格构锚固护坡研究综述

◇聊城大学建筑工程学院 徐一凡 袁立群 陈为正 崔 康

滑坡是一种仅次于地震的严重自然灾害，近年来我国的产生的边坡随着基础建设飞速发展而增加，滑坡危害也随之增加，特别是对于一些处于特殊土层的边坡。而格构锚固由于其优点而广泛应用于特殊边坡的加固，产生了良好的社会价值。随着格构锚固工程的应用，其理论研究、施工技术等方面也相对成熟，因此本文从格构锚固理论研究、格构锚固应用和格构锚固技术创新三个方面进行总结。

1 引言

近年来，我国基础设施工程的建设如火如荼，大量的工程建设，使我国综合国力显著提升。然而随之而来的，也有大量由于开挖、堆载产生的边坡，其中部分边坡处于地质条件较差的地区，这些边坡在设计和施工中的不重视，使得其发展成滑坡灾害，近几年，滑坡事故屡见不鲜。2014年，云南省发生的福贡大型滑坡，致使15人遇害、3人受伤，经济损失8000多万元；2015年，贵阳市由于连续的强降雨，导致一高陡顺向坡发生山体滑坡，造成人员死亡16人，经济损失5000多万元；2016年，浙江省丽水市的一处大型山体滑坡导致人员死亡26人、2人失踪，造成20余户民宅被摧毁，直接经济损失2020多万元。滑坡所造成的危害触目惊心，不仅使经济造成巨大的创伤，更使人民群众饱受摧残，社会影响巨大。在滑坡防治手段中，格构锚固由于结构轻巧、外型美观，抗震性能好以及整体性强而广泛应用，格构锚固的各方面研究，也更加深入。

2 格构锚固结构理论研究

2.1 锚固边坡稳定性分析

边坡的稳定性计算方法包括极限平衡分析法和弹塑性理论分析法。极限平衡法包括：①瑞典分条法（满足坡体整体力矩平衡）；②Bishop法（满足坡体整体力矩平衡）；③Janbu法（满足分块力矩和力的平衡）；④Spencer法（满足分块力矩和力的平衡）；⑤传递系数法（各条块底滑面法线方向满足力平衡条件）；⑥Morgenstern-Price法（满足分块力矩和力的平衡）。这6种分析方法中，Morgenstern-Price法和Spencer法满足力与力矩的平衡、适用于任意形状的滑面；传递系数法计算过程相对简便因而这三种方法广泛应用于工程实际。雷军基于这3种可适用于折线型滑面的边坡稳定性分析方法，对传统的将锚拉力作为集中力直接作用在滑面上的分析方法进行改进，分析推导在条块底面处引入锚拉力扩散后的应力的锚固边坡稳定性分析方法[1]。

2.2 格构锚固结构理论计算

格构锚固分为格构梁结构和锚杆（索）结构。格构结构的力学性能接近梁，因此在进行格构梁内力计算时，常常将格构梁简化成单根的连续梁，再选取合适的地基模型，通过相应的本构关系来求解内力。三种经典的地基模型为：①文科勒（Winkler）地基模型；②弹性半空间地基模型；③有限压缩层地基模型。其中，Winkler地基模型认为：土体表面任意一点的压力强度P0与该点的沉降量y呈线性相关关系，比例系数为k，即：

据材料力学和静力平衡，可得到弹性地基梁的挠曲微分方程：

式中：V为剪力：q为外贴碳纤维布格构梁的分布荷载；；P为地基反力；b为梁的宽度。设地基沉降梁等于梁的变形，对式（2）求二阶导，由式（3）得：

求解该方程，得：

图1 Heteryi解析解示意图

梁的挠度、弯距、剪力的解析解为：

当x>a时，式（6）中a、b互换，且x从向左进行计算。

对于锚杆（索）结构，格构锚固加固边坡的机理主要包括四种：①悬吊理论；②组合梁理论；③组合拱理论；④销钉理论等加固理论[2-5]。设计方法主要有三种：倒梁法、弹性地基梁法以及弹性半空间法。目前常用的倒梁法由于计算简单、设计保守，不易出错等优点而在边坡支护工程中广泛应用。彭煌在现有的锚杆格构梁支护边坡安全系数公式的基础上，改进其计算公式，考虑了锚杆格构梁共同作用下对边坡产生的附加应力，使得其接近边坡实际受力[6]。他应用Winkler和双参数弹性地基模型推导基于有限长梁受集中力的解，计算出荷载分配系数，基于此进行了考虑共同作用的格构梁内力计算及分析，并用有限元分析软件进行验证。结果表明，用钢量大大节省，产生良好的经济效益。

2.3 格构锚固结构破坏及设计优化

在格构锚固加固的滑坡中，锚固结构会由于多种因素作用而发生破坏，陈春利通过实验，验证了格构锚固的两种失效方式（锚杆失效和格构失效）[7]。锚杆的失效主要有：锚杆在滑面位置的剪切破坏、锚固段锚杆滑脱。格构的失效主要表现：受拉侧的弯折开裂、受压侧（靠坡面侧）节点处的压裂破坏。虽然轻微的破坏不会使锚固失效，但仍予以重视。张太考虑边坡的浅表层稳定性和整体稳定性控制要求，采用塑性极限分析方法，分别得出了格构横梁间距与纵梁间距的计算方法，并采取数值模拟方法进行分析验证[8]。因此，在格构锚固工程设计时，应根据坡体的特征、土体参数等，合理选择锚杆的锚固角度、长度以及格构布置方式，以满足实用和经济的需求。

2.4 地震动力响应分析

地震作用下边坡稳定性及治理尤为关键。我国由于多山地、多地震的特点，存在大量与地震作用有关的边坡问题。汶川地震发生后，边坡震害调查发现：在采用锚固技术加固的边坡中，锚头存在松动、脱落、锚筋松弛等，但是锚固工程仍然有效[9]。格构锚固加固边坡基本未出现明显灾害，表明格构锚固加固边坡性能可靠。张妙芝依托青年科学基金项目，以滑坡体、压力型锚固系统为研究对象，采用试验与数值模拟相结合的方法进行研究，对地震作用下滑坡体、压力型锚固系统的动力响应展开研究[9]。

3 格构锚固结构应用

由于布置灵活，格构锚固广泛应用于各类边坡。

（1）凝灰质高边坡岩体性质以凝灰岩为主，在一些日照充足且降水丰沛的地区，凝灰岩高边坡的稳定性普遍较差。而格构锚固可利用锚杆（索），将锚固力传递给坡体内部强度较高的岩层，从而充分发挥岩体的承载能力，因此可以采用格构锚固工程进行治理。范哲依托惠深高速公路改扩建工程，研究凝灰岩质高边坡的破坏机理及其加固技术[10]，他采用理论研究、数值模拟和现场勘测相结合的方式，提出了最优的锚固角度和长度。

（2）一般的自然状态下的边坡是稳定的，然而在公路、铁路等基础设施建设中，需要对其进行开挖以满足要求，开挖使边坡原有应力大幅降低，使应力重分布，形成临空面，从而导致边坡稳定性降低。由于公路建设的美观要求，宜采用结合格构锚固的综合防护。张殿义依托高沁高速公路高边坡病害治理工程，研究高路堑边坡的破坏机理及其加固技术[11]。他利用有限元分析软件，分析了格构锚固加固前后的边坡，证明了格构锚固工程应用于高路堑边坡的可靠性。

（3）蠕变土体边坡中含有较高的黏粒含量，具有强度低、压缩性高的特点。格构锚固技术由于施工时不需要大型机械，不必开挖扰动边坡，施工安全快速，与植被恢复相结合可美化环境的优点而被应用。刘庚利用试验数据建立适用于该类土体的蠕变本构模型，为含碎石粉质黏土蠕变对格构梁变形破坏的影响机制研究提供理论基础[12]。他现场取样，并利用三维有限差分数值计算软件分析了含碎石粉质黏土蠕变引起格构梁变形破坏的过程和原因。

（4）黄土是具有湿陷性、大孔隙、浸水后力学强度低等特点的特殊土质，因此黄土边坡滑坡灾害时常发生。韩佳明提出了格构锚固加固不同整体性下黄土滑坡的加固[13]。利用格构锚固布置灵活的特点，对黄土边坡进行格构锚固加固。①当黄土边坡整体性较好时，可以采用穿过滑带的锚杆锚固的浆砌块石格构联合护坡；②当黄土边坡整体性一般时，可以采用穿过滑带的锚杆锚固的现浇钢筋混凝土格构联合防护；③当黄土边坡整体性很差时，可以采用穿过滑带的锚索锚固的现浇钢筋混凝土格构联合防护。

4 格构锚固技术的创新

随着格构锚固护坡技术的发展、施工机械的革新、材料性能的提高，边坡格构锚固防护技术逐正渐向复合型、轻型、机械化生产、绿色环保工业的方向发展。

目前的格构锚固工程中的格构结构多采用现浇混凝土，现浇混凝土格构锚杆（索）技术虽然较好的顺应了上述边坡支护技术的发展趋势，但其在山区边坡支护施工过程中依然存在诸多难题。钢筋笼布设困难、支模要求严格、混凝土蜂窝麻面质量问题、混凝土离析现象等问题。秦宇提出榫卯搭接格构梁、钢节点连接装配式格构两种装配式格构结构及其施工方法[14]。除了技术的创新，新型材料的应用也开始于格构锚固工程相结合，以达到最优的加固效果。张力依托永吉高速公路项目，对钢绞线-锚杆捆绑式结构的作用机理及加固效果进行了研究[15]，他通过理论分析和数值模拟相互结合的方法，验证其可靠性。韩雪刚提出采用钢纤维混凝土结合湿喷技术施做框格梁[16]。他采用理论分析、数值模拟和室内试验相结合的方式，验证了钢纤维混凝土格构梁的可靠性。

5 结语

格构锚固结构是一种复合结构，其理论研究和施工技术已相对完善。目前，格构锚固工程已应用广泛于各类边坡的防治，但是近年来，格构锚固破坏现象也频繁发生，许多格构梁都是在产生裂缝的情况下工作，随着新型材料的广泛应用，未来，格构锚固的新型材料加固将成为研究重点。