一种悬空式锚索格构梁膨胀土边坡支挡结构及施工方法

本发明涉及膨胀土边坡支挡，具体涉及一种悬空式锚索格构梁膨胀土边坡支挡结构及施工方法。

背景技术：

1、膨胀土是一种富含高岭石、伊利石及蒙脱石等亲水性粘土矿物，并且是一种随含水量的增减，土体体积会发生显著胀缩变形的高塑性粘土。其主要具有以下工程特性：(1)胀缩性；膨胀土吸水后体积膨胀会使其表面的建筑物或构筑物发生隆起，而膨胀土失水后体积收缩，则易造成土体开裂，并使其表面的建筑物或构筑物下沉。同时，膨胀土不同于其他粘土的胀缩性，反复的干缩湿胀会导致土体有效凝聚力下降，使得土体的强度降低。(2)裂隙性；膨胀土中的裂隙，主要可分为垂直裂隙、水平裂隙与斜交裂隙三种类型。这些裂隙将土体分割成具有一定几何形状的块体，破坏了土体的完整性。膨胀土边坡的破坏，大多与土中所含裂隙有关，且边坡滑动面的形成主要受裂隙软弱结构面控制。裂隙的产生是由于膨胀土的胀缩特性所引起的，反复的吸水膨胀、失水干缩，反复周期变化，导致土体结构松散，而土体结构的松散又使得雨水入渗加剧，为胀缩创造了条件。(3)风化特性；膨胀土受气候因素影响，极易产生风化破坏。边坡开挖后，土体在风化作用下，很快会产生碎裂、剥落和软化等现象，使土体结构破坏，强度进一步降低。可见，膨胀土地区边坡的稳定性问题极为复杂。

2、对于膨胀土边坡的治理目前主要有限制土体裂缝发展和不限制土体裂缝发展两种基本原则。其中，限制土体裂缝发展思路的具体措施有换填、土体改良及土工膜加固等方法；而不限制土体裂缝发展思路的具体措施有设置土工袋、支挡结构及坡面防护等方法。在上述具体措施中，采用边坡支挡结构适用于加固含原生软弱结构面或潜在滑动面的高陡不稳定膨胀土边坡且具有较好的加固效果，因此，被大量应用于膨胀土边坡的治理之中。常见的边坡支挡结构包括挡土墙、抗滑桩、土钉墙及锚杆(索)格构梁等。

3、由于能够主动加载并控制边坡变形，锚杆(索)格构梁边坡支挡结构越来越多地应用于膨胀土地区各种类型的、不同高度的自然边坡及人工边坡的加固治理之中。如中国专利文件111945752a公开了一种适用于膨胀土边坡自适应变形控制的框锚支护结构，包括防水土工膜、排水槽、框架梁、锚杆和自适应变形控制模块，通过高压惰性气体的气腔与现有框架梁支护结构相结合来适应并控制膨胀土边坡任意形式的变形；中国专利文件113026773a公开了一种用于膨胀土边坡的框格梁支护系统及其施工方法，采用高强弹性橡胶片在工厂生产竖直弹性件与水平弹性件并在锚杆框架梁每个交叉节点处设置一个“十”形弹性件整体，依靠弹性件的弹性来抑制膨胀土的膨胀特性；中国专利文件114703871a公开了一种膨胀土挖方边坡的刚柔性组合支护结构及施工方法，在坡面框架梁侧边设置带钩弹簧膨胀螺栓并在框格内坡面上插入弹簧锚杆以适应膨胀土边坡坡面的涨缩变形；中国专利文件116290031a公开了一种用于防护膨胀土边坡的生态韧性格构锚固结构及施工方法，包括植被保护垫、格构梁、锚杆、u形钉、截/排水沟和护坡植被，通过植被保护垫与植被组成的复合整体能够有效调整水分运移，限制表层土体开裂，限制裂隙向深部开展，阻止大气影响深度向土体深处发展；中国专利116335167a公开了一种膨胀土边坡自适应排水减胀综合处治系统及其施工方法，包括格构梁、触展型锚杆、自适应抽排水装置、流体减胀装置和区间能控器，及格构框格内设置有植被，提供一种兼顾加固、排蓄水、柔性减胀、绿化等作用的膨胀土边坡自适应排水减胀综合处治系统等。

4、但是，目前国内采用格构梁对膨胀土边坡进行加固治理存在以下缺点：①尽管设置了各种各样的附属设施和装置，总体而言，格构梁仍然直接设置于边坡坡面并且直接承受膨胀土边坡在雨季的强度大膨胀压力及旱季因收缩而发生格构梁底部脱空的现象；②诸如气腔、弹性橡胶片、膨胀螺栓、膨胀锚杆、植被保护垫及抽排水装置等附属设施直接暴露在边坡坡面恶劣的大气环境中，随着时间的增长上述装置容易发生老化、劣化、锈蚀等现象导致其功能丧失；③采用格构梁，在格构梁交叉节点处多采用普通锚杆(全长黏结型锚杆)，没有对锚杆施加预应力，不利于边坡变形的控制。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供了一种悬空式锚索格构梁膨胀土边坡支挡结构及施工方法，能够适用于膨胀土地区规模不一、高度各异的挖方边坡或自然边坡工程的加固治理。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

3、一种悬空式锚索格构梁膨胀土边坡支挡结构，包括锚墩、悬空式格构横梁、悬空式格构纵梁、预应力锚索、支挡结构基础及支挡结构冠梁，锚墩、格构横梁及格构纵梁在膨胀土边坡坡面整体现浇钢筋混凝土一次成型，其中锚墩设置于坡面刻槽内与膨胀土边坡直接接触并与设置在锚墩中心处的预应力锚索共同作用以保障旱季边坡的整体稳定性，格构横梁和格构纵梁刚接于锚墩侧面并距膨胀土边坡一定的悬空高度以承受雨季土体不大的膨胀压力，坡面上锚墩四周悬空刚性连接的格构横梁和格构纵梁在旱季主动脱离边坡坡面并在雨季接触隆起的边坡坡面以承受不大的土体膨胀压力，尤其在雨季既允许边坡坡面发生一定程度的变形从而释放一定的膨胀压力又限制边坡坡面发生过大的变形从而导致膨胀土边坡失稳，支挡结构基础及支挡结构冠梁分别采用现浇钢筋混凝土后期分次浇捣成型于格构纵梁两端，分别设置在膨胀土边坡的坡脚和坡顶。

4、进一步地，所述锚墩四周纵横向对称地刚性连接有用于连接相邻锚墩的格构横梁及格构纵梁，所述格构横梁及格构纵梁的顶面与锚墩的顶面齐平，所述锚墩设置于坡面刻槽内且其高度大于所述格构横梁及所述格构纵梁的高度并使所述格构横梁及所述格构纵梁的底面距边坡坡面有一定的悬空高度，该悬空高度应根据边坡膨胀土的膨胀性合理确定。

5、进一步地，所述锚墩的钢筋笼双层双向配筋，所述格构横梁及所述格构纵梁的纵向受力钢筋分别横向和纵向穿过所述锚墩的钢筋笼中间靠近顶部位置，所述格构横梁及所述纵梁的受力纵筋上下左右对称、均匀设置。

6、进一步地，所述锚墩中间位置设置有供所述预应力锚索穿过的孔道，该孔道的倾斜角度根据膨胀土边坡坡率和预应力锚的入射角综合确定，孔道的直径以不妨碍预应力锚索外锚段穿过为标准，控制在50mm-100mm。

7、进一步地，在所述锚墩的侧边不小于500mm的范围内为所述格构横梁及所述纵梁的纵向受力钢筋设置箍筋加密区，箍筋加密区内箍筋的间距不大于100mm，所述格构横梁及所述格构纵梁的箍筋非加密区箍筋间距为150mm-200mm。

8、进一步地，所述预应力锚索采用钢绞线或高强精轧螺纹钢，一端采用锚具锚固在所述锚墩顶面，另一端深入至膨胀土边坡深处；且在所述锚墩的顶面为预应力锚索的外锚段上设置可拆卸封锚，以避免所述预应力锚索的外锚段发生锈蚀。

9、本发明还提供了上述的一种悬空式锚索格构梁膨胀土边坡支挡结构的施工方法，包括如下步骤：

10、s1、开挖一个分段内的膨胀土边坡岩土体并修整边坡坡面及测量放线；

11、s2、在膨胀土边坡坡面的锚墩位置刻槽：根据坡面上标注的锚墩位置垂直于边坡坡面刻槽，坡面刻槽平面稍大于锚墩的平面尺寸，且刻槽深度不小于200mm；

12、s3、设置预应力锚索：根据施工图要求将预应力锚索按照预定入射角在锚墩刻槽中心位置钻孔，清孔后在孔内安装预应力锚索并注入砂浆养护待强；

13、s4、悬空式格构梁的施工：在膨胀土边坡坡面整体现浇钢筋混凝土一次成型浇筑锚墩、格构横梁及格构纵梁，其中锚墩设置于坡面刻槽内与膨胀土边坡直接接触，格构横梁和格构纵梁刚接于锚墩侧面并距膨胀土边坡坡面一定的悬空高度；

14、s5、锚索预应力的张拉、锁定；

15、s6、其他辅助作业：(1)在穿过所述锚墩位置处的预应力锚索张拉锁定后，分别在坡脚和坡顶采用现浇钢筋混凝土后期分次浇捣成型浇筑支挡结构基础及支挡结构冠梁；(2)在锚墩的顶面上逐个为预应力锚索的外锚段设置可拆卸封锚；(3)分别在坡脚附近和坡顶附近为膨胀土边坡支挡结构设置坡脚排水沟及坡顶截水沟；(4)根据需要在悬空式支挡结构的框格内膨胀土边坡坡面上植草、喷射混凝土或浆砌片石以封闭膨胀土边坡坡面避免雨水直接入渗及流水冲刷。

16、进一步地，所述步骤s4包括如下步骤：

17、s41、钢筋工程：将预应力锚索的外锚段从底部穿过锚墩的钢筋笼并将锚墩的钢筋笼设置在坡面刻槽内，然后分别沿横向和纵向穿过锚墩的钢筋笼为格构横梁和格构纵梁设置纵向受力钢筋并为纵向受力钢筋绑扎箍筋；

18、s42、模板工程：分别为锚墩、格构横梁及格构纵梁设置模板，其中，格构横梁及格构纵梁的底膜采用一定厚度的泡沫板使得混凝土浇捣完成后格构横梁和格构纵梁的底面距边坡坡面留有一定的悬空高度；

19、s43、混凝土作业：在模板内对一个分段的膨胀土边坡支挡结构整体现浇混凝土并养护待强。

20、进一步地，所述步骤s6中，当采用喷射混凝土或浆砌片石封闭膨胀土边坡坡面时应根据喷层或浆砌片石厚度提前预留好格构横梁和格构纵梁的悬空高度。

21、进一步地，所述锚墩、所述格构横梁、所述格构纵梁、所述支挡结构基础及所述支挡结构冠梁采用强度等级不低于c30的混凝土。

22、本发明的膨胀土边坡支挡结构属于常规现浇钢筋混凝土支挡结构的一种变种，经过多年的实践，其施工工序简单可靠，施工质量有保证，具有以下有益效果：

23、(1)本发明的边坡组合支挡结构主要为钢筋混凝土构件及金属构件(锚索、锚具)，其中的锚索被锚孔内的砂浆所包裹，锚具被封锚所封闭，因此不容易发生锈蚀及劣化现象，有利于保障边坡支挡结构的耐久性；

24、(2)在锚墩中心位置设置预应力锚索可以主动加载有效控制边坡的变形并保障边坡的整体稳定性；

25、(3)本发明的边坡组合支挡结构刚柔并济，旱季依靠预应力锚索及刚性锚墩保障边坡的整体稳定性，雨季依靠锚墩四周设置的柔性格构横梁及格构纵梁承受土体不大的膨胀压力，既允许边坡土体发生一定的变形从而释放一定程度的膨胀压力又避免边坡土体发生过大的变形；

26、(4)在坡面上框格内植草、喷射混凝土或浆砌片石可以减少坡面雨水的直接入渗避免发生较大的膨胀变形并避免坡面雨水冲刷；

27、(5)预应力锚索的外锚段设置可拆卸封锚则有利于对预应力锚索多次进行补偿张拉以应对反复涨缩条件下锚索预应力发生的过分松弛；

28、(6)完工后组合支挡结构的框格内如果采用植草或栽种小型灌木的方案则有利于与周边环境相协调，有利于环境保护。

29、因此，本发明能够适用于膨胀土地区规模不一、高度各异的挖方边坡或自然边坡工程的加固治理，特别适用于膨胀变形较大的强膨胀土边坡的加固治理，是一种值得推广应用的悬空式锚索格构梁膨胀土边坡支挡结构及施工方法。