用于边坡加固的地下梁桩框架结构.pdf

本发明提供一种用于边坡加固的地下梁-桩框架结构，包括：在从边坡的表面到深部稳定岩土体的范围内依次设置的坡面连系梁、中空近水平梁、中空桩、中空斜桩和实体桩；其中坡面连系梁设置在边坡表面上；中空近水平梁基本沿水平方向设置于边坡内部，其一端允许出露在边坡表面上；中空桩和中空斜桩分别沿近垂直方向和倾斜方向设置于边坡内部，其一端允许出露在边坡表面上，并且与相邻的坡面连系梁和中空近水平梁相连接；实体桩一般设置在中空近水平梁、中空桩和中空斜桩的下方，并要置入边坡内部的稳定岩土体内。

1.  一种用于边坡加固的地下梁-桩框架结构，包括：在从边坡的表面到深部稳定岩土体的范围内依次设置的坡面连系梁、中空近水平梁、中空桩、中空斜桩和实体桩；其中坡面连系梁设置在边坡表面上；中空近水平梁基本沿水平方向设置于边坡内部，其一端允许出露在边坡表面上；中空桩和中空斜桩分别沿近垂直方向和倾斜方向设置于边坡内部，其一端允许出露在边坡表面上，并且与相邻的坡面连系梁和中空近水平梁相连接；实体桩一般设置在中空近水平梁、中空桩和中空斜桩的下方，并要置入边坡内部的稳定岩土体内。

2.  根据权利要求1所述的地下梁-桩框架结构，其特征在于：对于高陡边坡，中空桩、中空斜桩或实体桩要穿过边坡岩土体中的断层、层面、节理或裂隙软弱结构面。

3.  根据权利要求1所述的地下梁-桩框架结构，其特征在于：对于非高陡边坡，中空桩、中空斜桩或实体桩要穿过边坡变形范围的底界。

4.  根据权利要求1所述的地下梁-桩框架结构，其特征在于：所述的中空近水平梁、中空桩和中空斜桩为中空形状，并通过中空四通/三通接头来连接。

5.  根据权利要求1所述的地下梁-桩框架结构，其特征在于：中空近水平梁内可以设置多点伸长计、水平钻孔倾斜仪观测所需的设施，而中空部分的侧壁上有纤维束导渗排水孔，排水孔内部有纤维束导水装置。

6.  根据权利要求1所述的地下梁-桩框架结构，其特征在于：中空桩和中空斜桩内可以设置垂直钻孔倾斜仪观测所需的设施，而中空部分的侧壁上有纤维束导渗排水孔，排水孔内部有纤维束导水装置。

7.  根据权利要求1所述的地下梁-桩框架结构，其特征在于：与坡面连系梁连接的中空桩或中空斜桩的端头要高出槽式坡面连系梁的顶面，并设置有测斜管保护盖、桩顶透气孔设施。

8.  根据权利要求1所述的地下梁-桩框架结构，其特征在于：坡面连系梁上设置表面倾斜仪和地表位移观测用的设施。

9.  根据权利要求1、7或8所述的地下梁-桩框架结构，其特征在于：坡面连系梁为槽式坡面连系梁，与邻近的中空桩、中空斜桩相连接，同时具有坡面排水的功能。

用于边坡加固的地下梁-桩框架结构
技术领域
本发明涉及一种用于边坡加固的地下梁-桩框架结构，尤其是一种将边坡加固、边坡排水和边坡监测合为一体的地下梁-桩框架结构。
背景技术
在水利水电、铁路交通、矿山、国防等工程建设中将遇到大量的边坡加固工程，其中包括许多高度超过百米，甚至上千米的高陡边坡问题。在一定条件下，这些边坡可能因稳定性不足而发生较严重的破坏，甚至失稳。用于边坡治理的方法较多，大致可以分为三类。一类是“挖上补下”，即挖除稳定性较差的上部岩土体并使之压在坡脚上，以达到消除局部不稳定的隐患和增加整体稳定性的目的。当然仅“挖上”而无法“补下”的方法也归属于该类方法。第二类是排水，这是一种与“治坡先治水”理念完全一致且往往取得很好效果的方法。排水对于大型高陡边坡来说尤其重要。第三类是利用人工构筑物(包括挡土墙、抗滑桩、锚索等)来加固边坡的方法。一般而言，设计者在边坡治理中往往考虑上述三类方法的综合利用，并依据具体的工程要求和经济分析来选择一些方法的联合使用。
在上述“挖上补下”的设计和施工方面通常不涉及太多的技术问题，因为“挖”何处、“挖”多少、“补”何处、“补”多少等问题主要取决于对边坡各部位稳定程度的认识和设计方面的考虑。排水技术主要分为地表排水和地下排水两大类，前者主要指在地表或坡面上采用排水沟和排水孔的排水技术，而后者则为地下排水洞、布置在洞壁上的排水孔以及设置于洞底的排水沟等排水技术。至于利用人工构筑物来加固边坡的方法，常用的传统方法包括挡墙、锚杆联合喷射混凝土面层、预应力锚索、预应力锚索联合格构梁、抗滑桩、抗滑桩联合预应力锚索、锚固洞以及新发展的预应力锚梁技术和预应力抗滑桩技术。以下为上述背景技术的简单介绍。
(1)挡墙的加固原理、特点与不足
该方法一般是利用挡墙与基础之间的摩擦力、墙体材料的抗剪能力以及墙体的抗倾覆能力来抵抗边坡的下滑力。作为一类刚性支挡结构，挡墙高度和宽度一般情况下不会太大，基础埋深也比较浅。总的说来，挡墙适合于下滑力不大、滑面在坡脚附近或散体堆积物所构成的小型边坡，此时的挡墙还具有反压坡脚的功能。据分析，用于边坡加固的挡墙有着以下不足：
(a)挡墙必须是“着地”的，也就是说在坡脚处必须有施作挡墙的工程地质条件和空间，对于高陡边坡来说显然是不适用的；
(b)由于所提供的抗滑力有限，所以挡墙并不适合大中型边坡或下滑力较大的边坡；
(c)对于滑面位置较高的边坡来说，利用挡墙进行加固也不适合；
(d)挡墙的施工只能在坡脚或边坡的表面实施。
(2)预应力锚索及其与格构梁相联合的加固原理、特点和不足
所谓预应力锚索加固法，实质上是通过砂浆和预先施加在锚索上的张拉力来把不稳定的岩土体固定在稳定的岩土体之上。在锚索钻孔中，用于粘结稳定岩土体和锚索的砂浆可提供相应的抗剪力，而预先施加在锚索上的张拉力可加大岩土体间的压力，进而加大潜在滑面的抗滑能力。如果用连接各锚索端点的格构梁来代替坡面上用于固定锚索的锚固墩，就可构成预应力锚索与格构梁联合的加固结构。据分析，这两种利用预应力锚索的加固结构具有以下不足：
(a)设计者必须要清楚地了解稳定岩土体和不稳定岩土体之间的界限，以便于使锚固段位于稳定的岩土体内，当地质条件较为复杂或勘查资料不足时这一点将难以做到；
(b)在边坡表面对锚索施加预应力时，要求边坡表面具有较大的刚度，否则将因张拉段的岩土体变形而失去预应力；
(c)由于锚索本身具有应力松弛现象，所以锚索的长度不宜过大(另外，当加固深度超过60m后，锚索的安装将变得非常困难)，否则将会逐步丧失预应力；
(d)属于柔性结构的锚索能提供的锚固力比较有限，仅适合于岩性较好且软弱面明显的岩石边坡；
(e)预应力锚索联合格构梁的加固结构比较适合于缓坡角的边坡加固，对于陡坡角边坡的加固则不太适合。
(3)传统的锚杆联合喷射混凝土面层的加固原理、特点和不足
该方法主要是利用砂浆把锚杆固定在坡体内，并在锚杆钻孔的孔口处将锚杆与铺设在坡面上的钢筋网、喷射混凝土面层相连结，进而达到边坡加固的目的。虽然锚杆的长度有限，并且喷射混凝土面层相对较薄，但却可以使边坡的整体稳定性有所提高。主要原因是：锚杆可以对边坡上的薄弱之处进行有效的局部加固，而喷射混凝土面层则有效地阻止坡面受到进一步的风化和侵蚀。另外，由锚杆、钢筋网和喷射混凝土面层组成的加固设施相对来说是一种柔性结构，可以承受较大的边坡变形，相应的加固效率也较高。据分析，尽管该方法得到了广泛应用，但仍存在着以下不足：
(a)对于较大规模的边坡来说，很难通过上述锚喷结构来大幅度提高边坡的整体稳定性；
(b)对很陡峭的边坡来说，在坡面上进行锚喷施工是十分困难的；
(c)坡面上大面积的喷射混凝土不仅破坏了原有的自然景观，相应的绿化也很难进行或长期有效地维持。
(4)抗滑桩、预应力锚索-抗滑桩体系的加固原理、特点和不足
抗滑桩的工作原理是将不稳定岩土体的下滑力全部由抗滑桩的抗剪能力和抗弯能力来承担。预应力锚索-抗滑桩的工作原理是将不稳定岩土体的下滑力由抗滑桩来部分承担，而另一部分下滑力将通过预应力锚索(或锚杆)传递到稳定的岩土体内部。据分析，这两种加固方法具有如下特点：
(a)抗滑桩必须穿过变形体并置入稳定的岩土体内，依靠稳定岩土体对桩的约束力来抵抗边坡变形引起的推力，此时的各个抗滑桩之间将独立地承担外荷载；
(b)作用在抗滑桩上的锚索必须与桩之间有可靠的连接；
(c)锚索的末端必须穿过变形体的底部边界并置入稳定的岩土体内部；
(d)在独立承载且不能充分发挥主筋抗拉能力的情况下，抗滑桩的截面一般都设计得较大，往往形成“肥桩”现象，相应的施工难度和成本将大幅度增加；
(e)利用预应力锚索-抗滑桩体系虽然可以部分解决上述“肥桩”问题，但由于为锚索施加预应力的需要，相应的桩截面通常还是较大；
(f)抗滑桩一般应布置在变形体的前缘且滑动面比较平缓的部位。
据分析，利用抗滑桩进行边坡加固有一些不足。各个抗滑桩之间一般都处于独立工作状态，并且都是按照预先确定的设计荷载进行设计。由于地质工程的复杂性和有关知识的局限性，一个抗滑桩所承担的荷载有可能小于或大于设计荷载，进而造成可能的浪费或不安全。例如，由于对降雨对边坡软弱夹层抗剪强度的弱化问题缺乏认识，河南义马露天矿发生滑坡并造成11根用于边坡加固的抗滑桩(横截面积均为4m²左右)被拦腰剪断。又例如，重庆王家坡的4根用于边坡加固的抗滑桩也被滑坡推断。抗滑桩的受力状态主要是以弯和剪为主，而钢筋混凝土的抗拉、抗剪的能力较弱。对于一个独立的抗滑桩来说，则需要加大横截面积和配筋量，并使桩体穿过滑面并置入稳定的岩土体内部。
当利用预应力锚索-抗滑桩体系进行边坡加固时，锚索与抗滑桩必须连结成一个有机的整体。此时，设计者和施工者必须保证锚索钻孔内的灌浆较为密实。显然，只有确保锚索与孔壁的紧密结合，才会发挥桩锚体系的作用。为此，桩上预留的锚孔定位必须准确，并且锚索的钻孔质量和灌浆质量必须有所保证。另外，为了确保砂浆与锚索之间粘结力的可靠性，通常要进行的拉拔试验将给施工带来困难，并大大提高工程造价。
除了上述介绍的传统加固方法外，还有锚固洞、预应力锚梁、预应力抗滑桩等多项用于边坡加固的非常规技术，其中后两项技术是申请人近些年相继提出的新型加固技术，可以参考相关的专利说明。根据“治坡先治水”的原则，排水系统(包括地表排水系统和地下排水系统)对于边坡(尤其是大型边坡)的稳定性来说十分重要。然而，在上述传统加固方法的应用设计中，一般都不考虑加固结构与边坡排水系统相结合的问题。一般而言，加固系统与排水系统相分离的设计通常会提高工程造价。
发明内容
针对已有加固技术存在的不足(包括加固系统与排水系统相互分离而带来的造价较大等问题)，本发明给出了一种集高效加固、易于排水、易于监测等功能于一身的地下梁-桩框架结构。该项新技术不仅可大幅度提高工程地质条件复杂的边坡加固效率，而且还兼顾了边坡排水和边坡监测方面的功能，进而可提高了边坡加固的整体水平。
一种用于边坡加固的地下梁-桩框架结构，包括：在从边坡的表面到深部稳定岩土体的范围内依次设置的坡面连系梁、中空近水平梁、中空桩、中空斜桩和实体桩；其中坡面连系梁被设置在边坡表面上；中空近水平梁基本沿水平方向设置于边坡内部，其一端允许出露在边坡表面上；中空桩和中空斜桩分别沿近垂直方向和倾斜方向设置于边坡内部，其一端允许出露在边坡表面上，并且与相邻的坡面连系梁和中空近水平梁相连接；实体桩一般被设置在中空近水平梁、中空桩和中空斜桩的下方，并要置入边坡内部的稳定岩土体内。
由于各个梁和桩之间的相互连结，岩土体变形破坏引起下滑力可以被快速分配到邻近的梁或桩，以便使多个梁和桩之间做到相互支援和较均匀地受力。这样一来，用于边坡加固的地下梁-桩框架结构和具有自支能力的边坡岩土体就构成了一个整体，并在共同作用下起到边坡加固的作用。利用梁和桩的中空部分和专门设计的排水接头来实现边坡排水，以弥补常规做法中加固系统和排水系统相互分离的不足。为了确保边坡的长期稳定和安全，利用框架结构中梁和桩的中空部分可以方便地实现监测系统的布设(如伸长计、钻孔倾斜仪、表面倾斜仪、测缝计等设施的布置)。
附图说明
图1是用于高陡边坡加固的地下梁-桩框架结构示意图；
图2是用于非高陡边坡加固的地下梁-桩框架结构示意图；
图3a是中空梁桩四通型连接、梁桩中空排水结构以及中空桩与坡面连系梁连接示意图；
图3b是与坡面连系梁连接的中空桩的端头放大图；
图3c是槽式坡面连系梁的剖面图。
其中，附图标记说明如下：
1槽式坡面连系梁；               2中空近水平梁；
3中空桩；                       4中空斜桩；
5实体桩；                       6坡面；
7岩土体层面；                   8节理或裂隙；
9边坡岩土体；                   10变形体；
11变形体的底界；                12稳定岩土体；
13纤维束导渗排水孔；            14中空排水部分及其纤维束；
15中空四通(或三通)接头；        18垂直测斜管；
19用于坡面梁水平位移监测的支墩；20水平测斜管；
21与槽式坡面连系梁连接的中空桩或中空斜桩的端头；
22桩顶透气孔；                  23坡面梁槽式排水沟沟壁。
具体实施方式
本发明是一种用于边坡加固的地下梁-桩框架结构，具体实施方式包括以下主要步骤：
地质条件确定
针对边坡加固工程所在的现场进行必要的工程地质勘察，以确定其地质条件。在布置必要的地质探井和探洞时，还应充分考虑加固体系中设置梁和桩的需要，以达到两用的目的。
边坡稳定分析
结合边坡的工程地质条件(包括施工方法)和多种分析方法，对边坡进行稳定性分析，确定可能发生事故的“突破口”和那些需要重点加固、一般加固或不需要加固的部位。
边坡加固系统和排水系统的设计
根据地质条件确定和边坡稳定分析的结果，对地下梁-桩框架结构的加固系统进行设计，同时兼顾排水系统(包括桩中空与梁中空之间的专门接头、利用坡面上槽式连系梁的排水沟等)的设计。
监测系统的设计
在进行梁-桩框架结构加固系统设计和排水系统设计的同时，还要考虑监测系统(包括监测设施的位置、仪器类型、量测方式等)的设计。
梁-桩框架结构加固系统和排水系统的实施方式
1实施方法
(1)如图1和图2以及图3a～图3c所示，根据边坡加固系统和排水系统的设计、监测系统所做的设计在坡面6和边坡岩土体9中定位并开挖槽式坡面连系梁1、中空近水平梁2、中空桩3、中空斜桩4、实体桩5等设施所需要的地下空间，从边坡表面到内部的稳定岩土体依次设置槽式坡面连系梁1、中空近水平梁2、中空桩3、中空斜桩4和实体桩5，其中槽式坡面连系梁1沿着坡面设置，中空近水平梁2基本沿水平方向设置于边坡内部，其一端允许出露于坡面上，中空桩3和中空斜桩4分别沿近垂直方向和倾斜方向设置，并与相邻的槽式坡面连系梁1和中空近水平梁2相连接，实体桩5位于框架结构的下部，并置入边坡底部的稳定岩土体内。对于高陡边坡来说，要使中空桩3、中空斜桩4、实体桩5穿过边坡岩土体9中的层面7和节理或裂隙8；对于非高陡边坡来说，要使中空桩3、中空斜桩4、实体桩5穿过变形体10和变形体的底界11直至稳定岩土体12；
(2)按照设计的桩和梁的几何尺寸进行成孔作业，对已有的地质探洞按照设计要求做必要的修整；
(3)成孔过程中根据具体的地质条件进行桩孔护壁或不护壁，对于比较软弱的部位可以根据设计先行临时支护；
(4)在开挖中空近水平梁2、中空桩3、中空斜桩4、实体桩5的空间时遇到的水头出露部位，施作与梁和桩相接的纤维束导渗排水孔13(在排水孔内设置带有纤维束的排水花管)，排水花管要伸出洞壁一定的长度，以备后序工程之用；
(5)根据设计井和洞的尺寸，制作中空的模板。如果井和洞的尺寸较大，预留的中空部分直径大于1.0m，人可以在其中作业，则参照新开发的预应力锚梁技术(专利号：ZL00105725.0)和预应力抗滑桩技术(专利号：ZL00132690.2)进行施工。如果井和洞中预留的中空部分直径较小，人无法在中空部分进行作业，则需要如下的施工步骤：
(a)选择合适的施工段长度，以现有的施工技术和方便操作为宜；
(b)根据设计扎制并安放钢筋笼；
(c)在钢筋笼的核心部位放置一次性的中空模板(或硬质的PVC管)，调整好坡度，以便渗水能够自流到洞外；
(d)将先前做好的与梁和桩相接的纤维束导渗排水孔13穿过钢筋笼和相应中空部分的模板，并与梁体和桩体的中空排水部分及其纤维束14等排水设施相接；
(e)在相应钢筋笼内安放用于监测的设施，如用于桩体监测的垂直测斜管18、用于梁体监测的水平测斜管20等；
(f)浇注本施工段的混凝土；
(g)重复(a)～(e)施工步骤，直至完成所有梁和桩的施工。
2梁桩中空四通(或三通)接头15的施工
(1)按1所述的步骤，进行梁段施工到梁桩中空四通(或三通)接头15处；
(2)在钢筋笼之间放置三通(或四通)型的模板，或一次性硬质三通(或四通)PVC管；
(3)将梁、桩的钢筋在接头处按设计进行搭接；
(4)浇注本段混凝土；
(5)继续1中所述步骤的梁、桩施工。
3兼作排水沟的槽式坡面连系梁1的实施方法
(1)根据槽式坡面连系梁1(兼作排水沟)的设计位置和截面尺寸(该连系梁也许连接两根或多根中空桩3或中空斜桩4)，进行坡面地槽的开挖，在地表面不规则的局部可以补以模板；
(2)制作连系梁1和桩的钢筋笼，并使桩(中空桩3或中空斜桩4)的顶部以适当高度高出连系梁1的顶面；
(3)在桩的顶部预留出桩顶通气孔22、相应垂直测斜管18的口部及可能的孔口保护设施；
(4)兼作排水沟的槽式坡面连系梁1的混凝土浇注完成后，制作坡面梁槽式排水沟沟壁23；
(5)在连系梁1上设置用于坡面梁水平位移监测的支墩19，以备监测之用。
4不需要进行排水的地下梁-桩框架结构的实施步骤：
按照1中的步骤(1)～(3)、步骤(4)中的(a)、(b)、(e)和(f)以及3中的步骤(1)、(2)、(4)和(5)进行实施。