SNS柔性主動防護(hù)網(wǎng)承載能力及防護(hù)設(shè)計研究

劉 娟,向柏宇

(1.中國電力建設(shè)股份有限公司,北京 100048;2.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司,成都 610072)

文章編號：1006—2610(2015)01—0052—05

SNS柔性主動防護(hù)網(wǎng)承載能力及防護(hù)設(shè)計研究

劉 娟1,向柏宇2

(1.中國電力建設(shè)股份有限公司,北京 100048;2.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司,成都 610072)

SNS柔性主動防護(hù)網(wǎng)以其卓越的防護(hù)性能廣泛應(yīng)用于邊坡工程。由于其材料均為柔性材料，且主動防護(hù)網(wǎng)覆蓋的邊坡地形、地貌相對復(fù)雜，工程設(shè)計中一般采取保守的鋼絲繩抗拉強度進(jìn)行設(shè)計，對主動防護(hù)網(wǎng)的受力分析比較困難，從理論角度目前仍然沒有較為成熟的計算方法；文章以實際工程為依托，運用概化分析方法計算SNS柔性主動防護(hù)網(wǎng)(菱形網(wǎng))鋼絲繩的承載能力及防護(hù)能力，為SNS柔性主動防護(hù)網(wǎng)在工程運用提供理論依據(jù)。

邊坡工程;SNS；柔性防護(hù)網(wǎng);承載能力;設(shè)計

1 工程概況

安全防護(hù)系統(tǒng)(safety netting system)，簡稱SNS，這項技術(shù)出現(xiàn)于1950年。柔性安全防護(hù)系統(tǒng)是以高強度的金屬網(wǎng)(鋼絲繩網(wǎng)、環(huán)形網(wǎng)、高強度鋼絲格柵以及高強度鋼絲網(wǎng))作為主要攔截及防護(hù)構(gòu)件的防護(hù)系統(tǒng)。主要分為鋼絲繩網(wǎng)、普通鋼絲格柵(常稱鐵絲格柵)和高強度鋼絲格柵3類，前兩者通過鋼絲繩錨桿或支撐繩固定方式，后者通過鋼筋(可施加預(yù)應(yīng)力)或鋼絲繩錨桿(有邊沿支撐繩時采用)、專用錨墊板以及必要時的邊沿支撐繩等固定方式，將作為系統(tǒng)主要構(gòu)成的柔性網(wǎng)覆蓋在有潛在地質(zhì)災(zāi)害的坡面上，從而實現(xiàn)其防護(hù)目的。

與傳統(tǒng)的施工方法相比，該系統(tǒng)克服了剛性防護(hù)施工中諸多弊端，采用模塊化安裝方式、縮短了工期和施工費用，整個系統(tǒng)由高強度鋼絲繩柔性、錨桿及其它安裝附件組合安裝而成。其突出的特點包括：

(1) 以鍍鋅高強度鋼絲繩為主要材料的主動防護(hù)系統(tǒng)具有高韌性、高防護(hù)強度、易鋪展性等優(yōu)點。主動防護(hù)系統(tǒng)通過多次邊坡防護(hù)工程的現(xiàn)場試驗和對比，具有適應(yīng)任何坡面地形、安裝程序標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化等優(yōu)點。

(2) 開放的系統(tǒng)特征能夠避免因地下水壓力的升高而引起的邊坡失穩(wěn)，抑制邊坡遭受進(jìn)一步的風(fēng)化剝蝕，保護(hù)原有植被及生長條件，實現(xiàn)人工綠化，實現(xiàn)最佳的邊坡防護(hù)和環(huán)境保護(hù)目的。

(3) 系統(tǒng)主要材料的特殊制造工藝和高防腐防銹技術(shù), 具備優(yōu)良的防腐能力，壽命一般能達(dá)到30～50 a。

2 SNS柔性主動防護(hù)網(wǎng)方案設(shè)計

(1) 鋼絲繩網(wǎng)：其中鋼絲繩網(wǎng)作為主要的特征構(gòu)件之一，是用鋼絲繩編制并在交叉結(jié)點處用“十”字卡扣固定的成品網(wǎng)。

(2) 錨桿：SNS主動防護(hù)網(wǎng)的另一重要的配件為鋼絲繩錨桿，這種錨桿是將單根鋼絲繩從中點處彎折，在彎折處嵌入雞心環(huán)并用繩卡或鋁合金緊固套管固定的防護(hù)網(wǎng)專用柔性錨桿。鋼絲繩錨桿是柔性網(wǎng)專用的錨桿系統(tǒng)，也可以采用砂漿錨桿替代，但砂漿錨桿與鋼絲繩網(wǎng)的柔性連接方式需要特殊考慮。

(3) 支撐繩：用以實現(xiàn)金屬柔性網(wǎng)按照設(shè)計形式鋪掛，對金屬柔性網(wǎng)起支撐作用的鋼絲繩。

(4) 縫合繩：將金屬柔性網(wǎng)間或其它支撐繩縫合聯(lián)結(jié)的鋼絲繩。

(5) 卡扣：是一種實現(xiàn)兩根鋼絲繩交叉節(jié)點緊固的特殊扣件。其對鋼絲繩施加一定的荷載，避免節(jié)點處鋼絲繩發(fā)生錯動和分離。

采用柔性網(wǎng)進(jìn)行坡面防護(hù)的特點在于利用局部受力、整體承載的柔性優(yōu)勢對淺、表層危巖體(危石)進(jìn)行圍護(hù)，限制落石運動范圍，部分抑制崩塌的發(fā)生。

目前，在工程運用中由于材料的柔性及坡面覆蓋受地形地貌的影響，無法從受力角度對這種主動柔性防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計。本文依托摩洛哥伊阿高速公路邊坡，探索一種概化的計算方法來分析計算SNS柔性主動防護(hù)網(wǎng)(菱形網(wǎng))鋼絲繩的受力條件及防護(hù)能力，以期為其他類似工程采用柔性防護(hù)網(wǎng)技術(shù)提供參考。

3 依托工程概況

摩洛哥伊阿高速公路PK33+140 m-PK33+680 m；地質(zhì)構(gòu)造以砂巖為主，局部受巖體層面節(jié)理的切割及風(fēng)化節(jié)理的影響較大，巖體比較破碎，尤其是接近地表的10～20 m范圍內(nèi)存在強烈的風(fēng)化帶，巖體極其破碎，經(jīng)常出現(xiàn)落石，對邊坡及公路的安全影響巨大。采用SNS防護(hù)范圍內(nèi)的出露巖層均為沉積巖，巖層產(chǎn)狀NE57°∠22°，巖類為砂巖，整個區(qū)域處于一個規(guī)模較大的斷層核心側(cè)翼，開挖揭露的巖層為強、弱風(fēng)化巖層，總體看來頂部20 m以強風(fēng)化為主，以下區(qū)域以弱風(fēng)化層為主，巖層風(fēng)化及構(gòu)造節(jié)理發(fā)育，局部存有陡傾角構(gòu)造裂隙發(fā)育，完整性較差，邊坡的穩(wěn)定受構(gòu)造節(jié)理控制，但風(fēng)化節(jié)理可能會惡化表面巖石穩(wěn)定條件。

開挖區(qū)段邊坡采用了邊坡與馬道相結(jié)合的開挖體形，最大開挖邊坡高度約為110 m，每級邊坡高度為10 m，兩級邊坡之間設(shè)置寬約5 m的馬道。邊坡開挖坡比為1∶0.5。

由于邊坡高陡，巖石表面風(fēng)化破碎，為防止危石墜落威脅行車安全，決定對開挖邊坡的淺層坡面進(jìn)行SNS主動防護(hù)網(wǎng)防護(hù)。根據(jù)工程的特殊性及工程建設(shè)的要求，擬定工程分析的主要范圍及內(nèi)容為摩洛哥伊阿高速公路工程開挖區(qū)，PK33+140 m～PK33+680 m段SNS主動防護(hù)網(wǎng)提供70 kN/m2加固力。

4 防護(hù)網(wǎng)承載能力計算

4.1 邊坡崩塌規(guī)模估算

4.1.1 巖體參數(shù)的選取

考慮到現(xiàn)場勘測分析的局限性，為最大限度發(fā)揮防護(hù)網(wǎng)的作用，選取最不利的崩塌模型進(jìn)行計算。

巖類為砂巖，中等硬度。同時存在淺表層風(fēng)化、卸荷巖體、破碎程度比較高。為對邊坡可能崩塌規(guī)模進(jìn)行估算， 對于巖體參數(shù)的取值選取見表1。

表1 巖石力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)計算采用值(平均值)表

4.1.2 模型建立及計算

可能崩塌的模型圖如圖1所示。最大開挖高度約110 m，開挖邊坡每10 m設(shè)置一級5 m寬的邊坡平臺，開挖坡度1∶0.5。模型高h(yuǎn)為10 m，順公路走向b長為1 m，作為一級階梯計算單元。其中θ=56.75°(砂巖)，α≈63°(削坡后的坡角)。當(dāng)C1C2C3C4(作為滑坡面)，單元滑坡體體積為：

(1)

底邊長：

(2)

則可計算單元滑坡自重：

G=γV=142.56 kN

(3)

SNS主動網(wǎng)的加固力按照70kN/m2考慮，下滑體繩網(wǎng)面積為(按照繩網(wǎng)接觸滑坡體的接觸面積計算)：S=S(C1C2C5C6)=b×h/tanα=5.095 m2。

單元下滑體繩網(wǎng)能提供的主動加固力356.67 kN。SNS主動網(wǎng)可以抵御預(yù)估潛在崩塌體的下滑力。

圖1 可能崩塌模型示意圖

4.2 鋼繩防護(hù)網(wǎng)承載能力計算

鋼絲繩網(wǎng)作為一種主動防護(hù)網(wǎng)，通過錨桿固定于坡面上并施加一定的加固作用力后，鋼絲繩網(wǎng)對坡面防護(hù)危巖(石)提供坡面法向主動加固力的同時，也受到坡面法向的反作用力，如圖2所示。

圖2 鋼絲繩網(wǎng)受力示意圖

根據(jù)力的平衡原理，鋼絲繩網(wǎng)將同時受到坡面的反作用力，其方向為坡面法向方向，指向坡外。計算分析中，此反作用力分解到鋼絲繩網(wǎng)的每一個節(jié)點上，分別用F11、F12、F13、…、F41、F42、F43、F44等表示；這些力分解為鋼絲繩的張力分別用Ta1、Ta2、Ta3、Ta4、…、Tv1、Tv2、Tv3、Tv4等表示；詳見圖2。

另外，鋼絲繩的間距分別采用300、250、200、150、120、100 mm時單個交叉鋼絲繩單元控制坡面的面積分別為：300 mm×300 mm、250 mm×250 mm、200 mm×200 mm、150 mm×150 mm、120 mm×120 mm、100 mm×100 mm (見圖3所示)。

圖3 單個交叉的鋼絲繩控制坡面面積示意圖

以單個交叉的鋼絲繩網(wǎng)作為1個計算單元，假定繩網(wǎng)所受反作用力為極限值70 kN/m2，單元繩網(wǎng)法向力為繩網(wǎng)面積×70 kN/m2。假定2根鋼絲繩均攤繩網(wǎng)法向力，則繩網(wǎng)內(nèi)單根鋼絲繩所受法向力為0.5×繩網(wǎng)面積×70 kN/m2。將反作用力F平均分解到Ta1、Tv1上，得到如圖4所示的計算模型。

圖4 鋼絲繩網(wǎng)單根鋼絲繩計算模型圖

假定鋼絲繩鋪設(shè)后基本平整，根據(jù)規(guī)范規(guī)定(這里采用的是?6 mm的鋼絲繩的彈性階段伸長率)，鋼絲繩拉伸后L=1.011b。

根據(jù)以上假設(shè)條件及圖4確定的計算模型，可以得到如下計算公式：

(4)

式中：T為單根鋼絲繩張力;F為單根鋼絲繩節(jié)點法向力；β為張力與法向力夾角。

進(jìn)一步計算鋼絲繩的強度利用率，即實際張力與鋼絲繩斷裂拉力的比值。

選取鋼絲繩抗拉強度1 770 MPa；鋼絲繩型號采用?8 mm，對應(yīng)的最小斷裂拉力值取40 kN，鋼絲繩的間距分別采用300、250、200 mm等進(jìn)行計算(見表2)。

表2 鋼絲繩受力分析計算成果表

結(jié)果表明：強度為1 770 MPa的鋼絲繩網(wǎng)，鋼絲繩型號為?8 mm，鋼絲繩的最大間距為300 mm×300 mm，加固力為70 kN/m2時，鋼絲繩最大張力僅為6.29 kN，其鋼絲繩“強度利用率”也僅為15.73%，完全能夠滿足穩(wěn)定及功能的要求。

4.3 錨桿承載能力計算

4.3.1 錨桿型號與最大抗拉力計算

錨桿采用高強度精軋螺紋鋼筋，水泥結(jié)石體與巖石孔壁間的粘結(jié)強度設(shè)計值，取0.8倍標(biāo)準(zhǔn)值(見表3)，水泥結(jié)石體與鋼絞線或鋼筋間的粘結(jié)強度設(shè)計值，取0.8倍標(biāo)準(zhǔn)值(見表4)。

表3 巖石與水泥結(jié)石體之間的粘結(jié)強度標(biāo)準(zhǔn)值表

表4 鋼筋、鋼絞線與水泥漿之間的粘結(jié)強度標(biāo)準(zhǔn)值表

按照下式計算錨桿抗拔承載力：

(5)

(6)

式中：La為錨固段長度,mm；Nt為錨桿軸向拉力設(shè)計值,kN；K為安全系數(shù)，應(yīng)按照表5取值；D為錨固體直徑,mm；d為單根鋼筋或鋼絞線直徑,mm；n為鋼絞線或鋼筋根數(shù)；qr為水泥結(jié)石體與巖石孔壁間的粘結(jié)強度設(shè)計值；qs為水泥結(jié)石體與鋼絞線或鋼筋間的粘結(jié)強度設(shè)計值；ξ為采用2根或2根以上的鋼絞線或鋼筋時，界面粘結(jié)強度降低系數(shù)，取0.60～0.85。

考慮到SNS對邊坡危石進(jìn)行整體防護(hù)以及群錨作用，選取安全系數(shù)為1.8。

開挖區(qū)砂巖按照中硬巖考慮，砂漿與巖石間的粘結(jié)強度特征值取1.35 MPa。水泥結(jié)石與鋼筋間的粘結(jié)強度特征值取2.7 MPa。

表5 (水泥結(jié)石與巖壁)錨桿抗拔承載力計算表

備注：鉆孔直徑為76 mm。

表6 (水泥結(jié)石與鋼筋)錨桿抗拔承載力計算表

表7 (鋼筋抗拉強度)錨桿抗拔承載力計算表

計算結(jié)果表明，水泥結(jié)石與鋼筋或鋼絞線之間的粘結(jié)強度標(biāo)準(zhǔn)值在2.0～4.0 MPa之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于砂漿與巖石間的粘結(jié)強度，且鋼筋的自身抗拉強度也大于水泥結(jié)石與巖壁的粘結(jié)強度。由此，錨桿的破壞或拔出主要是砂漿或是水泥漿與巖石之間的強度破壞產(chǎn)生的拔出。

4.3.2 錨桿軸向拉力設(shè)計值計算

單根錨桿的軸向拉力設(shè)計值為T，坡面的主動網(wǎng)承擔(dān)的加固力為F(kN/m2)，單個錨桿的作用面積為S(m2)，可以按照式(7)計算求得單根錨桿的軸向設(shè)計值：

T=F×S

(7)

表8 錨桿軸向拉力設(shè)計值計算表

根據(jù)計算分析，對于砂巖邊坡SNS網(wǎng)的加固荷載滿足70kN/m2的情況下，錨桿按照3.2m×2.8m布置，單根錨桿的軸向拉力設(shè)計值需要滿足627.2kN的要求。采用Ф40mm的錨桿需要錨桿入巖深度不小于4.5m。

5 結(jié) 語

目前，現(xiàn)有坡面地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)本身的不足，各類與巖土工程有關(guān)的基礎(chǔ)建設(shè)步伐的加快、規(guī)模和等級要求不斷提高，SNS柔性防護(hù)系統(tǒng)作為一種施工簡單易行、技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、環(huán)保效果好、經(jīng)濟(jì)合理的防治新技術(shù)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

由于SNS柔性主動防護(hù)網(wǎng)覆蓋的邊坡地形地貌相對復(fù)雜，防護(hù)網(wǎng)的受力分析比較困難。本文在實際工程中運用的概化計算方法是一種能夠滿足工程需要的計算手段，工程安全和質(zhì)量均符合相關(guān)要求，可為SNS柔性主動防護(hù)網(wǎng)在其他危巖邊坡防護(hù)中的設(shè)計提供借鑒。

[1] 陽友奎,周迎慶.坡面地質(zhì)災(zāi)害柔性防護(hù)的理論與實踐[M].北京：科學(xué)出版社,2005.

[2]TB/T3089-2004,鐵路沿線斜坡柔性安全防護(hù)網(wǎng)[S].北京：中國鐵道出版社，2004.

[3] 陽友奎.坡面地質(zhì)災(zāi)害鋼絲繩網(wǎng)柔性防護(hù)系統(tǒng)[J].路基工程，2000,(4)：35-39.

[4] 李念.SNS邊坡柔性安全防護(hù)系統(tǒng)工程應(yīng)用[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2009.

Study on Bearing Capacity and Protection Design of SNS Flexible Active Protection Network

LIU Juan1, XIANG Bo-yu2

(1.Power Construction Corporation of China, Ltd., Beijing 100048, China;2. POWERCHINA Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu 610072, China)

The SNS flexible active protection network is widely applied in slope works because of its superior protection property. As its materials all are flexible as well as the topography and landform of slopes covered by the active protection network are complicated relatively, it is normally designed according to the tensile strength of the steel cable. So, it is difficult to analyze the action forces of the active network. In theory, there is not practical method for calculation. Based on the engineering practice, in the paper, the generalization analyzing method is applied to calculate the bearing capacity and protection ability of the steel cables of the SNS flexible active protection network ( in rhombus ), providing application of the SNS flexible active protection network in projects with theoretic basis.

slope works; SNS; flexible protection network; bearing capacity; design

2014-12-05

劉娟(1978- )，女，湖北省漢川縣人，高級工程師，主要從事水電工程高壩、邊坡、地下工程等技術(shù)研究及相關(guān)科技項目管理工作.

TV52;U417.1

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.01.014