1、第 4 6卷 第 2 l期 2 0 1 5年 1 1月 人 民 长 江 Ya n g t z e Ri v e r Vo 1 4 6, No 21 No v , 201 5 文章编号 : 1 0 0 1 4 1 7 9 ( 2 0 1 5 ) 2 1 0 0 2 3 0 4 植被混凝土生态防护技术中锚钉参数的确定 陈 毅 , 刘 大 翔2, 姚 小 月 , 许 文 年2 ( 1 三峡 大学 水利 与环境 学院, 湖北 宜 昌4 4 3 0 0 2 ; 2 三峡大学 土木 与建筑 学院, 湖北 宜 昌 4 4 3 0 0 2 ) 摘要 : 岩石 边坡 生态恢复工程常采用植被混凝土防护技 术。为
2、了分析 该技 术 中锚钉 的 受力情况 , 通过 静力平 衡 条件 , 结合莫 尔 一库伦 强度理 论、 锚钉 的受力形 变以及 抗拔 稳定性 , 推导 出了锚钉在 不 同坡度 、 不 同岩质边 坡的最佳锚 固间距 、 锚钉直径范 围以及最 小锚 固深度 的表 达式。并 结合工程 实例 , 对计 算值与 实际工程采 用 值进行 了对 比分析 , 结果表明 , 计 算值 与以往 实际工程采 用值基 本吻合 。可为 实际工程 中锚钉 支护 方案的设 计 提 供 理 论 支持 。 关键词 : 岩质边坡 ; 锚钉 直径 ; 锚 固间距 ; 锚 固深度 ; 植被混凝 土 中 图法 分 类 号 :TU 4
3、 5 7 文 献 标 志 码 :A DOI : 1 0 1 6 2 3 2 j c n k i 1 0 0 141 7 9 2 0 1 5 2 1 0 0 6 植被 混 凝土 生态 防护技 术 是一种 能有 效 防护裸 露 高陡坡面的生态护坡方式 , 该技术与传统的土木工程 护坡中的锚钉支护、 挂 网等相结合 , 可有效实现坡面的 生 态植 被恢 复与 防护 , 不仅 具有 保持 水土 的功 能 , 还 可 以改善 当地 环境 和人 文景 观 。 然而边坡岩体所处 的环境千差万别 , 再加上对锚 钉的设计大多靠实践经验 , 这就使很多具体工程 的设 计和施工千篇一律 , 造成 了不必要 的资源
4、浪费。本文 主要通 过研 究 岩石边 坡 生 态 修 复 基 材层 的稳 定 性 , 探 讨 在不 同岩 石类 型 和不 同坡 比的坡 面上 设置 锚钉 的最 佳 锚 固间距 、 锚 钉直 径 以及最佳 锚 固深度 , 旨在对 实 际 工 程 的锚钉 支 护提 出合 理 的设 计 方 案 , 从 而 加快 施 工 的速度 、 节 约成 本 。 1 植被 混凝土生态防护技术原理 植 被混 凝 土生 态防 护技术 主要 应用 在 不 同坡 度 的 各 类 岩质边 坡 、 混凝 土边 坡 以及硬 化河 道上 , 主要 的施 工 方 法是 : 在 岩 质 ( 混 凝 土 ) 边 坡 上 铺 设 1 4
5、号 镀 锌 机 编活 络 铁 丝 网 , 网 孔 尺 寸 5 0 m m 5 0 m m, 并 用 H R B 2 3 5锚钉固定 , 然后将拌和好 的绿化基材 、 植物种 子、 保水剂等按一定 比例 喷射 到边坡 上, 厚度一般 为 1 0 c m; 喷射完毕后 , 用一层无纺布洒水养护 , 基本构 造 剖 面如 图 1 所示 。 图 1 植 被 混 凝 土 生 态 防 护 技 术 剖 面 示 意 在植被混凝土生态防护技术中起稳定作用的主要 是锚 钉构 件 和加筋 金 属 网 , 锚钉 构件 和 加 筋 金 属 网可 以有 效增 加基 材混 合物 的抗 拉 、 抗 剪能 力 , 从 而减 缓
6、护 坡的塑性流动和滑塌 , 使基材稳定地平铺在岩石表面。 在基材混合物和岩体中, 锚钉构件 、 加筋金属网以及岩 体共 同承担 外荷载 和基 材混 合物 的 自身重力 。在这个 系 统 中 , 锚钉 首先要 满 足稳定 性 的要求 , 整个 护 坡才 能 收 稿 日期 : 2 0 1 50 82 1 基金项 目: 国家 自然科学基金资助( 5 1 2 7 8 2 8 1 ) ; 湖北省教 育厅优 秀 中青年科 技创新 团队计划项 目( T 2 0 1 3 0 4 ) ; 三峡 大 学博士科 研 启 动 基金 ( K J 2 0 1 4 B 0 3 8 ) 作 者 简 介 : 陈 毅 , 男 ,
7、 硕 士研 究 生 , 主要 研 究 方 向 为 边 坡 生 态 防 护 。 Ema i l : c h e n y i p u p a l 1 6 3 c o m 通讯作者 : 刘大翔 , 男, 讲师 , 博 士, 主要从事生 态修复技术研 究。E ma i l : L i u d a x i a n g O 0 4 1 6 3 c o rn 2 4 人 民 长 江 保持稳定状态。 2 锚钉构件支护方案设计 2 1 单个锚钉 承受拉 力 的计算 锚钉承受的拉力主要由基材混合物的自重应力产 生。为了进行受力分析, 对边坡中的基材混合物 、 岩体 层、 锚钉等特作 以下假设 : 基材混合物均匀地
8、平铺 在岩体层上( 平面应变问题 ) ; 锚钉沿边坡平面均匀 地分布在岩体之中, 为连续 、 均质、 各 向同性的线弹性 介质 ; 锚钉各断面的轴 向应力呈均匀分布 J 。 基材混合物受力分析简图如图 2所示。 、 , r 6 个锚 钉承 受 的拉力 为 : ! 二 2 ( 5 1 s l n o 2 2锚钉最佳 锚 固间距计算 在一 个单 元受 力系 统 内 , 先不 考虑锚 钉 自身条 件 , 同时认为锚钉在基材混合物 的作用力下是稳定的 , 并 且基材混合物在加筋金属网的作用下是连续 、 均质 、 各 向同性 的线弹 性介 质 , 可 以把 两个锚 钉作 为支 点 , 基材 混合物作为梁
9、 , 形成一个简支梁系统 。对单元 内最不 利点 , 即简支 梁 中最 大 弯 矩 进 行 受 力 分 析 , 如 图 3所 示 图 3基 材 混 合 物 受 力示 意 根据材料力学 , 在 日点 , 基材混合物受到来 自锚 钉的剪应力 , 同时也受到铁丝网的包络 以及牵扯作用, 发 生 的塑性 变形 可 以忽 略不 计 。此 时基材 混合 物 的危 险界面点应该在 A B的中点 D处。根据 ( 4 ) 式 , 可得均 布荷 载 口 = Q L; 于是 可得 A B 间最 大弯 矩 为 M = 1 q ; 此时, 危险截面 D点正应力为 = , 其 中 为截面弯矩系数 , 即 W z= 。由以
10、上( 3 ) 式可 得 D点 最 大正应 力 为 : ( 6 ) 。 _ = _ 一 0 十S1儿 为了使基材混合物处在平衡状态 , 在平面内, 根据 莫尔 一 库伦强度理论 盯 3 =O l t a n ( 4 5 。 一 詈) 一 2 c t a n ( 4 5 。 一 詈)( 7 ) 而此时 D点受水平方 向的单轴应力 , 因此 为 零 , 结 合 ( 6 ) 式 即可 得到锚 钉 问距 8 c s i m p t a n ( 4 5 。一 ) L _ - 一 ( 8 ) ySI N 一 , 2 3 锚钉 直径计算 由于在边坡 中, 起稳定作用 的主要是锚钉 , 因此 以 锚钉为中心划分
11、单元 , 边长为相邻锚钉的间距 , 由于实 际工程 中锚 钉 与坡 面有一 定夹 角 , 方 向沿 坡 面 向上 , 这 里作 不利 情况处 理 , 即视 锚钉垂 直 于坡 面 , 假 设锚钉 在 基材混合物的作用力下是稳定的 , 且受均布荷载 , 如图 4所示 。 第 2 l期 陈 毅 , 等: 植被混凝土 生态防护技 术 中锚钉参数的确定 2 5 容 易 得 出 锚 钉 A B 的 弯 矩 方 程 为 M =一 q ( 6 一 ) , 其 中 为 从 端 点 A 向 右 的 任 意 距 离 , 6 为 锚 钉 突 出段 长 度 。 图 4锚 钉 突 出端 荷 载 示 意 由材料力学容易得到
12、最外端 B点 的挠度方 程为 = ,其中 E为锚钉的弹性模量 , 根据 混凝土结 构设计规范 G B 5 0 0 1 0 2 0 1 0 , 取 2 01 0 N m m ; , 为锚钉 截面对 中轴的惯 性矩 , 由于是 圆形截 面 , 即 ,= , d为锚钉直径 。 结合锚钉突出段所受的均布荷载可以推导出 : ( 9 ) 5 r r Sl n 考虑 到在 实 际工程 中保 证 工 程 持 久 性安 全 , 防 止 金属网从锚钉端脱落 , 锚钉在突出端不至于有明显变 形 , 同时兼顾经济效益 , 因此可以酌情选择锚钉的直径 范 围。 2 4 锚钉锚 固深度计算 作为受拉杆件的锚钉 , 其承受
13、拉力 的能力取决 于两个方面 : 锚钉 自身的抗拉强度 E ; 锚固段的 抗拔力 F 。而锚固段 的抗拔力又取决于砂浆 与岩体 的结合力 F 和锚钉与砂浆界面 的粘结力 , 。由于 锚钉对坡面施压的破坏形式与抗拔 的破坏形式均为剪 切破坏 , 因此 只作最小粘结强度计算 。考虑到直 径大 于 1 2 mm的 A 3螺纹钢的抗拉力远大于单元 内基材混 合物对锚钉 的拉 力 , 因此锚 钉承受 拉力 的能力 T = mi n ( F F )。 由于在 实 际工程 中一 般使 用 M 3 0号 水 泥砂 浆 , 根 据 建 筑边坡 工 程 技 术 规 范 G B 5 0 3 3 02 0 1 3 ,
14、 锚 钉 与砂浆界面的粘结强度 丁 :=2 4 MP a , 不 同岩质与锚 固体极 限粘 结 强 度 从 2 7 0 k P a到 2 6 0 0 k P a不 等 。 因此 锚 钉 承 受 拉 力 的 能 力 主 要 取 决 于 , 即 需 满 足 F K T, 其中 K 为锚钉 的抗拔安全系数 , 一般取 K = 2 5。 由于 F 。= 叮 T d 。, 结合 ( 5 ) 式 可得 锚 钉 的锚 固深 度 为 z 二 ( 1 0 ) 3 工程实例分析 自植被 混凝 土生 态 防护 技 术 发 明 以来 , 在 我 国众 多 地 区得到 了广 泛应 用 , 取得 了 巨大 的生态 、 社
15、 会 和经 济 效益 。如 在某 地 区岩 石 边 坡 生 态 修 复工 程 中 , 坡 度 约 为 7 5 。 , 最 大坡 高达 3 5 m, 坡 面为 石灰 岩 , 根 据 建 筑 边坡工程技术规范 G B 5 0 3 3 02 0 1 3 , 石灰岩与砂浆 的粘 结 强度 为 1 0 0 0 k P a 。根据前 人研 究经 验 , 植 被 混凝土容重 取 1 3 8 6 7 k N m , 内摩擦角 取 3 0 。 , 凝 聚力 C 取 9 5 k P a , 铺设厚度 b 取 0 1 m。将基本参数 代入( 8 ) 式可得锚钉间距 L0 7 5 m。 取锚钉问距为 0 7 5 m,
16、 锚钉直径 d分别取 1 0 , 1 2, 1 4 , 1 6 m m和 1 8 mm, 代入( 9 ) 式试算可得挠度分别为 9 7 0 , 1 4 9 , 0 8 0 , 0 4 7 m m 和 0 2 9 m m, 兼 顾 力学 稳定 和经济效益 , 选取锚钉直径范围为 1 21 8 m m。 选择适用锚钉的最小直径 0 1 2代人 ( 1 0 ) 式 , 可 得锚 固深 度 z 1 3 8 c m。 锚钉 总 长度 Z Z +b =1 3 8+1 0 =2 3 8 c m。 而 实际 工程 中 , 根 据工 程经 验 , 该 岩石 坡面 采用 的 锚钉构 件支 护 方案 为 : 间距
17、8 0 c m, 锚 钉直 径 为 1 4 m m, 锚钉总长度为 3 0 c m。因此可以看出, 所给出的 3 个公 式是 满 足工程 需求 的。 在其他地区生态修复工程中, 锚钉参数的实际值 与计算值见表 1 ( 计算步骤略) 。 表 1 实际边坡生态修复工程锚钉参数 工 程 样 地 某 环 公 路 7 5 软 质岩 边 坡0 8 4 0 1 6 0 7 5 3 0 1 2 1 8 某 破 损山 体 6 5 土 石 混 合 边坡0 8 4 0 1 6 0 9 2 3 8 1 2 1 8 某采 石 场 6 5 硬 质岩 边 坡0 8 3 0 1 6 0 9 2 2 3 1 2 I 8 某 水
18、 电 站1 7 0 硬 质岩 边 坡0 8 3 0 1 6 0 8 2 2 5 1 2 - l 8 某 水电 站2 7 5 硬 质岩 边 坡0 8 3 0 1 6 0 7 5 2 3 1 2 。 1 5 由表 1可以看出, 在实际工程中, 不同工况 的锚钉 直径以及锚钉长度均估计过量, 特别是锚钉长度 , 个别 工程竞超出计算值 2 0 3 0 , 这对材料造成不必要 的浪费。而本文推导的 3个公式可以有效计算 出不同 工况下锚钉的参数 , 可为工程成本 目标 、 进度 目标的完 成提供保障 , 为工程价值的提升创造条件。 4 结 语 岩石边坡生态修复是一个新兴的交叉学科 , 涉及 到多个学科
19、领域的知识 , 本文主要从岩土力学 、 工程力 学等 方面 阐述锚 钉 的 受力 问题 , 通 过 基 材 混 合 物单 元 分割 , 简化 分 析 , 推 导 出 了锚 钉 在 不 同坡度 、 不 同 岩质 边坡 的最 佳锚 固间距 、 锚 钉 直径 范 围 以及 最 小锚 固深 度 的表达 式 。结合 实 际工程 中植被 混凝 土生 态 防护技 2 6 人 民 长 江 2 01 5年 术锚钉支护方案的设计进行对 比, 所给公式的计算结 果 与实 际工程 中选 用 标 准 十 分 接 近 , 表 明所 给 出的 3 个公 式 可用 于植被 混凝 土生 态防 护技术 锚钉 支护 设计 中 ,
20、可 为实 际工程 锚钉 构 件 支 护方 案 设 计 提 供理 论 参 考 。 参考文献 : 1 叶建军, 周明涛, 许 文年 谈喷射 护坡绿 化技 术 J 水土保持研 究 , 2 0 0 4, 1 1 ( 2 ) : 1 9 41 9 7 2 甄晓云, 孙乔宝, 王文龙 , 等 岩石边坡 生态恢复技 术 中锚杆 受力 分析研 究 J 公路 交通科技 , 2 0 0 5, 2 2 ( 8 ) : 1 5 91 6 2 3 郭春 丽, 李利明 锚杆在客土喷播技 术中的受 力状况分析 J 1 林 4 5 6 7 8 业建设 , 2 0 0 8 , ( 5) : 4 44 8 郑明月 锚 杆 一土工
21、网垫喷播植草护坡技术在岩质边坡生 态防护 中的应用 D 青岛: 青 岛理工 大学, 2 0 1 2 隋明昊 岩质高陡边坡锚杆 一土工 网垫喷播植草生态护坡结构稳 定性研究 D 青岛: 青岛理 工大学, 2 0 1 2 G B 5 0 3 3 02 0 1 3建筑边坡工程技 术规 范 s G B 5 0 0 1 02 0 1 0建筑 边坡 工程 技 术规 范混 凝 土 结构 设计 规 范 s 许文年 , 夏振尧, 周明涛, 等 植被 混凝土 生态防护技 术理论与 实 践 M 北京: 中国水利 水电出版社 , 2 0 1 2 ( 编辑 : 徐诗银) De t e r mi n a t i o n
22、o f a n c ho r pa r a m e t e r s i n v e g e t a t i o n g r o wi n g c o n c r e t e e c o l o g i c a l pr o t e c t i o n t e c hno l o g y CHEN Yi 。 ,L I U Da x i a n g , YAO Xi a o y u e , XU W e n n i a n ( 1 C o l l e g e o f H y d r a u l i c a n d E n v i r o n me n t a l E n g i n e e r i
23、 n g, C h i n a T h r e e G o r g e s U n i v e r s i t y , Y i c h a n g 4 4 3 0 0 2 , C h i n a ; 2 C o l l e g e o f C i v i l En g i n e e r i n g a n d A r c h i t e c t u r e ,Ch i n a T h r e e G o r g e s U n i v e r s i t y,Y i c h a n g 4 4 3 0 0 2, C h i n a) Abs t r a ct :Th e v e g e t
24、a t i o ng r o wi n g c o n c r e t e e c o l o g i c a l p r o t e c t i o n t e c h n o l o g y i s c o mmo n l y u s e d i n t he e co l o g i c a l r e s t o r a t i o n o f r o c k y s l o p eTo a na l y z e t h e s t r e s s o f t he a nc h o r ,t h r o u g h t h e s t a t i c e q u i l i b r
25、i um c o n d i t i o ns,t he e x pr e s s i o ns o f t h e o p t i ma l a n c h o r s pa c i n g un d e r di f f e r e nt s l o pe s a n d r o c ks,r a ng e o f a nc ho r p i n d i a me t e r a n d t h e mi n i mu m a n c h o r a g e d e p t h a r e d e d uc e d a c c o r di ng t o t h e Mo h rCo ul
26、 o mb c r i t e r i a,t h e de f o r ma t i o n o f t he a nc ho r a n d pu l l i n gr e s i s t a n t s t a bi l i t yThe c a l c ul a t e d v a l u e wa s c o mp a r e d wi t h t h e v a l u e a d o p t e d i n a c t u a l p r o j e c t s a n d t h e c o mp a r a t i v e a n a l y s i s s h o w e
27、d t h a t t h e t w o a r e c o n s i s t e n t w i t h e a c h o t h e r Ke y wo r ds: r o c k y s l o p e; a nc h o r p i n di a me t e r; a n c h o r i n g s pa c i n g;a n c h o r i ng d e p t h;v e g e t a t i o ng r o wi n g c o n c r e t e ( 上 接 第 7页 J 示 以及 洪灾 发生 时 的应 急 转 移能 力 , 为上 级 领 导 进行 防
28、洪减灾决策提供直观展示 , 增强长江流域防汛管理 的水平, 使防汛管理工作的效率和质量得到较大提升, 将极大减少洪灾造成 的直接和间接经济损失, 有力保 障社会和经济的可持续性发展、 人民生活的安定和社 会和 谐稳定 。 】 参 考文献 : 1 李安强 , 张建云 , 仲志余 , 等 长江流域上 游控制性 水库群联合 防 洪调度研 究 J 水利学报 , 2 0 1 3 , 4 4 ( 1 ) : 5 9 6 6 2 李书飞 , 陈肃利 , 何 小聪 水库 群联合 防 洪调 度 系统建设 关键 技 术 以金沙江下游梯级和长江三峡 水库为例 J 水 电与新能 源, 2 0 1 4, ( 2 ) :
29、 1 5 3 郑守仁 三峡 工程利用洪水资源与发挥 综合效益问题探讨 J 人 民 长 江 , 2 0 l 3, 4 4 ( 1 5) : 1 6 ( 编辑 : 李 慧) De s i g n o f d e c i s i o n s up po r t s y s t e m f o r flo o d c o nt r o l o p e r a t i o n i n Ya ng t z e Ri v e r Ba s i n YU S ha n ,LUO Bi n。 一 , ZHANG He ng f e i 。 ( 1 N a t i o n a l D a m S a f e t
30、y R e s e a r c h C e n t e r , W u h a n 4 3 0 0 1 0, C h i n a ; 2 C h a n g j i a n g I n s t i t u t e o f S u r v e y , P l a n n i n g, D e s i g n a n d R e s e a r c h , W u h a n 4 3 0 0 1 0 , C h i n a ) Abs t r a c t:To i mp r o v e t h e t i me l i n e s s a nd r e l i a bi l i t y o f f
31、lo o d c o nt r o l d e c i s i o nma k i n g o f Ya n g t z e Ri v e r Ba s i n,i t i s n e c e s s a r y t o e s t a bl i s h a n i n t e l l i g e n t s u pp o r t s y s t e m o f flo o d c o n t r o l ma n a g e me n t f o r mu l t i - l e v e l u s e r s Th r o u g h t h e e s t a bl i s h me n
32、 t o f t h e t o p o l o g i c a l r e l a t i o ns o f Ya n g t z e Ri v e r ne t wo r k a n d t h e c o n t r o l n o d e s,t h e mo du l e o f c o r e flmc t i o ns i s d e s i gn e d,wh i c h h a s a c h i e v e d t h e i nt e g r a t i o n o f flo o d f o r e c a s t a n d di s p a t c h,i nc l
33、 u di ng hy dr o l o g i c a l f o r e c a s t i ng,flo o d r o ut i n g ,flo o d c o n t r o l o pe r a t i o n a nd flo o d r i s k a n a l y s i s Ba s e d o n t h e c o r e bu s i n e s s mo d e l a n d i n f o r ma t i o n e x p a ns i o n i n t e r f a c e,t h e Ya n g t z e Ri v e r Ba s i n
34、flo o d c o n t r o l d e c i s i o n s up p o r t s y s t e m i s de v e l o p e d by u s i n g GI S v i s u a l i z a t i o n a nd i n t e r a c t i v e W e b S e r vi c e t e c hn o l o g y,wh i c h c a n r e a l i z e t he r e a lt i me q ue ry o f wa t e r a n d r a i nf a l l i n f o r ma t i
35、o n a n d t h e r a p i d s i mul a t i o n o f flo o d c o nt r o l o pe r a t i o n s c h e me,a n d p r o v i d e pr o f e s s i o n a l ,s c i e n t i fic a n d a c c ur a t e t e c hn i c a l s u pp o r t for flo o d c o n t r o l d e c i s i o n ma k i n g Ke y wor ds : flo o d c o n t r o l o p e r a t i o n;de c i s i o nma ki n g s u p po ;d i s p a t c hi ng s y s t e m;Ya ng t z e Ri v e r Ba s i n