CN109403355A - 一种新型边坡支护系统 - Google Patents

Abstract

一种新型边坡支护系统，本发明提供了一种新型边坡支护系统，包括横梁、纵梁和支座，所述横梁和/或纵梁与支座之间通过铰单元连接。本发明所述的新型边坡支护系统，其设计合理，依据“刚柔结合”及边坡‑支护“共同承载”的思想，在框架梁连接处释放自由度连接代替原整体浇注设计，成为刚柔结合的框架梁结构，稳定性好，抗震效果好。

Description

一种新型边坡支护系统

技术领域

本发明属于水利技术领域，具体地，涉及一种新型边坡支护系统。

背景技术

我国位于世界两大地震带—环太平洋地震带与欧亚地震带之间，受板块挤压，地震断裂带十分发育，地震活动频度高、强度大、震源浅、分布广，震灾严重。上世纪以来，中国共发生6级以上地震近800次，仅近十年就发生了四川汶川（2008年）、青海玉树（2010年）、四川芦山（2013年）、甘肃定西（2013）、云南鲁甸（2014）及台湾台南（2016）等破坏性极强的地震。同时，我国也是滑坡灾害最为严重的国家之一。目前，全国范围内除山东没有发现危害严重的滑坡灾害外，其余各地均有发生。特别是地震诱发边坡失稳分布广、数量多、危害大，由于其具有巨大的势能，常造成地质灾害链及次生灾害，严重影响铁路、公路及水电站等重要基础设施的安全，如汶川地震引发的滑坡、崩塌、碎屑流等总数达到3-5万处。

为防止边坡失稳灾害，大量加固支护结构被采用如挡墙、护面墙、坡面挂网喷砼、主动防护网、抗滑桩、框架锚固等。其中，框架锚固结构主要由预应力锚固体（锚杆、锚索）及混凝土框架梁两部分组成。一方面锚固体与边坡接触摩擦且起到抗滑作用，可控制边坡深层滑动位移，另一方面锚固体将锚固力通过由嵌入边坡表面横梁、纵梁组成的“井”字形框架梁结构传递给边坡，可达到限制边坡表面及内部土体过大变形的目的，形成“锚固体-框架梁-边坡”整体体系。同时，“井”字形框架梁之间种植植被可达到防止雨水等冲刷和绿化目的。特别是，近年来地震典型震害分析表明相对于前四种支护，框架锚固体支护结构抗震效果较好。

但是，目前框架锚固支护体系，如图1所示，采用框架梁包括锚固支座在内采用整体浇注，为刚性设计，地震作用下“刚者易折”，整浇框架梁易发生应力集中破坏或锚索锚头断裂，造成“锚固体-框架梁-边坡”传力机制失效，进而形成边坡整体失稳，效果不佳。

因此，上述问题亟待解决。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种新型边坡支护系统。

技术方案：本发明提供了一种新型边坡支护系统，包括横梁、纵梁和支座，所述横梁和/或纵梁与支座之间通过铰单元连接。本发明所述的新型边坡支护系统，其设计合理，依据“刚柔结合”及边坡-支护“共同承载”的思想，在框架梁连接处释放自由度连接代替原整体浇注设计，成为刚柔结合的框架梁结构，稳定性好，抗震效果好。

进一步的，上述的新型边坡支护系统，所述支座中部设有锚固体，所述锚固体包括锚杆和锚索。锚固体可以进一步增加立体固定，对支护荷载的部分分担作用，在地下结构稳定性应用，即在衬砌和围岩共同承载，达到支护围岩统统稳定性。此思想用于边坡支护时，以支护承载为主，但是允许边坡适度变形承载，甚至是浅层局部失稳，达到对支护荷载的部分分担作用，进而保护支护-边坡整体稳定。

进一步的，上述的新型边坡支护系统，所述铰单元包括连接部和铰，所述连接部设于横梁和/或纵梁以及支座上，并通过铰相连接。释放锚座与框架结构之间的刚接自由度的方式有很多：如单纯球铰连接、链式连接、支铰连接等。作为其中的一种优选方式，支铰连接的方式效果更佳，采用支铰连接的方式，由此框架梁锚固支护体系由整体刚性向整体柔性转变，效果佳。

进一步的，上述的新型边坡支护系统，所述横梁和/或纵梁以及支座内还设有一组锚筋。通过设置锚筋进一步增加横梁、纵梁以及支座的刚性强度，进一步增加框架梁锚固支护系统的稳定性。

进一步的，上述的新型边坡支护系统，所述锚筋为截面L形的锚筋，并固定在连接部上。L形的锚筋在保证刚性强度的基础上，进一步降低框架梁锚固支护系统的重量，同时结构设置合理，传力和支护承载性更好。

进一步的，上述的新型边坡支护系统，所述铰包括球铰和万向铰。应用方便，且应用成本低。

上述技术方案可以看出，本发明具有如下有益效果：

传统框架梁锚固体系中的框架梁采用整体浇注，为刚性设计，此种设计在地震作用下，框架梁部位及锚头连接成为抗震薄弱点。本发明提高的新型边坡支护系统，通过释放锚固体与框架梁连接处的自由度将刚接转化为柔接，其设计理念源自两方面内容1.“刚柔结合”的抗震思想；2.支护-被支护体“整体承载”思想，即在衬砌和围岩共同承载，达到支护围岩统统稳定性。此思想用于边坡支护时，以支护承载为主，但是允许边坡适度变形承载，甚至是浅层局部失稳，达到对支护荷载的部分分担作用，进而保护支护-边坡整体稳定。

设计机理可总结为以下三方面：

（1）从传力机制方面：传统框架支护体系中，锚固力通过框架结构直接作用于边坡表面，进而起到支护作用；而柔性铰接框架支护下，锚固力通过支铰传递到框架，进而通过框架限制整个边坡面的位移变形、滑动，对边坡进行支护。因此，柔性铰接框架支护可以提供更优于刚性框架支护的传力和支护机制。

（2）从自由度释放方面：在不影响锚固力传递的情况下，通过在弯矩、应力较为集中且容易破坏的部位，释放自由度，有利于解除应力集中，改善内力状态，进而避免框架梁本身的破坏。在应力集中部位设置柔性铰接，这也是选择铰接部位的一个原则。另一方面，释放了支座及锚固体在垂直坡面方向的自由度，地震作用下，允许锚座存在一定程度的变形，有利于锚固体抗拉断。

（3）从能量耗散机制方面：柔性支护允许边坡的适度变形，部分地震能量将通过边坡适度耗散吸收，实现从单纯依靠支护结构承载，向以支护结构为主，边坡适度承载转变，进而分担支护承载，保护“支护-边坡”整体稳定。

此外，释放锚座与框架结构之间的刚接自由度的方式有很多：如单纯球铰连接、链式连接、支铰连接等。作为其中的一种优选方式，支铰连接的方式效果更佳，由此框架梁锚固支护体系由整体刚性向整体柔性转变，具有很高的推广价值。

附图说明

图1为本发明所述现有技术中所述传统刚性连接的框架梁锚固体系的结构示意图；

图2为本发明所述框架梁锚固体系应用时的结构示意图；

图3为本发明实施例1中所述的新型边坡支护系统的结构示意图；

图4为本发明实施例1中所述的新型边坡支护系统应用时的结构示意图；

图5为本发明实施例2中所述的新型边坡支护系统的结构示意图；

图6为本发明实施例2中所述的新型边坡支护系统应用时的结构示意图；

图7为本发明实施例3中所述的新型边坡支护系统的结构示意图；

图8为本发明实施例3中所述的新型边坡支护系统应用时的结构示意图；

图9为边坡数值模型示意图；

图10为刚性连接框架支护模型，a为加固后边坡模型网格图，b为混凝土框架网格图，c为锚杆位置布置图，d为锚杆布置图；

图11为新型边坡支护系统，a为加固后边坡模型网格图，b为混凝土框架网格图，c为锚杆位置布置图，d为锚杆布置图；

图12为监测点布置位置；

图13为监测点1位移图；

图14为边坡剪应变增率；

图15为折减系数为2.2边坡剪应变增率图；

图16为新型边坡支护系统边坡剪应变增率（折减系数2.2）；

图17为框架监测位置图；

图18为框架最大拉应力(折减系数1.8)对比图；

图19为监测横梁与立柱最大拉应力对比；

图20为框架最大压应力（折减系数2.1）对比图；

图21为监测横梁与立柱最大压应力。

图中：1横梁、2纵梁、3支座、4铰单元、41连接部、42铰、5锚固体、51锚杆、52锚索、6锚筋、7基础梁、8边坡。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例1

如图3所示的新型边坡支护系统，包括横梁1、纵梁2和支座3，所述横梁1与支座3之间通过铰单元4连接。此外，所述支座3中部设有锚固体5。其中，所述铰单元4包括连接部41和铰42，所述连接部41设于横梁1和支座3上，并通过铰42相连接。并且，所述锚固体5包括锚杆51和锚索52。另，所述横梁1和支座3内还设有一组锚筋6，所述锚筋6为截面L形的锚筋6，并固定在连接部41上。

应用时，如图2和图4所示，新型边坡支护系统设于基础梁7上，而一组锚固体5设在边坡8内，其中，锚索52设于边坡8内的深处，并通过锚杆51固定在支座3上。

实施例2

如图5所示的新型边坡支护系统，包括横梁1、纵梁2和支座3，所述纵梁2与支座3之间通过铰单元4连接。此外，所述支座3中部设有锚固体5。其中，所述铰单元4包括连接部41和铰42，所述连接部41设于纵梁2以及支座3上，并通过铰42相连接。并且，所述锚固体5包括锚杆51和锚索52。另，所述纵梁2以及支座3内还设有一组锚筋6，所述锚筋6为截面L形的锚筋6，并固定在连接部41上。

应用时，如图2和图6所示，新型边坡支护系统设于基础梁7上，而一组锚固体5设在边坡8内，其中，锚索52设于边坡8内的深处，并通过锚杆51固定在支座3上。

实施例3

如图7所示的新型边坡支护系统，包括横梁1、纵梁2和支座3，所述横梁1和纵梁2与支座3之间通过铰单元4连接。此外，所述支座3中部设有锚固体5。其中，所述铰单元4包括连接部41和铰42，所述连接部41设于横梁1、纵梁2以及支座3上，并通过铰42相连接。并且，所述锚固体5包括锚杆51和锚索52。另，所述横梁1、纵梁2以及支座3内还设有一组锚筋6，所述锚筋6为截面L形的锚筋6，并固定在连接部41上。

应用时，如图2和图8所示，新型边坡支护系统设于基础梁7上，而一组锚固体5设在边坡8内，其中，锚索52设于边坡8内的深处，并通过锚杆51固定在支座3上。

其中，实施例3作为本发明的最优实施方式，对其性能进行测试，将其与天然无支护边坡状态以及传统传统刚性连接的框架梁锚固体系进行性能比对。

1.力学模型

采用Flac3D进行相应的边坡、框架梁、锚杆、支铰模型进行模拟。边坡采用土质边坡模拟，采用摩尔-库伦弹塑性本构模型；锚杆采用Flac3D模拟的cable单元模拟；框架梁部分采用混凝土实体单元模拟。对于柔性铰接，本文将锚头下混凝土垫层与实体梁连接部分，采用Flac3D的beam模型进行模拟。通过设置beam两端自由度，模拟支铰的力学特征。采用强度折减法进行边坡失稳判断及安全系数的计算。

2．数值实验分析

2.1边坡数值模型

模型取高21m，宽12m，长35m，坡度为45度。模型的构建遵循“点→线→面→体”自下而上的建模技术，网格剖分见图9，采用空间六面体8节点实体单元和五面体单元相结合的剖分方式。

模型材料主要分为土质边坡与混凝土格埂，两种材料参数如下：

表-1 土层物理力学参数

2.2．刚性连接框架支护体系

经过框架预应力锚杆加固后，边坡模型上覆盖混凝土框架结构，框架沿宽度方向布置两格，沿高度方向布置四格。混凝土框架高0.6m，其中三分之一埋入土体内，框架间距为4m。每一框架交接点出打入锚杆，上面四排锚杆长度为14m，最下部一排锚索长10m，锚杆末端被固定在土体中，使其具备良好锚固力。具体布置见图10。

2.3．柔性铰接框架支护体系

与刚性连接框架支护体系相似，边坡模型上覆盖混凝土框架结构，框架沿宽度方向布置两格，沿高度方向布置四格。混凝土框架高0.6m，其中三分之一埋入土体内，框架间距为4m，每一框架交接点出打入锚索，上面四排锚索长度为14m，最下部一排锚索长10m。框架交接点周围混凝土刚性结构去除，改为由Flac3D中梁单元模拟柔性连接。同时通过合理的变化，增加锚杆与梁之间自由度，使体系变为柔性框架连接预应力锚杆支护，具体布置由图11所示。

3．结果及讨论

3.1．边坡坡面变形

在边坡模型表面布置四个监测点，监测在不同折减系数下边坡受重力作用不同位置的初始位移，评价柔性框架支护方案对边坡滑动的控制效果。监测点具体布置见图12。

对天然无支护边坡，随着参数折减系数不断增加，边坡土体所产生的位移渐渐增大，如图13所示。监测点2-4位移规律与监测1相似，此处只给出监测点1位移图。当折减系数为2.2时，边坡位移不断增加，位移趋向无穷大。根据边坡稳定理论，认为天然无支护边坡安全系数为2。

采用柔性框架锚固体系对边坡进行加固后，随着参数折减系数不断增加，边坡土体所产生的位移渐渐增大，如图13所示。同时，当折减系数增至3.0时，边坡稳定计算仍然能达到稳定平衡，边坡安全系数超过3。由此可以看出，柔性框架预应力锚杆支护很好地抑制了边坡表面滑动，具备良好的加固效果。

3.2．边坡潜在滑动面

由Mohr-Coulomb理论可知，岩土体破坏是由于某一面上的剪应力达到了岩土体的剪切强度，此时剪切面上必然发生较大的剪切变形。因此，可以通过边坡土体的剪应变增量确定边坡潜在滑动面。当折减系数为1.6时，边坡剪应变增量最大为2.28×10^-3，当折减系数为1.8时，边坡剪应变增量最大为9.46×10^-3，当折减系数为2.0时，边坡剪应变增量最大为9.09×10^-2。经过柔性框架预应力锚杆加固后边坡剪应变增量明显减小。当折减系数增至2.2时，滑动面明显消失，加固效果良好。如图14所示：当折减系数为2.2时，从上面分析可知此时边坡失稳，边坡剪应变增量不断增大，边坡出现明显滑动面，如图15-16所示。

3.3．框架应力分析

3.3.1．框架最大拉应力

混凝土框架与预应力锚杆为整体体系，混凝土框架的安全性对于边坡稳定性至关重要。本文分析在边坡变形中，两种连接形式框架各横梁、立柱的受力情况。对框架上各个监测横梁与立柱进行编号（图17），横梁从坡底向上编号依次为1、2、3、4，立柱从坡底向上依次为5、6、7、8。

通过计算结果可知，边坡发生滑动破坏时，框架的拉应力主要集中在坡脚处位置以及靠近坡脚框架节点处，此处为拉裂破坏主要位置（图18）。同时对比柔性框架与刚性框架，柔性框架最大拉应力仅为刚性框架的一半。

分析八根监测梁的计算结果（图19），柔性框架结构使得梁上的拉应力有了明显地降低。靠近坡底的1号横粱与5号立柱拉应力较大，发生拉裂破坏的可能性较大。而柔性框架结构相比刚性框架结构，对于靠近坡脚的横梁与立柱上拉应力改善尤为明显。使用刚性框架结构，1号横梁最大拉应力为4.80Mpa，5号立柱最大拉应力为3.46Mpa；而使用柔性框架结构，1号横梁最大拉应力仅为2.06Mpa，5号立柱最大拉应力降为2.19Mpa。分析其他横梁与立柱计算结果可以得到相同结论。

3.3.2．框架最大压应力

对应于框架最大拉应力计算结果，柔性框架结构相比刚性框架结构最大压应力值较小（图20）。框架中靠近坡脚的横梁与立柱压应力较大，1号横梁最大压应力为1.80Mpa，5号立柱最大拉应力为1.48Mpa；使用柔性框架结构，1号横梁最大拉应力降为0.79Mpa，5号立柱最大拉应力降为0.82Mpa（图21）。可以发现，柔性框架结构同样可以降低框架各横梁立柱的压应力，并且改善效果明显。

总结

（1）支护与边坡为整体体系，支护的失效性对于边坡稳定性至关重要。柔性铰接框架预应力锚杆支护可以有效地对边坡起到加固作用，控制边坡滑动与剪应变增量发展。

（2）柔性支护相比于刚性支护对于横梁的受力有较大改善，能够明显降低横梁的拉应力与压应力值。对于纵梁，柔性支护可以明显降低其拉应力，对其压应力降低并不明显。柔性支护设计中可以降低横梁的设计标准，对纵梁应采用和刚性支护一致的设计标准。

（3）靠近边坡底部的横梁与纵梁在边坡发生滑移时内力较大，设计时应对这些位置的梁予以加固。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种新型边坡支护系统，其特征在于：包括横梁（1）、纵梁（2）和支座（3），所述横梁（1）和/或纵梁（2）与支座（3）之间通过铰单元（4）连接。

2.根据权利要求1所述的新型边坡支护系统，其特征在于：所述支座（3）中部设有锚固体（5），所述锚固体（5）包括锚杆（51）和锚索（52）。

3.根据权利要求1所述的新型边坡支护系统，其特征在于：所述铰单元（4）包括连接部（41）和铰（42），所述连接部（41）设于横梁（1）和/或纵梁（2）以及支座（3）上，并通过铰（42）相连接。

4.根据权利要求3所述的新型边坡支护系统，其特征在于：所述横梁（1）和/或纵梁（2）以及支座（3）内还设有一组锚筋（6）。

5.根据权利要求4所述的新型边坡支护系统，其特征在于：所述锚筋（6）为截面L形的锚筋（6），并固定在连接部（41）上。

6.根据权利要求3所述的新型边坡支护系统，其特征在于：所述铰（42）包括球铰和万向铰。