新型支挡结构

新型支档结构---石笼挡墙1引言国外将传统的石笼挡墙结构用于防侵蚀或防刷保护等方面已有近一个世纪的历史。

鉴于这种挡墙结构的许多优点，美国及欧洲的有些国家已较普遍地将之用于困难地带(如山区)中小型边坡的支护，并已发展了相应的设计手册和专业生产商[1]。

在具体设计和施工过程中，有时会根据实际需要在挡墙底部浇筑混凝土基座来增强挡墙的抗剪和抗翻转能力。

然而，现有的设计和施工并未注意到这类挡墙结构可以发挥出更多更有效的边坡防治功能。

目前，国内也已将普通型钢筋石笼挡墙用于边坡的支护、岸坡的防侵蚀、路基的防冲刷等多个方面。

作为石笼挡墙结构的一个应用实例，必须要提及的是龙滩水电站左岸B区500m高自然边坡的巨型压脚工程。

该自然边坡的坡脚由三叠系下统罗楼组的泥板岩和泥质灰岩为主，该蠕变体方量约为932万m3[2]。

为抑制该蠕变体边坡的持续变形，2002年初开始在坡脚处施工压脚工程，起压高程为219m，压脚直至高程300m，总填筑方量超过500万m3 [3-5]。

这一压脚工程的规模可谓世界罕见，在维持该蠕变体边坡稳定性方面起到了重要作用[3]。

同时对石笼挡墙的力学研究也陆续开展起来[6-9]。

尽管现行的石笼挡墙技术有着成本较低、易于施工、排水通畅等优点[10-15]，但仍存在着诸多不足。

在尽量保持其原有优点的基础上，张路青、杨志法、祝介旺、尚彦君提出了一种新型的挡墙结构，即层状网式钢筋石笼挡墙技术。

2 石笼理论研究由于石笼结构同常规刚性坛工砌体的受力和变形特点的不同，其设计方法和设计理论还缺乏相应的研究，与大面积的推广和应用还存在一定的差距。

在结构上，石笼护坡同石笼挡墙一致，都是柔性石笼网与填充石块的互相协调发挥作用，不同的是，石笼挡墙发生墙体与墙后土体的相互作用维持路基稳定性，是对不稳定路基边坡的支挡稳定结构；而石笼护坡则侧重在自身稳定性上，通过石笼网控制填充石块的稳定，石笼网与石块作用保持自身在边坡敷设过程中的稳定，是对稳定坡面的防护措施。

两者力学特性上有着较大的不同，但基本组成单元都是石笼单体，组成其单体的块、片石都是离散的，且位移较大，使用颗粒离散元程序PFC能够较好的模拟离散性和大变形。

PFC（Particle Flow Code）程序，是基于离散元理论，模拟圆形颗粒介质的运动及相互作用，是专门用于模拟固体力学大变形问题和颗粒流动问题的计算方法[16]。

通过定义不同颗粒大小和分布，模拟土颗粒级配和填石料粒径分布，石笼网丝通过赋予颗粒间的参数指标定义其形状和柔性，研究其渐进性破坏过程[17-19]。

目前，孟云伟、张波等应用PFC对石笼挡墙进行了数值模拟，验证了数值模拟的可行性，研究了石笼挡墙与墙后土体间的力学作用，同时为石笼护坡的数值模拟提供了思路。

3普通石笼挡墙技术的不足普通石笼挡墙结构的施工方法为:现场制作成简单的呈长方体状的钢筋笼，将其内部装满碎石而成为普通型钢筋石笼，再将各石笼按成排成层的形态堆砌在边坡需要加固的位置。

图1给出了普通石笼挡墙的主要结构及其加固边坡的工作原理。

图1 普通的石笼挡墙的结构及加固原理1.被加固的边坡；2.填于边坡与石笼之间的块石；3.构成石笼框架的钢筋；4.笼内的碎石（或砾石）；5. 石笼表面的钢丝；6.挡墙的底层如图1所示，普通石笼的制作可分两步:先用钢筋(编号3)和钢丝(编号5)按一定规格制成一个呈长方体状的钢筋笼，再在笼内装满就地取材的碎石(或砾石)。

然后，将各钢筋石笼按需要成排成层地堆砌为挡墙。

为了使石笼与待加固边坡紧密接触，在挡墙与坡面之间填满碎石(或砾石)(编号2)。

尽管普通石笼挡墙的施工具有可就地取材、易于施工、利于排水等优点，但仍存在以下不足之处。

(1)普通石笼挡墙是由多个钢筋石笼的简单堆砌或简单连接而成，其完整性主要是靠石笼之间的摩擦力来维持的。

在外力作用下各石笼之间很容易产生相对滑动、转动等方面的较大位移，情况严重时可使钢筋石笼解体。

也就是说，普通石笼挡墙的整体强度较低。

(2)由于直接接触到空气和水，普通石笼的钢筋和钢丝极易被锈蚀。

普通石笼挡墙的强度依赖于钢筋和钢丝制作而成的钢筋笼和内装石块之间的相互作用。

如果钢筋和钢丝一旦锈蚀严重，普通石笼挡墙则将面临解体的危险。

也就是说，锈蚀的不断发展将大大降低这种挡墙的强度及被加固边坡的稳定性。

(3)尽管普通石笼挡墙本身的排水性能良好，但被加固边坡内部的地下水仍处于自渗状态。

当边坡的稳定需要更通畅的排水条件时，普通石笼挡墙是不能满足设计要求的。

(4)当考虑到被加固边坡是否处于稳定状态及挡墙本身存在强度和极限变形等间题时，对边坡和挡墙进行监测是十分必要的。

但利用普通石笼挡墙来实现监测是比较困难的。

(5)从环保角度来看，普通石笼挡墙因清除或覆盖了坡面上的原有植被而破坏了该段边坡的绿化。

4层状网式钢筋石笼挡墙技术4.1新技术的提出针对普通石笼挡墙存在的上述不足，作者提出了一种集整体强度较高、防锈蚀、高效排水、易于绿化、易于监铡等优点的层状网式钢筋石笼挡墙技术(图2，图3),新型挡墙结构主要包括由钢筋和钢丝编制而成的钢筋笼、钢筋笼内充填的碎石(或砾石)、连接相邻两层石笼的混凝土层、混凝土层内铺设的钢筋网、加抹在不同石笼相邻侧面间及挡墙临空面(即挡墙的外表面)上的砂浆、位于石笼侧面最下方的将两个相邻石笼连通或通向挡墙外的连通管(起排水作用)、固定在挡墙台阶上可栽种植物的土槽等多项内容。

图2层状网式钢筋石笼挡墙的结构及加固原理1.被加固的边坡:2.按实际需要而埋设在挡坡顶部混凝土层内的伸长计;3.混凝土层;4.棍凝土层内的钢筋网;5.钢筋石笼框架的竖向钢筋淇末端为弯勾状且插人石笼上、下侧的混凝土层闻;6.相邻钢筋石笼不同侧面间的砂桨层;;7.钢筋石笼内沿边坡走向方向的排水孔;8.滴水管;9档墙台阶面上加抹的砂浆层;10.钢筋石笼内沿边坡倾向方向的排水管;11.挡墙台阶面上的集水槽;l2.固定在挡坡台阶上的土槽及栽种的植物;13.插人挡坡基座混凝土内部的竖向钢筋(其末端也为弯勾状.但预埋深度较为;14.挡端基座的混凝土;15.排水沟从层状网式钢筋石笼挡墙的结构可以看出(图2)，其加固目的是这样实现的:(1)通过石笼框架的竖向钢筋、混凝土层、钢筋网及砂浆将成排成层的钢筋石笼连结成一个整体强度很高的钢筋石笼挡墙;(2)利用混凝土及砂浆对钢筋和钢丝的包裹来实现防锈蚀的目的;利用碎石(或砾石)的空隙和连接各石笼的连通管来实现排水，必要时可与深人边坡内部的排水孔联合来实现高效排水;(3)借助于固定在挡墙台阶上的土槽栽种植物，以求达到对挡墙进行绿化的目的;(4)为进行变形监测可在混凝土层内埋设伸长计(伸长计的各测点分别固定在混凝土层内及边坡内部)，也可在混凝土层或砂浆层内埋设传感器对挡墙承受的荷载或内部的应力、应变等进行监测。

另外，当相邻钢筋石笼之间产生一定的相对变形时，作为脆性材料的砂浆和混凝土层则会发生开裂现象。

对这些开裂现象的定期巡检则可及时发现可能的异常征兆。

4.2新技术的特点分析图3新型钢筋笼的结构示意图1.钢筋笼框架的横向钢筋;2.钢筋笼表面上的钢丝;3.钢筋笼侧面下部的网眼(可用于插接连通管);4.钢筋笼框架的竖向钢筋(其末端为弯勾状)新型钢筋石笼(图3)与图1所示的普通石笼在结构上的差别在于:前者的竖向框架钢筋略长于笼体本身的高度，且钢筋末端为弯勾状。

为增加相邻两层钢筋石笼的连结强度，竖向钢筋的弯勾部分要插人石笼上、下两侧的混凝土层内部。

除了在相邻两层钢筋石笼间浇筑混凝土并在其内布设钢筋网外，还在不同石笼相邻侧面间的空隙内充填砂浆。

尽管这种新型挡墙具有较高的整体强度，但它仍属于一种柔性结构。

理论上，较高强度的挡墙具有一定的柔性将有利于提高边坡的加固效果。

石笼层间的混凝土层不仅防止了钢筋网的锈蚀，也将其上、下两侧石笼端面上的钢筋和钢丝包裹起来而形成防锈蚀保护层。

另外.由于各石笼侧面的间隙和临空面(即挡墙台阶状的表面)上都加抹了砂浆，相应的砂浆保护层使石笼侧面上的钢筋和钢丝不被锈蚀。

这样，通过混凝土及砂浆包裹钢筋和钢丝的方法就解决了钢筋石笼挡墙的防锈蚀问题。

新型钢筋石笼挡墙的排水通道由石笼中碎石(或砾石)之间的空隙及连通管组成，必要时还可在边坡内部布置排水孔并与石笼内部相通。

如此通畅的排水条件将有助于边坡的稳定。

为了确保边坡安全，需要进行监测。

这种新型石笼挡墙通过埋设在混凝土层及边坡钻孔内的伸长计进行边坡变形的监测，相应的变形数据可使用手持式带侧托的百分表来获得。

另外，还可通过埋设在混凝土层或砂浆层内的传感器来获得挡墙承受的荷载、内部的应力或应变等监测数据。

上述监测数据有用于判断挡墙或边坡的稳定状态。

为了对挡墙进行绿化，在挡墙台阶上用砂浆可固定装有营养土的土槽，可以栽种植物(例如爬山虎等)。

除雨水滋润外还可借助于集水槽和滴管进行浇灌。

层状网式钢筋石笼挡墙结构具有边坡加固、防锈蚀、排水、绿化、监测等多种功能。

除了具有就地取材、易于施工、可适性强、成本低廉等优点外，层状网式钢筋石笼挡墙结构与普通石笼挡墙相比还具有以下5个主要优点。

4. 2. 1较强的边坡加固功能与图1所示的普通石笼挡墙相比，层状网式钢筋石笼挡墙因石笼层间混凝土层及钢筋网的设置、石笼框架竖向钢筋与混凝土层的连结、石笼侧面间加抹了砂浆等原因而具有很高的整体强度。

另外，对挡墙高宽比和基座的有效设计可以保证挡墙整体的抗滑能力及抗翻转能力。

新型钢筋石笼挡墙的这些特点决定了它具有较强的边坡加固功能。

4.2.2高效的防锈蚀能力由于所有石笼的钢筋和钢丝都被混凝土或砂浆保护层包裹起来，致使这种新型钢筋石笼挡墙具有高效的防锈蚀能力。

只有这样，组成挡墙的钢筋和钢丝才能长期保持其应有的强度，并可满足边坡加固的基木要求。

4. 2. 3可实现高效排水虽然普通石笼挡墙本身已经具有良好的排水功能，但在排水条件上毕竟还比不上没有挡墙的原边坡。

当边坡地下水的排放成为影响边坡稳定的关键因素时，改善相应的排水条件显然是很重要的。

针对这一情况，在设计新型钢筋石笼挡墙时可根据实际需要在边坡内打专门的排水孔，其孔口与石笼内碎石(或砾石)相通。

这样，由边坡排水孔、笼内碎石(或砾石)之间的空隙、连通管等可组成多条排水通道，可使该挡墙结构具有高效的排水功能。

为了解决深人边坡内部的排水孔因堵塞而失去排水功能的问题，可考虑采用《排水孔纤维束导渗方法及装置》(专利号ZLA0124778.6)。

4.2.4易于实现对挡墙的绿化为了恢复挡墙施工时破坏了原有的植被，可利用挡墙台阶上固定的土槽来栽种适合当地环境生长的植物。

该挡墙所具有的高效加固功能足以保证土槽的长期稳定，利用上槽进行绿化的同时可避免植物生长对挡墙的不良影响。

土槽内植物生长所需的用水主要为雨水，以及从边坡内部渗出并流经石笼中的碎石、连通管、集水槽并由滴水管流出的水。