成尚鋒，鐘文健，谷任國，房營光，詹立貴

(1.廣東交通實業(yè)投資公司 廣州 510623；2.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院 廣州 510641)

0 引言

錨桿(索)加格梁結(jié)構(gòu)是目前巖土工程中邊坡災(zāi)害防治的一種主要措施，自20世紀(jì)90年代以來廣泛應(yīng)用于我國水電、礦山、鐵路、公路的邊坡加固及滑坡治理工程中，取得良好的支護效果。傳統(tǒng)的格梁結(jié)構(gòu)雖然技術(shù)成熟、工程造價較低，但工序復(fù)雜、耗時較長。邊坡開挖卸載后增加了坡體的不穩(wěn)定性，如支護不及時導(dǎo)致坡面長期暴露，增加雨水浸潤和沖刷的幾率，對坡面和坡體穩(wěn)定性極為不利；此外，傳統(tǒng)的現(xiàn)澆格梁結(jié)構(gòu)錨固技術(shù)需要消耗大量人工勞動力，隨著我國人工勞動力緊缺和人工費日益高昂，該方法造價成本因人工費的增加而逐漸增長。因此，減少勞動力投入、提高施工效率、縮短工期等對邊坡加固工程十分重要。

近年來，國家大力提倡預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的發(fā)展，使結(jié)構(gòu)構(gòu)件能規(guī)模化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)并且得到統(tǒng)一化的質(zhì)量管理。將預(yù)制裝配式生產(chǎn)理念應(yīng)用到邊坡防護工程中，不僅能優(yōu)化構(gòu)件生產(chǎn)，保證構(gòu)件質(zhì)量并提高構(gòu)件的強度和耐久性，而且能夠?qū)崿F(xiàn)防護結(jié)構(gòu)快速安裝、縮短工期、減少勞動力的使用，有效防止坡面長期暴露和加固不及時而導(dǎo)致的工程事故，同時可減少施工污染和施工擾民的發(fā)生，有利于文明施工和環(huán)境保護[1-3]。盡管預(yù)制裝配式護坡技術(shù)已有不少研究，但在實際工程中存在自重較大、吊裝不便等不足，使其推廣應(yīng)用受限，從而使格梁輕型化的需求非常迫切。

針對上述問題，本文提出輕質(zhì)裝配式的理念，從兩方面優(yōu)化原有的裝配式構(gòu)件：一方面，優(yōu)化裝配式構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式，分層設(shè)計節(jié)點構(gòu)件以降低單一預(yù)制構(gòu)件的質(zhì)量、方便構(gòu)件吊裝，同時提出“陰陽鎖”設(shè)計，完善構(gòu)件接頭連接、增強格梁的整體性；另一方面，采用陶?；炷撂鎿Q普通混凝土，減輕格梁自重。

本文依托大潮高速公路建設(shè)項目，在K12+670～K12+825 段路塹高邊坡設(shè)立試驗示范區(qū)。該邊坡長約 155m，最大坡高53.68m，采用預(yù)制裝配式護坡技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的現(xiàn)澆格梁護坡結(jié)構(gòu)，預(yù)制構(gòu)件包括預(yù)制十字節(jié)點、預(yù)制格梁以及連接件等。針對如何合理設(shè)置節(jié)點的分層結(jié)構(gòu)形式、如何可靠連接格梁構(gòu)件整體受力、如何克服陶?；炷翉姸容^低、探索最優(yōu)配合比，開展相應(yīng)的研究。

1 新型裝配式錨索格梁護坡結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 預(yù)制節(jié)點構(gòu)件

傳統(tǒng)的現(xiàn)澆節(jié)點施工工序復(fù)雜，耗時較長，且施工質(zhì)量受到場地、氣候、養(yǎng)護等多因素的影響。預(yù)制裝配式十字節(jié)點能夠較好地克服上述現(xiàn)澆節(jié)點存在的不足，但單個預(yù)制節(jié)點構(gòu)件質(zhì)量重達0.5t，導(dǎo)致在邊坡上定位、調(diào)整、安放非常不方便，影響了施工效率。本文在原有預(yù)制十字節(jié)點的基礎(chǔ)上進行分層設(shè)計，分成上下兩層，使單個構(gòu)件施工質(zhì)量減少50%；在上下兩層的連接面上預(yù)留凹凸碗型定位裝置，施工過程中使上下層構(gòu)件快速對準(zhǔn)安裝；在構(gòu)件中間嵌入一個套筒，其作用是防止錨索左右擺動，避免損害預(yù)制構(gòu)件，造成構(gòu)件混凝土剝落；兩個部分伸長端各設(shè)置一個預(yù)埋原生PVC塑料管螺桿孔，用于構(gòu)件連接。新型的預(yù)制節(jié)點如圖1和圖2所示，分層設(shè)計節(jié)點構(gòu)件如圖3所示。

圖1 預(yù)制節(jié)點俯視

圖2 預(yù)制節(jié)點側(cè)視

圖3 分層設(shè)計節(jié)點構(gòu)件

1.2 裝配式快速鎖緊連接構(gòu)件

預(yù)制混凝土構(gòu)件在預(yù)制構(gòu)件廠進行加工制作，將經(jīng)質(zhì)量驗收合格的預(yù)制構(gòu)件運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場，在現(xiàn)場用安裝機械吊裝就位。各裝配式構(gòu)件之間連接的牢固程度直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)性能與邊坡加固效果，而連接方法的難易程度，直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)安裝的進度。用于邊坡支護預(yù)制構(gòu)件的連接不同于一般性裝配式建筑物構(gòu)件的連接，在邊坡上預(yù)制構(gòu)件的連接受到邊坡巖土特性與刷坡挖槽等平整度的影響，構(gòu)件之間很難做到精準(zhǔn)對位，構(gòu)件之間的連接必須能適應(yīng)于這種客觀因素。

(1)考慮構(gòu)件之間的連接應(yīng)滿足連接可靠性、連接簡易性和連接靈活性等要求，本文設(shè)計了一種采用螺栓連接為主的裝配式快速連接裝置，如圖4所示。根據(jù)實際工況建模分析，螺栓連接構(gòu)件選用15mm厚的連接鋼板、10mm厚的壓塊以及直徑25mm的螺桿和相應(yīng)的螺帽。連接鋼板上預(yù)設(shè)連接螺栓直徑2～3倍大的連接安裝孔，即便在錯位情況下也可實現(xiàn)構(gòu)件的精準(zhǔn)快速連接。連接鋼板上下端采用內(nèi)扣設(shè)計，一方面方便構(gòu)件連接時準(zhǔn)確對位，另一方面在連接完成后能防止預(yù)制構(gòu)件上下錯動。構(gòu)件間預(yù)留空隙，填充現(xiàn)澆M10水泥砂漿。構(gòu)件連接如圖5所示。

圖4 裝配式快速連接裝置

圖5 構(gòu)件連接

(2)連接鋼板上預(yù)設(shè)連接螺栓直徑2～3倍大的安裝孔，雖然能夠較好地提高連接裝置的容錯性，但是連接的牢固性仍不足。由于大安裝孔的存在，構(gòu)件之間的連接可以視為鉸接，在荷載作用下可能出現(xiàn)相對的旋轉(zhuǎn)、錯動，影響整體受力和加固效果。為此，本文設(shè)計提出“陰陽鎖”，如圖6所示。

圖6 “陰陽鎖”實物

實際使用中，將陰陽鎖內(nèi)置在連接鋼板預(yù)留孔中，待螺栓連接完成后，將特制扳手插入“陰陽鎖”上預(yù)留圓孔來轉(zhuǎn)動陰陽鎖，令螺栓自動滑入預(yù)留孔地中心位置，并在構(gòu)件端部將預(yù)留錯位孔隙用砂漿填滿，達到鎖死連接裝置的目的，確保裝配式結(jié)構(gòu)在運營中不松動，如圖7所示。這種基于“陰陽鎖”的裝配式快速鎖緊連接裝置，解決了預(yù)制構(gòu)件連接對準(zhǔn)不易、接頭容易松動等問題，并具有容錯能力強、安裝速度快、有效鎖緊接頭等優(yōu)點，較大地提高了施工效率。

圖7 “陰陽鎖”鎖緊操作

2 輕質(zhì)高強混凝土配合比設(shè)計

陶?；炷磷鳛槎喙δ苄圆牧?，具有自重輕、保溫、抗震性能好等特點，因此可采用陶?；炷寥〈胀ɑ炷?，大幅降低裝配式混凝土的自重。但陶?；炷翉姸纫话爿^低，很少用于傳力受力和承重結(jié)構(gòu)中[4-7]。本文采用“強度弱化”原理，先設(shè)計制作高強的混凝土試件，再在其配合比的基礎(chǔ)上將骨料置換為陶粒，探索高強陶粒混凝土的最優(yōu)配合比，以達到減輕重量并滿足強度要求的目的。

根據(jù)裝配式格梁護坡施工要求，需配制的輕質(zhì)陶?；炷烈笃淇箟簭姸仍?40MPa 以上，密度在1.8～2.0×103kg/m3范圍內(nèi)。根據(jù)強度弱化原理，應(yīng)采用強度在C50以上的混凝土試樣進行弱化。為了更好地縮短試驗范圍，減少不必要的試驗次數(shù)，在未確定合適的陶?；炷僚浜媳仍嚺淝癧8-10]，選用C50、C60兩種普通高強混凝土進行弱化減重，且陶粒置換體積設(shè)計為80%和100%。通過混凝土力學(xué)性能試驗分析，不斷優(yōu)化混凝土試樣的配合比，最終得到輕質(zhì)高強陶粒混凝土的推薦試驗配合比。兩種基準(zhǔn)配合比見表1，陶?；炷恋脑嚺湔{(diào)整過程見表2。

表1 C50與C60 混凝土基準(zhǔn)配合比設(shè)計(單位：kg/m3)

表2 不同陶?；炷猎嚇拥呐浜媳仍嚺?單位：kg/m3)

力學(xué)性能試驗根據(jù)《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2019)的有關(guān)規(guī)定進行,其中：抗壓強度的試件尺寸為 100mm×100mm×100mm；抗折強度的試件尺寸為 100 mm×100 mm×400 mm， 凈跨為 300 mm。抗壓強度試驗結(jié)果如圖 8 所示，其測試的容重如圖 9 所示。

圖8 抗壓強度隨不同陶粒置換比例的變化曲線

圖9 容重隨不同陶粒置換比例的變化曲線

當(dāng)陶粒置換體積比例為 100% 時，C60混凝土經(jīng)過 28d 養(yǎng)護后的混凝土試件抗壓強度達到 41MPa，其平均密度為 1.94×103kg/m3，滿足裝配式輕質(zhì)混凝土的施工要求。對 C60-100% 混凝土進行抗折性能測試，用陶粒全部置換 C60 混凝土中的粗骨料后，其抗折性能雖有所降低，但仍滿足抗折強度不低于 4.4 MPa 的力學(xué)性能要求(表3)。

表3 抗折強度試驗結(jié)果

綜上所述，可將 C60-100% 混凝土試配的配合比為輕質(zhì)裝配式陶?；炷磷o坡工程的混凝土配合比設(shè)計作參考，可以實現(xiàn)輕質(zhì)高強的目的，其最佳配合比見表4。

表4 輕質(zhì)高強陶粒混凝土配合比設(shè)計(單位：kg/m3)

3 節(jié)點性能試驗

3.1 試驗設(shè)計

在實際工程中十字節(jié)點主要受到以下作用力：在錨孔位置受附加垂直于面的集中錨桿拉力、節(jié)點混凝土底部受垂直坡面向上的力以及連接連接件處的連接反力，如圖10所示。為了得到十字節(jié)點在真實工況下的力學(xué)行為特征，本文設(shè)計了針對十字節(jié)點的加載模具，以便最大程度地模擬十字節(jié)點的實際受力工況。加載模具實物如圖11(a)、(b)所示，實際加過程如圖11(c)所示。壓力試驗機安裝上1號、2號模具，將整個十字節(jié)點倒置在改裝后的壓力試驗機，加載時1號模具對節(jié)點的作用模擬錨索對節(jié)點施加集中力，2號模具對節(jié)點的作用模擬坡面反力對節(jié)點的作用。

圖10 預(yù)制節(jié)點實際工況

圖11 模具及加載裝置

3.2 試驗過程

為了進一步研究掌握 C60-100%陶?；炷僚浜媳扰渲剖止?jié)點構(gòu)件的力學(xué)性能，采用微機控制電液伺服式壓力試驗機對 C40 普通混凝土和 C60-100%輕質(zhì)高強陶?；炷吝M行分級加載條件下的受力性能試驗，采用分級加載，加載方案如圖12所示。試件加載過程按《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50152-2012)的相關(guān)規(guī)定進行。

圖12 分級加載梯度

3.3 試驗結(jié)果與分析

對于普通混凝土，從 100kN 加載到 150kN 的過程中出現(xiàn)試件開裂；持續(xù)加載到 250kN 后，在上層十字節(jié)點觀察到細(xì)微裂縫；從 250kN 一直到加載結(jié)束，裂縫發(fā)展很緩慢，最后在上層十字節(jié)點根部發(fā)現(xiàn)一條長裂縫，下層節(jié)點未出現(xiàn)裂縫(圖13)。位移隨荷載的變化如圖14所示。

圖13 普通混凝土細(xì)裂縫

圖14 普通混凝土荷載-位移

對于陶?；炷?，加載至 100kN 時在上層節(jié)點側(cè)面中部出現(xiàn)三條細(xì)微裂縫；加載至 200kN 時在上層節(jié)點側(cè)面根部出現(xiàn)兩條細(xì)微裂縫；加載至 300kN 時裂縫擴至上層節(jié)點的 2/3 處，同時裂紋寬度明顯擴大；加載至 400kN 時下層節(jié)點開始出現(xiàn)裂縫；加載至 450kN 時上層節(jié)點裂縫擴展至底部；加載至 550kN 時下層節(jié)點也擴展至底部，且最大裂縫寬度達 1.0mm 左右；加載至 600kN 時上層十字節(jié)點端部壓裂；加載至 650kN 時最大裂縫達到 2.0mm 左右；加載至 700kN 時最大裂縫達到 4.0mm 左右，如圖15所示。

圖15 陶?；炷亮芽p

位移隨荷載的變化如圖16所示，取與上述普通混凝土相同的加載區(qū)間 100～500kN，陶粒混凝土的位移僅為 1.9mm，具有較好的剛度，但陶?；炷恋牧芽p產(chǎn)生較快。

圖16 陶粒混凝土荷載-位移

通過實驗結(jié)果分析可見，普通混凝土在加載過程中，表現(xiàn)出更好的承載能力，較晚產(chǎn)生第一條裂縫，且隨著荷載的增大，裂縫發(fā)展緩慢，抗裂性較好；相比而言，陶粒混凝土構(gòu)件雖然較早產(chǎn)生裂縫且發(fā)展快速， 但仍表現(xiàn)出優(yōu)良的承載能力和抗彎剛度，隨著荷載增加至600kN時，構(gòu)件才出現(xiàn)破壞的情況，同時相比普通混凝土構(gòu)件更輕，實現(xiàn)了輕質(zhì)高強的優(yōu)化目的。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，允許鋼筋混凝土構(gòu)件帶裂縫工作，裂縫寬度不得超過0.2mm，因此可取200kN作為預(yù)制節(jié)點的抗彎強度設(shè)計值，則該預(yù)制節(jié)點完全可以搭配常規(guī)的錨桿使用，例如型號R25(15t)。此外，由于節(jié)點帶裂縫工作，構(gòu)件制作的時候需提前做好防水措施，采用耐腐蝕的鋼筋，保證構(gòu)件鋼筋長期使用，以便該預(yù)制節(jié)點可應(yīng)用于實際工程。

4 結(jié)論

(1)通過分層式設(shè)計以及采用陶?；炷敛牧?，十字節(jié)點預(yù)制構(gòu)件的質(zhì)量由原來的0.5t下降至單構(gòu)件質(zhì)量為0.195t，預(yù)制節(jié)點構(gòu)件自重下降了約61%。隨著預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量的降低，構(gòu)件運輸與吊裝也更加方便，施工效率隨之提高。

(2)研制基于“陰陽鎖”的裝配式快速鎖緊連接裝置，該裝置容錯性強，操作靈活便捷，能在施工現(xiàn)場實現(xiàn)構(gòu)件快速連接，大幅提升了施工效率。該裝置還能快速鎖緊構(gòu)件，使構(gòu)件接頭處不易松動，護坡結(jié)構(gòu)整體性與剛度增強，裝配式護坡的加固效果突出。

(3)根據(jù)“強度弱化”原理，用陶粒代替普通混凝土中的粗骨料，經(jīng)過大量實驗探索出輕質(zhì)高強混凝土的最優(yōu)配合比—水∶水泥∶礦粉∶砂?！锰樟！脺p水劑=144.23∶442.4∶147.5∶714∶232.9∶11.798，水膠比為0.26?；谠撆浜媳鹊奶樟；炷猎嚰箟簭姸葮?biāo)準(zhǔn)值為40.85MPa，抗折強度標(biāo)準(zhǔn)值為6.62 MPa，滿足輕質(zhì)裝配式護坡施工的要求。陶?；炷恋拿芏燃s為1.94×103kg/m3，陶?；炷令A(yù)制構(gòu)件相比普通混凝土預(yù)制構(gòu)件的重量減少了22%，實現(xiàn)了輕質(zhì)高強的目的。

(4)通過力學(xué)性能試驗分析，陶?；炷凉?jié)點可應(yīng)用于拉力設(shè)計值為200kN及以下的錨桿或錨索格梁支護工程中。另外，陶?；炷潦止?jié)點構(gòu)件的力學(xué)性能與普通混凝土相比，在正常使用荷載范圍內(nèi)容易出現(xiàn)細(xì)微裂紋，因此構(gòu)件需要進一步做好防水與防腐蝕措施，以更好地保證該構(gòu)件在露天條件下正常發(fā)揮作用。