SNS柔性主动防护网承载能力及防护设计研究

刘 娟,向柏宇

(1.中国电力建设股份有限公司,北京 100048;2.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司,成都 610072)

文章编号：1006—2610(2015)01—0052—05

SNS柔性主动防护网承载能力及防护设计研究

刘 娟1,向柏宇2

(1.中国电力建设股份有限公司,北京 100048;2.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司,成都 610072)

SNS柔性主动防护网以其卓越的防护性能广泛应用于边坡工程。由于其材料均为柔性材料，且主动防护网覆盖的边坡地形、地貌相对复杂，工程设计中一般采取保守的钢丝绳抗拉强度进行设计，对主动防护网的受力分析比较困难，从理论角度目前仍然没有较为成熟的计算方法；文章以实际工程为依托，运用概化分析方法计算SNS柔性主动防护网(菱形网)钢丝绳的承载能力及防护能力，为SNS柔性主动防护网在工程运用提供理论依据。

边坡工程;SNS；柔性防护网;承载能力;设计

1 工程概况

安全防护系统(safety netting system)，简称SNS，这项技术出现于1950年。柔性安全防护系统是以高强度的金属网(钢丝绳网、环形网、高强度钢丝格栅以及高强度钢丝网)作为主要拦截及防护构件的防护系统。主要分为钢丝绳网、普通钢丝格栅(常称铁丝格栅)和高强度钢丝格栅3类，前两者通过钢丝绳锚杆或支撑绳固定方式，后者通过钢筋(可施加预应力)或钢丝绳锚杆(有边沿支撑绳时采用)、专用锚垫板以及必要时的边沿支撑绳等固定方式，将作为系统主要构成的柔性网覆盖在有潜在地质灾害的坡面上，从而实现其防护目的。

与传统的施工方法相比，该系统克服了刚性防护施工中诸多弊端，采用模块化安装方式、缩短了工期和施工费用，整个系统由高强度钢丝绳柔性、锚杆及其它安装附件组合安装而成。其突出的特点包括：

(1) 以镀锌高强度钢丝绳为主要材料的主动防护系统具有高韧性、高防护强度、易铺展性等优点。主动防护系统通过多次边坡防护工程的现场试验和对比，具有适应任何坡面地形、安装程序标准化、系统化等优点。

(2) 开放的系统特征能够避免因地下水压力的升高而引起的边坡失稳，抑制边坡遭受进一步的风化剥蚀，保护原有植被及生长条件，实现人工绿化，实现最佳的边坡防护和环境保护目的。

(3) 系统主要材料的特殊制造工艺和高防腐防锈技术, 具备优良的防腐能力，寿命一般能达到30～50 a。

2 SNS柔性主动防护网方案设计

(1) 钢丝绳网：其中钢丝绳网作为主要的特征构件之一，是用钢丝绳编制并在交叉结点处用“十”字卡扣固定的成品网。

(2) 锚杆：SNS主动防护网的另一重要的配件为钢丝绳锚杆，这种锚杆是将单根钢丝绳从中点处弯折，在弯折处嵌入鸡心环并用绳卡或铝合金紧固套管固定的防护网专用柔性锚杆。钢丝绳锚杆是柔性网专用的锚杆系统，也可以采用砂浆锚杆替代，但砂浆锚杆与钢丝绳网的柔性连接方式需要特殊考虑。

(3) 支撑绳：用以实现金属柔性网按照设计形式铺挂，对金属柔性网起支撑作用的钢丝绳。

(4) 缝合绳：将金属柔性网间或其它支撑绳缝合联结的钢丝绳。

(5) 卡扣：是一种实现两根钢丝绳交叉节点紧固的特殊扣件。其对钢丝绳施加一定的荷载，避免节点处钢丝绳发生错动和分离。

采用柔性网进行坡面防护的特点在于利用局部受力、整体承载的柔性优势对浅、表层危岩体(危石)进行围护，限制落石运动范围，部分抑制崩塌的发生。

目前，在工程运用中由于材料的柔性及坡面覆盖受地形地貌的影响，无法从受力角度对这种主动柔性防护网进行参数化设计。本文依托摩洛哥伊阿高速公路边坡，探索一种概化的计算方法来分析计算SNS柔性主动防护网(菱形网)钢丝绳的受力条件及防护能力，以期为其他类似工程采用柔性防护网技术提供参考。

3 依托工程概况

摩洛哥伊阿高速公路PK33+140 m-PK33+680 m；地质构造以砂岩为主，局部受岩体层面节理的切割及风化节理的影响较大，岩体比较破碎，尤其是接近地表的10～20 m范围内存在强烈的风化带，岩体极其破碎，经常出现落石，对边坡及公路的安全影响巨大。采用SNS防护范围内的出露岩层均为沉积岩，岩层产状NE57°∠22°，岩类为砂岩，整个区域处于一个规模较大的断层核心侧翼，开挖揭露的岩层为强、弱风化岩层，总体看来顶部20 m以强风化为主，以下区域以弱风化层为主，岩层风化及构造节理发育，局部存有陡倾角构造裂隙发育，完整性较差，边坡的稳定受构造节理控制，但风化节理可能会恶化表面岩石稳定条件。

开挖区段边坡采用了边坡与马道相结合的开挖体形，最大开挖边坡高度约为110 m，每级边坡高度为10 m，两级边坡之间设置宽约5 m的马道。边坡开挖坡比为1∶0.5。

由于边坡高陡，岩石表面风化破碎，为防止危石坠落威胁行车安全，决定对开挖边坡的浅层坡面进行SNS主动防护网防护。根据工程的特殊性及工程建设的要求，拟定工程分析的主要范围及内容为摩洛哥伊阿高速公路工程开挖区，PK33+140 m～PK33+680 m段SNS主动防护网提供70 kN/m2加固力。

4 防护网承载能力计算

4.1 边坡崩塌规模估算

4.1.1 岩体参数的选取

考虑到现场勘测分析的局限性，为最大限度发挥防护网的作用，选取最不利的崩塌模型进行计算。

岩类为砂岩，中等硬度。同时存在浅表层风化、卸荷岩体、破碎程度比较高。为对边坡可能崩塌规模进行估算， 对于岩体参数的取值选取见表1。

表1 岩石力学性质指标计算采用值(平均值)表

4.1.2 模型建立及计算

可能崩塌的模型图如图1所示。最大开挖高度约110 m，开挖边坡每10 m设置一级5 m宽的边坡平台，开挖坡度1∶0.5。模型高h为10 m，顺公路走向b长为1 m，作为一级阶梯计算单元。其中θ=56.75°(砂岩)，α≈63°(削坡后的坡角)。当C1C2C3C4(作为滑坡面)，单元滑坡体体积为：

(1)

底边长：

(2)

则可计算单元滑坡自重：

G=γV=142.56 kN

(3)

SNS主动网的加固力按照70kN/m2考虑，下滑体绳网面积为(按照绳网接触滑坡体的接触面积计算)：S=S(C1C2C5C6)=b×h/tanα=5.095 m2。

单元下滑体绳网能提供的主动加固力356.67 kN。SNS主动网可以抵御预估潜在崩塌体的下滑力。

图1 可能崩塌模型示意图

4.2 钢绳防护网承载能力计算

钢丝绳网作为一种主动防护网，通过锚杆固定于坡面上并施加一定的加固作用力后，钢丝绳网对坡面防护危岩(石)提供坡面法向主动加固力的同时，也受到坡面法向的反作用力，如图2所示。

图2 钢丝绳网受力示意图

根据力的平衡原理，钢丝绳网将同时受到坡面的反作用力，其方向为坡面法向方向，指向坡外。计算分析中，此反作用力分解到钢丝绳网的每一个节点上，分别用F11、F12、F13、…、F41、F42、F43、F44等表示；这些力分解为钢丝绳的张力分别用Ta1、Ta2、Ta3、Ta4、…、Tv1、Tv2、Tv3、Tv4等表示；详见图2。

另外，钢丝绳的间距分别采用300、250、200、150、120、100 mm时单个交叉钢丝绳单元控制坡面的面积分别为：300 mm×300 mm、250 mm×250 mm、200 mm×200 mm、150 mm×150 mm、120 mm×120 mm、100 mm×100 mm (见图3所示)。

图3 单个交叉的钢丝绳控制坡面面积示意图

以单个交叉的钢丝绳网作为1个计算单元，假定绳网所受反作用力为极限值70 kN/m2，单元绳网法向力为绳网面积×70 kN/m2。假定2根钢丝绳均摊绳网法向力，则绳网内单根钢丝绳所受法向力为0.5×绳网面积×70 kN/m2。将反作用力F平均分解到Ta1、Tv1上，得到如图4所示的计算模型。

图4 钢丝绳网单根钢丝绳计算模型图

假定钢丝绳铺设后基本平整，根据规范规定(这里采用的是Ø6 mm的钢丝绳的弹性阶段伸长率)，钢丝绳拉伸后L=1.011b。

根据以上假设条件及图4确定的计算模型，可以得到如下计算公式：

(4)

式中：T为单根钢丝绳张力;F为单根钢丝绳节点法向力；β为张力与法向力夹角。

进一步计算钢丝绳的强度利用率，即实际张力与钢丝绳断裂拉力的比值。

选取钢丝绳抗拉强度1 770 MPa；钢丝绳型号采用Ø8 mm，对应的最小断裂拉力值取40 kN，钢丝绳的间距分别采用300、250、200 mm等进行计算(见表2)。

表2 钢丝绳受力分析计算成果表

结果表明：强度为1 770 MPa的钢丝绳网，钢丝绳型号为Ø8 mm，钢丝绳的最大间距为300 mm×300 mm，加固力为70 kN/m2时，钢丝绳最大张力仅为6.29 kN，其钢丝绳“强度利用率”也仅为15.73%，完全能够满足稳定及功能的要求。

4.3 锚杆承载能力计算

4.3.1 锚杆型号与最大抗拉力计算

锚杆采用高强度精轧螺纹钢筋，水泥结石体与岩石孔壁间的粘结强度设计值，取0.8倍标准值(见表3)，水泥结石体与钢绞线或钢筋间的粘结强度设计值，取0.8倍标准值(见表4)。

表3 岩石与水泥结石体之间的粘结强度标准值表

表4 钢筋、钢绞线与水泥浆之间的粘结强度标准值表

按照下式计算锚杆抗拔承载力：

(5)

(6)

式中：La为锚固段长度,mm；Nt为锚杆轴向拉力设计值,kN；K为安全系数，应按照表5取值；D为锚固体直径,mm；d为单根钢筋或钢绞线直径,mm；n为钢绞线或钢筋根数；qr为水泥结石体与岩石孔壁间的粘结强度设计值；qs为水泥结石体与钢绞线或钢筋间的粘结强度设计值；ξ为采用2根或2根以上的钢绞线或钢筋时，界面粘结强度降低系数，取0.60～0.85。

考虑到SNS对边坡危石进行整体防护以及群锚作用，选取安全系数为1.8。

开挖区砂岩按照中硬岩考虑，砂浆与岩石间的粘结强度特征值取1.35 MPa。水泥结石与钢筋间的粘结强度特征值取2.7 MPa。

表5 (水泥结石与岩壁)锚杆抗拔承载力计算表

备注：钻孔直径为76 mm。

表6 (水泥结石与钢筋)锚杆抗拔承载力计算表

表7 (钢筋抗拉强度)锚杆抗拔承载力计算表

计算结果表明，水泥结石与钢筋或钢绞线之间的粘结强度标准值在2.0～4.0 MPa之间，远远大于砂浆与岩石间的粘结强度，且钢筋的自身抗拉强度也大于水泥结石与岩壁的粘结强度。由此，锚杆的破坏或拔出主要是砂浆或是水泥浆与岩石之间的强度破坏产生的拔出。

4.3.2 锚杆轴向拉力设计值计算

单根锚杆的轴向拉力设计值为T，坡面的主动网承担的加固力为F(kN/m2)，单个锚杆的作用面积为S(m2)，可以按照式(7)计算求得单根锚杆的轴向设计值：

T=F×S

(7)

表8 锚杆轴向拉力设计值计算表

根据计算分析，对于砂岩边坡SNS网的加固荷载满足70kN/m2的情况下，锚杆按照3.2m×2.8m布置，单根锚杆的轴向拉力设计值需要满足627.2kN的要求。采用Ф40mm的锚杆需要锚杆入岩深度不小于4.5m。

5 结 语

目前，现有坡面地质灾害防治技术本身的不足，各类与岩土工程有关的基础建设步伐的加快、规模和等级要求不断提高，SNS柔性防护系统作为一种施工简单易行、技术先进、安全可靠、环保效果好、经济合理的防治新技术，具有广泛的应用前景。

由于SNS柔性主动防护网覆盖的边坡地形地貌相对复杂，防护网的受力分析比较困难。本文在实际工程中运用的概化计算方法是一种能够满足工程需要的计算手段，工程安全和质量均符合相关要求，可为SNS柔性主动防护网在其他危岩边坡防护中的设计提供借鉴。

[1] 阳友奎,周迎庆.坡面地质灾害柔性防护的理论与实践[M].北京：科学出版社,2005.

[2]TB/T3089-2004,铁路沿线斜坡柔性安全防护网[S].北京：中国铁道出版社，2004.

[3] 阳友奎.坡面地质灾害钢丝绳网柔性防护系统[J].路基工程，2000,(4)：35-39.

[4] 李念.SNS边坡柔性安全防护系统工程应用[M].成都：西南交通大学出版社，2009.

Study on Bearing Capacity and Protection Design of SNS Flexible Active Protection Network

LIU Juan1, XIANG Bo-yu2

(1.Power Construction Corporation of China, Ltd., Beijing 100048, China;2. POWERCHINA Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu 610072, China)

The SNS flexible active protection network is widely applied in slope works because of its superior protection property. As its materials all are flexible as well as the topography and landform of slopes covered by the active protection network are complicated relatively, it is normally designed according to the tensile strength of the steel cable. So, it is difficult to analyze the action forces of the active network. In theory, there is not practical method for calculation. Based on the engineering practice, in the paper, the generalization analyzing method is applied to calculate the bearing capacity and protection ability of the steel cables of the SNS flexible active protection network ( in rhombus ), providing application of the SNS flexible active protection network in projects with theoretic basis.

slope works; SNS; flexible protection network; bearing capacity; design

2014-12-05

刘娟(1978- )，女，湖北省汉川县人，高级工程师，主要从事水电工程高坝、边坡、地下工程等技术研究及相关科技项目管理工作.

TV52;U417.1

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.01.014