹槽空隙部分未采用砂漿灌縫處理，造成接觸面減小應(yīng)力集中。

4.3 Ⅱ?2型拼裝式框架結(jié)構(gòu)

針對(duì)Ⅱ?1型拼裝式結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)相對(duì)薄弱等問(wèn)題，對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化。主要是適當(dāng)增加框架節(jié)點(diǎn)處的尺寸，形成Ⅱ?2型拼裝式框架結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖7）。并對(duì)框架梁跨度2.0，3.0 m 2種構(gòu)件進(jìn)行了設(shè)計(jì)與試驗(yàn)。

圖7 Ⅱ?2型拼裝式框架結(jié)構(gòu)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

4.3.1 結(jié)構(gòu)尺寸

預(yù)制橫梁、豎肋構(gòu)件長(zhǎng)度2.0 m，截面0.1 m（寬）×0.1 m（高）～0.2 m（寬）×0.25 m（高），在節(jié)點(diǎn)兩側(cè)0.5 m范圍內(nèi)設(shè)翼緣以增加梁底寬度至0.3 m，翼緣板厚0.1 m，設(shè)計(jì)荷載500 kN，見(jiàn)圖8（a）。

預(yù)制橫梁、豎肋構(gòu)件長(zhǎng)度3.0 m，截面0.1 m（寬）×0.1 m（高）～0.2 m（寬）×0.35 m（高），在節(jié)點(diǎn)兩側(cè)0.75 m范圍內(nèi)設(shè)翼緣以增加梁底寬度至0.3 m，翼緣板厚0.1 m，設(shè)計(jì)荷載500 kN，具體見(jiàn)圖8（b）。

采用HRB400鋼筋配筋，C30混凝土澆注，構(gòu)件預(yù)制完成后，需灑水養(yǎng)護(hù)28 d方可拼裝。

4.3.2 儀器設(shè)備與測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)選擇在坡洪積粉質(zhì)黏土坡面上進(jìn)行。試驗(yàn)主要采用OVM?250型穿心千斤頂和油泵進(jìn)行張拉加載，在孔口安裝錨索測(cè)力計(jì)以測(cè)錨索拉力，百分表量測(cè)變形，具體測(cè)點(diǎn)布置如圖8所示。

圖8 框架位移測(cè)點(diǎn)布置示意（單位：cm）

4.3.3 試驗(yàn)加載

試驗(yàn)采用分級(jí)張拉加載，每一級(jí)荷載100 kN，待百分表讀數(shù)穩(wěn)定后，再施加下一級(jí)荷載，直至結(jié)構(gòu)破壞或位移增大而荷載無(wú)法增加。

框架梁跨度2.0 m的構(gòu)件試驗(yàn)張拉至620 kN時(shí)節(jié)點(diǎn)附近橫梁出現(xiàn)裂縫，跨度3.0 m的構(gòu)件試驗(yàn)張拉至626 kN時(shí)節(jié)點(diǎn)附近橫梁出現(xiàn)裂縫，試驗(yàn)終止。

4.3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

Ⅱ?2型跨度2.0，3.0 m拼裝式錨桿（索）框架結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)位移分別見(jiàn)表2、表3。

表2 跨度2.0 m拼裝式錨桿（索）框架測(cè)點(diǎn)位移 mm

表3 跨度3.0 m拼裝式錨桿（索）框架測(cè)點(diǎn)位移 mm

由表2可知，橫梁左側(cè)測(cè)點(diǎn)B1，B2的位移遠(yuǎn)大于右側(cè)測(cè)點(diǎn)B6的位移，左右兩側(cè)測(cè)點(diǎn)位移的對(duì)稱(chēng)性不好。這主要是由于橫梁左側(cè)下部找平砂漿鋪墊較右側(cè)厚且未完全凝固強(qiáng)度較低所致。因此在現(xiàn)場(chǎng)刻槽時(shí)應(yīng)盡量控制槽底平整從而減小砂漿找平層的厚度，若找平層較厚則應(yīng)待砂漿終凝達(dá)到一定強(qiáng)度后再?gòu)埨?；豎肋在最大荷載620 kN時(shí)最大位移為8.92 mm，滿(mǎn)足邊坡加固使用要求。

由表3可知，橫梁左右兩側(cè)測(cè)點(diǎn)位移的對(duì)稱(chēng)性很好，且距離節(jié)點(diǎn)較近測(cè)點(diǎn)C2，C5的位移大于同一構(gòu)件上距離節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)測(cè)點(diǎn)C1，C6的位移，這與理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果相一致［8］；在最大荷載626 kN時(shí)橫梁最大位移為14.49 mm，豎肋最大位移為9.72 mm，結(jié)構(gòu)整體位移不大，可滿(mǎn)足邊坡加固使用要求。

試驗(yàn)張拉加載至620 kN和626 kN時(shí)，節(jié)點(diǎn)附近橫梁出現(xiàn)裂縫，此時(shí)張拉荷載已達(dá)到設(shè)計(jì)荷載500 kN的1.2倍，滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，因而按結(jié)構(gòu)破壞上一級(jí)荷載考慮，確定Ⅱ?2型拼裝式錨桿（索）框架結(jié)構(gòu)的承載力為500 kN。

5 結(jié)論

1）拼裝式錨桿（索）框架結(jié)構(gòu)的破壞出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)附近，同現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)破壞類(lèi)似，與數(shù)值模擬和理論計(jì)算節(jié)點(diǎn)處彎矩、剪力最大的結(jié)果相一致。

2）Ⅰ型拼裝式錨桿（索）框架單根預(yù)制構(gòu)件較Ⅱ型重，但拼裝結(jié)構(gòu)變形小、剛度大，因而Ⅰ型拼裝式錨桿（索）框架結(jié)構(gòu)適用于單孔錨索拉力600～800 kN且吊機(jī)可以到達(dá)的邊坡治理工程，Ⅱ型拼裝式錨桿（索）框架結(jié)構(gòu)適用于單孔錨索拉力300～500 kN而需人工扛抬構(gòu)件的邊坡治理工程。

3）拼裝式錨桿（索）框架豎肋中間放置橫梁的凹槽槽壁頂部混凝土容易產(chǎn)生擠裂破壞，在橫梁拼裝到位后通過(guò)向拼裝縫隙灌注水泥漿可以達(dá)到要求。

4）在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行梁槽開(kāi)挖時(shí)應(yīng)盡量控制槽底平整從而減小砂漿找平層的厚度，若找平層較厚則應(yīng)待砂漿終凝達(dá)到一定強(qiáng)度后再?gòu)埨?/p>