SNS柔性主動防護網承載能力及防護設計研究

劉 娟,向柏宇

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

文章編號：1006—2610(2015)01—0052—05

SNS柔性主動防護網承載能力及防護設計研究

劉 娟1,向柏宇2

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

SNS柔性主動防護網以其卓越的防護性能廣泛應用于邊坡工程。由于其材料均為柔性材料，且主動防護網覆蓋的邊坡地形、地貌相對復雜，工程設計中一般采取保守的鋼絲繩抗拉強度進行設計，對主動防護網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柔性主動防護網(菱形網)鋼絲繩的承載能力及防護能力，為SNS柔性主動防護網在工程運用提供理論依據。

邊坡工程;SNS；柔性防護網;承載能力;設計

1 工程概況

安全防護系統(safety netting system)，簡稱SNS，這項技術出現于1950年。柔性安全防護系統是以高強度的金屬網(鋼絲繩網、環形網、高強度鋼絲格柵以及高強度鋼絲網)作為主要攔截及防護構件的防護系統。主要分為鋼絲繩網、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(可施加預應力)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，將作為系統主要構成的柔性網覆蓋在有潛在地質災害的坡面上，從而實現其防護目的。

與傳統的施工方法相比，該系統克服了剛性防護施工中諸多弊端，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系統具有高韌性、高防護強度、易鋪展性等優點。主動防護系統通過多次邊坡防護工程的現場試驗和對比，具有適應任何坡面地形、安裝程序標準化、系統化等優點。

(2) 開放的系統特征能夠避免因地下水壓力的升高而引起的邊坡失穩，抑制邊坡遭受進一步的風化剝蝕，保護原有植被及生長條件，實現人工綠化，實現最佳的邊坡防護和環境保護目的。

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

2 SNS柔性主動防護網方案設計

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

(2) 錨桿：SNS主動防護網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并用繩卡或鋁合金緊固套管固定的防護網專用柔性錨桿。鋼絲繩錨桿是柔性網專用的錨桿系統，也可以采用砂漿錨桿替代，但砂漿錨桿與鋼絲繩網的柔性連接方式需要特殊考慮。

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

(4) 縫合繩：將金屬柔性網間或其它支撐繩縫合聯結的鋼絲繩。

(5) 卡扣：是一種實現兩根鋼絲繩交叉節點緊固的特殊扣件。其對鋼絲繩施加一定的荷載，避免節點處鋼絲繩發生錯動和分離。

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

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網進行參數化設計。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柔性主動防護網(菱形網)鋼絲繩的受力條件及防護能力，以期為其他類似工程采用柔性防護網技術提供參考。

3 依托工程概況

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

開挖區段邊坡采用了邊坡與馬道相結合的開挖體形，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行SNS主動防護網防護。根據工程的特殊性及工程建設的要求，擬定工程分析的主要范圍及內容為摩洛哥伊阿高速公路工程開挖區，PK33+140 m～PK33+680 m段SNS主動防護網提供70 kN/m2加固力。

4 防護網承載能力計算

4.1 邊坡崩塌規模估算

4.1.1 巖體參數的選取

考慮到現場勘測分析的局限性，為最大限度發揮防護網的作用，選取最不利的崩塌模型進行計算。

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

表1 巖石力學性質指標計算采用值(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設置一級5 m寬的邊坡平臺，開挖坡度1∶0.5。模型高h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主動網的加固力按照70kN/m2考慮，下滑體繩網面積為(按照繩網接觸滑坡體的接觸面積計算)：S=S(C1C2C5C6)=b×h/tanα=5.095 m2。

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

圖1 可能崩塌模型示意圖

4.2 鋼繩防護網承載能力計算

鋼絲繩網作為一種主動防護網，通過錨桿固定于坡面上并施加一定的加固作用力后，鋼絲繩網對坡面防護危巖(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 鋼絲繩網受力示意圖

根據力的平衡原理，鋼絲繩網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的每一個節點上，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作為1個計算單元，假定繩網所受反作用力為極限值70 kN/m2，單元繩網法向力為繩網面積×70 kN/m2。假定2根鋼絲繩均攤繩網法向力，則繩網內單根鋼絲繩所受法向力為0.5×繩網面積×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 鋼絲繩網單根鋼絲繩計算模型圖

假定鋼絲繩鋪設后基本平整，根據規范規定(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。

根據以上假設條件及圖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為單根鋼絲繩節點法向力；β為張力與法向力夾角。

進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等進行計算(見表2)。

表2 鋼絲繩受力分析計算成果表

結果表明：強度為1 770 MPa的鋼絲繩網，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，水泥結石體與巖石孔壁間的粘結強度設計值，取0.8倍標準值(見表3)，水泥結石體與鋼絞線或鋼筋間的粘結強度設計值，取0.8倍標準值(見表4)。

表3 巖石與水泥結石體之間的粘結強度標準值表

表4 鋼筋、鋼絞線與水泥漿之間的粘結強度標準值表

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為錨桿軸向拉力設計值,kN；K為安全系數，應按照表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；qr為水泥結石體與巖石孔壁間的粘結強度設計值；qs為水泥結石體與鋼絞線或鋼筋間的粘結強度設計值；ξ為采用2根或2根以上的鋼絞線或鋼筋時，界面粘結強度降低系數，取0.60～0.85。

考慮到SNS對邊坡危石進行整體防護以及群錨作用，選取安全系數為1.8。

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

表5 (水泥結石與巖壁)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

計算結果表明，水泥結石與鋼筋或鋼絞線之間的粘結強度標準值在2.0～4.0 MPa之間，遠遠大于砂漿與巖石間的粘結強度，且鋼筋的自身抗拉強度也大于水泥結石與巖壁的粘結強度。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生的拔出。

4.3.2 錨桿軸向拉力設計值計算

單根錨桿的軸向拉力設計值為T，坡面的主動網承擔的加固力為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計值：

T=F×S

(7)

表8 錨桿軸向拉力設計值計算表

根據計算分析，對于砂巖邊坡SNS網的加固荷載滿足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 語

目前，現有坡面地質災害防治技術本身的不足，各類與巖土工程有關的基礎建設步伐的加快、規模和等級要求不斷提高，SNS柔性防護系統作為一種施工簡單易行、技術先進、安全可靠、環保效果好、經濟合理的防治新技術，具有廣泛的應用前景。

由于SNS柔性主動防護網覆蓋的邊坡地形地貌相對復雜，防護網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，工程安全和質量均符合相關要求，可為SNS柔性主動防護網在其他危巖邊坡防護中的設計提供借鑒。

[1] 陽友奎,周迎慶.坡面地質災害柔性防護的理論與實踐[M].北京：科學出版社,2005.

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

[3] 陽友奎.坡面地質災害鋼絲繩網柔性防護系統[J].路基工程，2000,(4)：35-39.

[4] 李念.SNS邊坡柔性安全防護系統工程應用[M].成都：西南交通大學出版社，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、地下工程等技術研究及相關科技項目管理工作.

TV52;U417.1

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.01.014