CN111335341A - 一种跨越岩体裂缝的生态混凝土护坡结构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种跨越岩体裂缝的生态混凝土护坡结构及其施工方法，包括生态混凝土预制板和生态混凝土层，生态混凝土预制板采用多块，间隔均匀地固定连接在边坡坡面上且覆盖边坡裂缝，生态混凝土层覆盖在生态混凝土预制板上。本发明使用生态混凝土预制板代替跨越宽深裂缝所需的模板，与常规挂网喷锚的方法相比，本发明在进行生态混凝土护坡跨越岩体裂缝施工时，可有效避免生态混凝土垮塌、裂缝处生态混凝土填充过厚的问题；与搭设模板后再挂网喷锚的方法相比，本方法可避免在施工后在岩体裂缝中模板拆除困难的问题。

Description

一种跨越岩体裂缝的生态混凝土护坡结构及其施工方法

技术领域

本发明属于生态混凝土护坡技术领域，具体涉及一种跨越岩体裂缝的生态混凝土护坡结构及其施工方法。

背景技术

生态混凝土，即多孔种植混凝土，其具有一定的贯通空隙结构，以粗骨料作为支撑骨架，通过生态凝胶材料胶结而成，其不仅具有与普通混凝土相当的强度，且具有较多贯通孔隙，能够为植物的穿透生长提供条件。因其适宜植物生长，又具有足够的强度，在边坡生态防护中具有较为广泛的引用。由于地壳运动和风化作用，岩土体内部会形成不同规模的裂缝。现有的生态混凝土设计施工方法基本为挂网后直接喷射生态混凝土，对于不存在较大裂缝的边坡具有很强的适用性，但针对边坡岩体存在较大较深裂缝时，这种设计施工方法存在裂缝处生态混凝土支撑不够容易垮塌、裂缝处施工困难、裂缝处生态混凝土填充过厚等问题。针对此问题，本发明提出一种跨越深宽边坡裂缝的生态混凝土护坡结构及其施工方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种跨越岩体裂缝的生态混凝土护坡结构及其施工方法，以解决现有的施工方法针对跨越较深较宽岩体裂缝所遇到的施工问题。

本发明采取的技术方案为：一种跨越岩体裂缝的生态混凝土护坡结构，包括生态混凝土预制板和生态混凝土层，生态混凝土预制板采用多块，间隔均匀地固定连接在边坡坡面上且覆盖边坡裂缝，生态混凝土层覆盖在生态混凝土预制板上。

优选的，上述生态混凝土预制板采用锚杆固定连接到边坡坡面。

优选的，上述生态混凝土预制板上设置有锯齿部，锯齿部的钩齿朝向坡面向上方向。

优选的，上述生态混凝土预制板厚度h不小于生态混凝土层厚度的三分之一，即不小于H/3，且不小于0.05m

两相邻生态混凝土预制板间布设间隙，间隙宽度t＝0.02m。

优选的，上述预制板长度L＝d+0.4m，d边坡裂缝宽度。

一种跨越岩体裂缝的生态混凝土护坡结构的施工方法，该方法包括以下步骤：

(1)浇筑生态混凝土预制板；

(2)对边坡坡面进行清坡，打入锚杆；

(3)布设生态混凝土预制板覆盖边坡裂缝，旋紧锚杆螺栓给锚杆施加预拉力T；

(4)挂网、喷射生态混凝土制得混凝土层。

预制板的配筋布置：现浇生态混凝土施工时，预制板的正截面受弯承载能计算和斜截面受剪承载力计算，预制板上均布荷载Q：

Q＝γ(H+h)cosθ

式中：γ为生态混凝土重度，单位kN/m³；

H为生态混凝土铺设(喷射)厚度，单位m；

h为生态混凝土预制板厚度，单位m；

θ为边坡坡角，单位°；

其沿着裂缝方向每延米受到的最大弯矩由下式计算得到：

式中：M为生态混凝土预制板沿着裂缝方向每延米受到的最大弯矩；生态混凝土预制板厚度h，取锯齿部底部到其对面的距离；d为裂缝宽度，单位m；

生态混凝土预制板沿着裂缝方向每延米受到的最大剪应力由下式计算得到：

式中：τ生态混凝土预制板沿着裂缝方向每延米受到的最大剪力；

根据得到的最大剪应力由《混凝土结构设计规范(GB50010-2010)》计算生态混凝土预制板的配筋布置；

生态混凝土预制板的配筋布置使用时，考虑植物荷载的设计计算：

在使用时，现浇生态混凝土已经具有一定强度与预制混凝土板成为一体共同承担使用时的荷载，相较于浇筑现浇生态混凝土时，其计算高度由h变为(h+H)，设计时，需进行现浇生态混凝土和预制板共同的正截面受弯承载能计算和斜截面受剪承载力计算，其受力特性也和均布荷载下简支梁受力特点基本相同，受力分析可得其上垂直于坡面的均布荷载Q：

Q＝[q+γ(H+h)]cosθ

式中：q为混凝土板使用时，其上生长的植物自重产生的均布荷载。

其沿着裂缝方向每延米受到的最大弯矩可由下式计算得到：

其沿着裂缝方向每延米受到的最大剪应力可由下式计算得到：

由《混凝土结构设计规范(GB50010-2010)》可以计算得到生态混凝土预制板的配筋；

取以上两种情况计算结果中的较大值，确定生态混凝土预制板配筋。

锚杆的设计方法为：使用时，边坡对预制混凝土板的支持力F_N由下式表示：

F_N＝[γ(H+h)bL+q]cosθ+4T

式中：b为生态混凝土预制板宽度；L为生态混凝土预制板长度(沿裂缝宽度方向)，T为锚杆所需锚固力，q为混凝土板使用时，其上生长的植物自重产生的均布荷载；

边坡对生态混凝土预制板的摩擦力f由下式表示：

F_抗滑＝f＝μ{[γ(H+h)+q]cosθbL+4T}

现浇生态混凝土和生态混凝土预制板自重引起的下滑力分量由下式表示F_下滑：

F_下滑＝[γ(H+h)+q]sinθbL

生态混凝土预制板与边坡接触面抗滑稳定性安全系数由下式表示：

根据边坡的重要性，确定一个大于1.0的安全系数F_s，根据此安全系数反算出锚杆预先施加的锚固力T，由下式表示：

将计算出的锚固力带入《建筑边坡工程技术规范》(GB50330-2013)计算出锚杆截面面积A_s和锚杆锚固段长度l_a。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明使用生态混凝土预制板代替跨越宽深裂缝所需的模板，其相较于常规挂网喷锚的方法和搭设模板再挂网喷锚的方法存在以下优势：与常规挂网喷锚的方法相比，本发明在进行生态混凝土护坡跨越岩体裂缝施工时，可有效避免生态混凝土垮塌、裂缝处生态混凝土填充过厚的问题；与搭设模板后再挂网喷锚的方法相比，本方法可避免在施工后在岩体裂缝中模板拆除困难的问题。

附图说明

图1为本发明的护坡结构示意图图；

图2为本发明中岩体裂缝及锚孔示意图；

图3为本发明中边坡锚杆剖面图；

图4为本发明中生态混凝土预制板示意图。

图5为本发明中生态混凝土预制板安装剖面图。

图6为本发明中生态混凝土预制板安装示意图。

图7为本发明中现浇生态混凝土示意图。

图8～10为本发明实施方式中现浇生态混凝土浇筑时，受力分析图。

图11～13为本发明实施方式中使用时，考虑植物荷载的受力分析图。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。

实施例1：如图1-13所示，一种跨越岩体裂缝的生态混凝土护坡结构，包括生态混凝土预制板1和生态混凝土层2，生态混凝土预制板1采用多块，间隔均匀地固定连接在边坡坡面3上且覆盖边坡裂缝4，生态混凝土层2覆盖在生态混凝土预制板1上。

优选的，上述生态混凝土预制板1采用锚杆5固定连接到边坡坡面3，连接稳定可靠。

优选的，上述生态混凝土预制板1上设置有锯齿部6，锯齿部6的钩齿朝向坡面向上方向，能够加大后浇筑生态混凝土层与生态混凝土预制板之间的摩擦力，方便后期生态混凝土的喷射，加强喷射后现浇生态混凝土和生态混凝土预制板间粘结强度。

优选的，上述生态混凝土预制板厚度h不小于生态混凝土层2厚度的三分之一，即不小于H/3，且不小于0.05m。

两相邻生态混凝土预制板间布设间隙，间隙宽度t＝0.02m，该间隙能保证生态混凝土预制板的施工便捷和相邻生态混凝土预制板的板件粘结强度。

优选的，上述预制板长度L＝d+0.4m，d边坡裂缝宽度。

实施例2：如图1-13所示，一种跨越岩体裂缝的生态混凝土护坡结构的施工方法，该方法包括以下步骤：

(1)浇筑生态混凝土预制板；

(2)对边坡坡面进行清坡，打入锚杆；

(3)布设生态混凝土预制板覆盖边坡裂缝，旋紧锚杆螺栓给锚杆施加预拉力T；

(4)挂网、喷射生态混凝土制得混凝土层。

生态混凝土预制板既要在施工承担未凝固的生态混凝土的荷载，又需要在使用时和现场浇筑生态混凝土共同承担上覆植物荷载。在设计时，需考虑这两种情况下的受力变形特性。并且鉴于生态混凝土自身和护坡时的特殊性，且保证设计结构的长期稳定性，在设计时加入构造要求。

其中，使用本方法进行跨裂缝生态混凝土护坡时，需先确定边坡坡角θ(°)，裂缝宽度d(m)，生态混凝土铺设(喷射)厚度H(m)，生态混凝土重度γ(kN/m³)，上覆植物荷载q(kN/m²)，边坡坡面和生态混凝土预制板间的摩擦系数μ。

生态混凝土预制板构造要求：

考虑到生态混凝土存在较多空隙，不能形成内部钢筋的有效保护层，故在施工前需对钢筋进行防锈处理。

为加大后浇筑生态混凝土与生态混凝土预制板之间的摩擦力，方便后期生态混凝土的喷射，加强喷射后现浇生态混凝土和生态混凝土预制板间粘结强度，生态混凝土预制板与生态混凝土接触的表面加工成齿形。

生态混凝土预制板厚度h不小于H/3，且不小于0.05m。

保证生态混凝土预制板的施工便捷和相邻生态混凝土预制板的板件粘结强度，两相邻生态混凝土预制板间留有一定的布设间隙t，一般的取t＝0.02m。

设计预制板长度(沿裂缝宽度方向)为L，其中L＝d+0.4m；设计预制板宽度为b。

1、现浇生态混凝土施工时的设计计算：

1.1预制板的配筋布置：预制板设计主要考虑在浇筑上层生态混凝土时，预制板的正截面受弯承载能计算和斜截面受剪承载力计算，生态混凝土预制板两端受锚杆固定，在裂缝两侧岩体上，与均布荷载下简支梁受力特点基本相同，受力分析预制板上均布荷载Q：

Q＝γ(H+h)cosθ

式中：γ为生态混凝土重度，单位kN/m³；

H为生态混凝土铺设(喷射)厚度，单位m；

h为生态混凝土预制板厚度，单位m；

θ为边坡坡角，单位°；

其沿着裂缝方向每延米受到的最大弯矩由下式计算得到：

式中：M为生态混凝土预制板沿着裂缝方向每延米受到的最大弯矩；生态混凝土预制板厚度h，取锯齿部底部到其对面的距离；d为裂缝宽度，单位m；

生态混凝土预制板沿着裂缝方向每延米受到的最大剪应力由下式计算得到：

式中：τ生态混凝土预制板沿着裂缝方向每延米受到的最大剪力；

根据得到的最大剪应力由《混凝土结构设计规范(GB50010-2010)》计算生态混凝土预制板的配筋布置。

1.2锚杆的设计方法为：边坡对预制混凝土板的支持力F_N由下式表示：

F_N＝γ(H+h)bLcosθ+4T

式中：b为生态混凝土预制板宽度；L为生态混凝土预制板长度(沿裂缝宽度方向)，T为锚杆所需锚固力；

边坡对生态混凝土预制板的摩擦力f由下式表示：

F_抗滑＝f＝μ[γ(H+h)bLcosθ+4T]

F_抗滑为浇生态混凝土和预制生态混凝土预制板所受的抗滑力，现浇生态混凝土和预制生态混凝土预制板所受的抗滑力仅为摩擦力(现有的锚杆大多为受拉构件，因此此处不考虑锚杆的抗剪强度)。

现浇生态混凝土和生态混凝土预制板自重引起的下滑力分量由下式表示F_下滑：

F_下滑＝γ(H+h)bLsinθ

生态混凝土预制板与边坡接触面抗滑稳定性安全系数由下式表示：

根据边坡的重要性，确定一个大于1.0的安全系数F_s，根据此安全系数反算出锚杆预先施加的锚固力T，由下式表示：

将计算出的锚固力带入《建筑边坡工程技术规范》(GB50330-2013)计算出锚杆截面面积A_s和锚杆锚固段长度l_a。

2、使用时，考虑植物荷载的设计计算：

2.1生态混凝土预制板配筋设计

在使用时，现浇生态混凝土已经具有一定强度与预制混凝土板成为一体共同承担使用时的荷载，相较于浇筑现浇生态混凝土时，其计算高度由h变为(h+H)。设计时，需进行现浇生态混凝土和预制板共同的正截面受弯承载能计算和斜截面受剪承载力计算，其受力特性也和均布荷载下简支梁受力特点基本相同，受力分析可得其上每延米均布荷载Q：

Q＝[q+γ(H+h)]cosθ

其沿着裂缝方向每延米受到的最大弯矩可由下式计算得到：

其沿着裂缝方向每延米受到的最大剪应力可由下式计算得到：

由《混凝土结构设计规范(GB50010-2010)》可以计算的到生态混凝土预制板的配筋。

2.2锚杆设计

进行锚杆设计时，主要生态混凝土预制板与边坡接触面抗滑稳定性，边坡对单个预制混凝土板的支持力F_N可由下式表示：

F_N＝[γ(H+h)+q]bLcosθ+4T

边坡对单个预制混凝土板的摩擦力f可由下式表示：

F_抗滑＝f＝μ{[γ(H+h)+q]bLcosθ+4T}

F_抗滑为浇生态混凝土和预制生态混凝土预制板所受的抗滑力，现浇生态混凝土和预制生态混凝土预制板所受的抗滑力仅为摩擦力(现有的锚杆大多为受拉构件，因此此处不考虑锚杆的抗剪强度)。

现浇生态混凝土和生态混凝土预制板自重引起的下滑力分量可由下式表示F_滑：

F_下滑＝[γ(H+h)+q]bLsinθ

生态混凝土预制板与边坡接触面抗滑稳定性安全系数可由下式表示：

可根据边坡的重要性，确定一个大于1.0的安全系数F_s，根据此安全系数可反算出锚杆需要预先施加的锚固力T，可由下式表示：

对比下列两式发现：

不考虑植物荷载时：

现浇生态混凝土施工时(即不考虑植物荷载时)所需的预加锚固力始终小于使用时所需的预加锚固力。因此实际设计锚杆时，只需考虑使用时的荷载即可。

取以上两种情况计算结果中的较大值，确定生态混凝土预制板配筋和锚杆最小截面面积和锚固长度。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种跨越岩体裂缝的生态混凝土护坡结构，其特征在于：包括生态混凝土预制板(1)和生态混凝土层(2)，生态混凝土预制板(1)采用多块，间隔均匀地固定连接在边坡坡面(3)上且覆盖边坡裂缝(4)，生态混凝土层(2)覆盖在生态混凝土预制板(1)上。

2.根据权利要求1所述的一种跨越岩体裂缝的生态混凝土护坡结构，其特征在于：生态混凝土预制板(1)采用锚杆(5)固定连接到边坡坡面(3)。

3.根据权利要求1所述的一种跨越岩体裂缝的生态混凝土护坡结构，其特征在于：生态混凝土预制板(1)上设置有锯齿部(6)，锯齿部(6)的钩齿朝向坡面向上方向。

4.根据权利要求1所述的一种跨越岩体裂缝的生态混凝土护坡结构，其特征在于：生态混凝土预制板厚度h不小于生态混凝土层(2)厚度的三分之一，即不小于H/3，且不小于0.05m。

5.根据权利要求1所述的一种跨越岩体裂缝的生态混凝土护坡结构，其特征在于：两相邻生态混凝土预制板间布设间隙，间隙宽度t＝0.02m。

6.根据权利要求1所述的一种跨越岩体裂缝的生态混凝土护坡结构，其特征在于：预制板长度L＝d+0.4m，d边坡裂缝宽度。

7.根据权利要求1-6任一所述的一种跨越岩体裂缝的生态混凝土护坡结构的施工方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

(1)浇筑生态混凝土预制板；

(2)对边坡坡面进行清坡，打入锚杆；

(3)布设生态混凝土预制板覆盖边坡裂缝，旋紧锚杆螺栓给锚杆施加预拉力T；

(4)挂网、喷射生态混凝土制得混凝土层。

8.根据权利要求7所述的一种跨越岩体裂缝的生态混凝土护坡结构的施工方法，其特征在于：预制板的配筋布置：现浇生态混凝土施工时，预制板的正截面受弯承载能计算和斜截面受剪承载力计算，预制板上均布荷载Q：

Q＝γ(H+h)cosθ

式中：γ为生态混凝土重度，单位kN/m³；

H为生态混凝土铺设(喷射)厚度，单位m；

h为生态混凝土预制板厚度，单位m；

θ为边坡坡角，单位°；

其沿着裂缝方向每延米受到的最大弯矩由下式计算得到：

式中：M为生态混凝土预制板沿着裂缝方向每延米受到的最大弯矩；生态混凝土预制板厚度h，取锯齿部底部到其对面的距离；d为裂缝宽度，单位m；

生态混凝土预制板沿着裂缝方向每延米受到的最大剪应力由下式计算得到：

式中：τ生态混凝土预制板沿着裂缝方向每延米受到的最大剪力；

根据得到的最大剪应力由《混凝土结构设计规范(GB50010-2010)》计算生态混凝土预制板的配筋布置；

生态混凝土预制板的配筋布置使用时，考虑植物荷载的设计计算：

在使用时，现浇生态混凝土已经具有一定强度与预制混凝土板成为一体共同承担使用时的荷载，相较于浇筑现浇生态混凝土时，其计算高度由h变为(h+H)，设计时，需进行现浇生态混凝土和预制板共同的正截面受弯承载能计算和斜截面受剪承载力计算，其受力特性也和均布荷载下简支梁受力特点基本相同，受力分析可得其上垂直于坡面的均布荷载Q：

Q＝[q+γ(H+h)]cosθ

式中：q为混凝土板使用时，其上生长的植物自重产生的均布荷载。

其沿着裂缝方向每延米受到的最大弯矩可由下式计算得到：

其沿着裂缝方向每延米受到的最大剪应力可由下式计算得到：

由《混凝土结构设计规范(GB50010-2010)》可以计算的到生态混凝土预制板的配筋；

取施工时和使用时两种情况计算结果中的较大值，确定生态混凝土预制板配筋。

9.根据权利要求7所述的一种跨越岩体裂缝的生态混凝土护坡结构的施工方法，其特征在于：锚杆的设计方法为：边坡对预制混凝土板的支持力F_N由下式表示：

F_N＝[γ(H+h)bL+q]cosθ+4T

式中：b为生态混凝土预制板宽度；L为生态混凝土预制板长度，T为锚杆所需锚固力；

边坡对生态混凝土预制板的摩擦力f由下式表示：

F_抗滑＝f＝μ{[γ(H+h)+q]cosθbL+4T}

式中：F_抗滑为浇生态混凝土和生态混凝土预制板所受的抗滑力；

现浇生态混凝土和生态混凝土预制板自重引起的下滑力分量由下式表示F_下滑：

F_下滑＝[γ(H+h)+q]sinθbL

生态混凝土预制板与边坡接触面抗滑稳定性安全系数由下式表示：

根据边坡的重要性，确定一个大于1.0的安全系数F_s，根据此安全系数反算出锚杆预先施加的锚固力T，由下式表示：

将计算出的锚固力带入《建筑边坡工程技术规范》(GB50330-2013)计算出锚杆截面面积A_s和锚杆锚固段长度l_a。

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