郭春麗，朱德濱

(西南林業(yè)大學(xué)交通機(jī)械與土木工程學(xué)院，昆明650224)

植被護(hù)坡是利用植被涵水固土的原理穩(wěn)定巖土邊坡同時(shí)美化生態(tài)環(huán)境的一種新技術(shù)，是涉及巖土工程、恢復(fù)生態(tài)學(xué)、植物學(xué)、土壤肥料學(xué)等多學(xué)科于一體的綜合工程技術(shù)［1］。該技術(shù)應(yīng)用于實(shí)踐的歷史久遠(yuǎn)，早期主要用于河堤護(hù)岸及荒山治理，近十多年才廣泛應(yīng)用于道路的邊坡防護(hù)。

植被護(hù)坡方法種類(lèi)繁多，厚層基材噴射植被護(hù)坡技術(shù)主要用于如散播、植生帶、框格植被、三維植被網(wǎng)等無(wú)法應(yīng)用的巖石邊坡防護(hù)［2］。

1 基本組成

厚層基材噴射植被護(hù)坡是采用混凝土噴射機(jī)把基材與植被種子的混合物按設(shè)計(jì)厚度均勻噴射到需要防護(hù)的邊坡坡面的綠色護(hù)坡技術(shù)［1］?；鶎硬牧辖Y(jié)構(gòu)類(lèi)似于自然土壤且能夠貯存水分和養(yǎng)分，解決了巖石邊坡無(wú)法生長(zhǎng)植物的困境。由于噴射的基材厚度較大，一般為5～15cm，有脫落、崩塌危險(xiǎn)，為使噴射的基材穩(wěn)固在巖石坡面上，需要在基材噴射前在坡面預(yù)鋪鋼絲繩網(wǎng)或鐵絲格柵來(lái)加固噴射的基層材料。

厚層基材噴射植被護(hù)坡技術(shù)除了對(duì)邊坡起到穩(wěn)定和加固作用外，同時(shí)還能避免邊坡受到?jīng)_刷剝蝕和風(fēng)化的威脅，而且對(duì)坡面形態(tài)無(wú)特殊要求，可用于穩(wěn)定巖體或工程措施處理過(guò)的不穩(wěn)定巖體邊坡［3－4］。其構(gòu)造示意圖如圖1所示，主要由鋼筋錨桿、鐵絲格柵和基層材料三部分組成。

鋼筋錨桿和鐵絲格柵通過(guò)錨墊螺栓連接成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，使基層材料和巖體坡面緊貼在一起，提供給綠色植物一個(gè)開(kāi)放的自由的生長(zhǎng)空間。鋼筋錨桿可以增加邊坡及基層材料間的抗拉、抗剪性能，還可以阻止和減緩護(hù)坡體的滑移和滑塌。坡面上通過(guò)錨墊螺栓連接在鋼筋錨桿上的鐵絲格柵是發(fā)揮鋼筋錨桿有效作用的重要組成部分。

在坡面護(hù)坡體系中，鋼筋錨桿、鐵絲格柵與邊坡巖土體共同承擔(dān)風(fēng)、雨、雪等附加應(yīng)力及基層材料的自重應(yīng)力，巖體結(jié)構(gòu)類(lèi)型、邊坡高度不同，鋼筋錨桿的錨固深度和縱橫間距亦不相同。

圖1 厚層基材噴射植被護(hù)坡基本組成Fig.1 Basic components of thick layer base material praying bio－slope－engineering

2 適用條件

厚層基材噴射植被護(hù)坡技術(shù)主要適用于以下條件［5］。

(1)年平均降水量600～3000mm，連續(xù)干旱的天數(shù)在50d以?xún)?nèi)，且為非嚴(yán)寒地區(qū);

(2)邊坡坡面在1∶0.3范圍內(nèi)的堅(jiān)硬巖石邊坡和工程措施處理后的穩(wěn)定坡面，如混凝土面、漿砌片石護(hù)坡坡面等。

(3)植物無(wú)法生長(zhǎng)的軟質(zhì)巖石邊坡、土夾石邊坡及土質(zhì)邊坡等。

3 工程概況及原材料相關(guān)技術(shù)指標(biāo)

云南省安楚高速公路位于滇中高原中部，地形復(fù)雜，盆嶺相間，起伏明顯，屬高原構(gòu)造，以中山，低中丘陵為主。公路沿線(xiàn)干濕季節(jié)明顯，降雨量受地形影響大，年平均降雨量為2 914～1 533mm，且降雨多集中在6～10月，占全年降雨量80%以上。該公路是昆明通往滇西北、滇西南的重要通道，是關(guān)系云南旅游業(yè)發(fā)展的重要道路，其邊坡防護(hù)在考慮水土保持、恢復(fù)生態(tài)環(huán)境的同時(shí)，強(qiáng)調(diào)景觀效果。通過(guò)對(duì)沿線(xiàn)植物資源調(diào)查及沿線(xiàn)氣候、土壤等綜合環(huán)境條件分析，厚層基材噴射植被護(hù)坡技術(shù)可用于大部分路段的穩(wěn)定巖石邊坡防護(hù)。

主要原材料技術(shù)指標(biāo)如下:錨桿為Ⅱ級(jí)Φ16鋼筋;鐵絲格柵由12號(hào)鍍鋅鐵絲組成，孔眼大小為5cm×5cm，相鄰兩卷鐵絲格柵需用細(xì)鐵絲連接;基層材料噴射厚度約為10cm，主要由粘土、植物種子、保水劑、高分子凝結(jié)劑、植物生長(zhǎng)劑、長(zhǎng)效復(fù)合綠化專(zhuān)用肥料和木質(zhì)纖維等組成。

4 鋼筋錨桿受力狀況分析

安楚高速公路厚層基材噴射植被護(hù)坡路段巖石邊坡主要有1∶0.5、1∶0.75和1∶1幾種不同形式，本文對(duì)上述不同坡比的石灰?guī)r深層穩(wěn)定邊坡中鋼筋錨桿受力進(jìn)行了分析計(jì)算。

4.1 確定護(hù)坡體系不穩(wěn)定滑動(dòng)面

考慮到坡體為深層穩(wěn)定巖石邊坡，則巖石坡面與基層材料的接觸面OA應(yīng)為可能存在的不穩(wěn)定滑動(dòng)面，如圖2(a)所示。

圖2 厚層基材噴射植被護(hù)坡的作用力Fig.2 Applied forces of thick layer base material spraying bio－slope－engineering

4.2 計(jì)算坡面上鋼筋錨桿實(shí)際總拉力Tk

鋼筋錨桿是錨固于巖石邊坡體系深處的受拉構(gòu)件，它一端與鐵絲格柵通過(guò)錨墊螺栓連接成整體加強(qiáng)坡面上基層材料的穩(wěn)定性，另一端錨固在穩(wěn)定的巖層內(nèi)，整根錨桿長(zhǎng)度可分為自由段和錨固段。自由段是指不穩(wěn)定滑動(dòng)面以上露出坡面的區(qū)段，錨固段是指通過(guò)注漿將鋼筋錨桿與邊坡體系粘結(jié)的那部分區(qū)段，通過(guò)錨固段與邊坡體系間的粘結(jié)摩阻力作用可將自由段收到的拉力傳至穩(wěn)定巖體內(nèi)部。錨桿自由段長(zhǎng)度lf約為15cm。錨固段長(zhǎng)度即為錨固深度la一般根據(jù)設(shè)計(jì)拉力來(lái)估算。

鋼筋錨桿承受的總拉力T主要是由基層材料的自重應(yīng)力產(chǎn)生。為了進(jìn)行理論分析，需對(duì)巖石邊坡體系進(jìn)行相應(yīng)的假設(shè):

(1)邊坡體系和鋼筋錨桿均為為連續(xù)、均質(zhì)、各向同性的彈性介質(zhì)體系，錨桿沿邊坡坡面均勻分布在巖石邊坡體系之中;

(2)鋼筋錨桿固定的基層材料為兩向等壓均勻分布的條形平面，即應(yīng)考慮為平面應(yīng)變問(wèn)題;

(3)鋼筋錨桿系桿件體，其上各斷面的軸向應(yīng)力是均勻分布的。

根據(jù)以上三方面的假定條件，以高H寬s的坡面上的鐵絲格柵和基層材料共同體為研究對(duì)象。作用在共同體上的作用力如圖2(b)所示。

(1)基層材料和鐵絲格柵的自重G:

式中:s為鋼筋錨桿縱橫間離 (m);ρ為基層材料與鐵絲格柵的總密度，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知ρ≈1.8×103kg/m3;g為重力加速度，一般取9.8N/kg，在計(jì)算時(shí)為了方便取g=10N/kg;h為基層材料的厚度h≈10cm;H為邊坡的高度 (m)。

(2)坡體對(duì)共同體的作用力N':

坡體對(duì)共同體的沿滑動(dòng)面OA向上的摩擦力f'和坡體對(duì)共同體沿滑動(dòng)面OA法向的支撐力N的合力。N'與滑動(dòng)面OA的法線(xiàn)間的夾角應(yīng)等于基層材料的內(nèi)摩擦角φ，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知φ=23.4°。

(3)坡面上所有鋼筋錨桿對(duì)共同體的拉力T:

拉力T與滑動(dòng)面OA垂直，大小需通過(guò)計(jì)算確定。

當(dāng)護(hù)坡體系處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，鐵絲格柵和基層材料共同體應(yīng)處于靜力平衡狀態(tài)，則:

由(1)、(2)(3)式得:

當(dāng)護(hù)坡體高H寬s時(shí)，坡面上所有鋼筋錨桿總的拉力T(N):

考慮到風(fēng)、雨、雪自然條件變化和沖刷沉積造成的外來(lái)荷載等的影響，鋼筋錨桿實(shí)際總拉力Tk，應(yīng)考慮乘以一個(gè)安全系數(shù)K。一般情況下K=1.7～2.5，對(duì)永久工程需取較大值，可取K=2.5。則，

4.3 鋼筋錨桿整體穩(wěn)定性分析與計(jì)算

鋼筋錨桿受力穩(wěn)定性既受到鋼筋軸向抗拉強(qiáng)度限制，同時(shí)還受到錨固段的抗拔力影響。而鋼筋軸向抗拉強(qiáng)度容易確定且可滿(mǎn)足使用要求;但錨固段的抗拔力的影響因素較復(fù)雜，將是影響單根錨桿極限承載力的關(guān)鍵所在。

4.3.1 鋼筋錨桿軸向抗拉強(qiáng)度計(jì)算鋼筋錨桿的抗拉力可按(7)式計(jì)算［6］:

式中:E為鋼筋錨桿的抗拉力(kN);d為鋼筋錨桿的直徑(mm);fy為鋼筋錨桿抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，fy=0.335 kN/mm2;

鋼筋錨桿的抗拉斷穩(wěn)定性按(9)式驗(yàn)算［5］:

式中，:Ti為單根鋼筋錨桿的拉力(kN);Kl為抗拉安全系數(shù)，Kl=1.8。

4.3.2 鋼筋錨桿的抗拔出分析與計(jì)算

阻止鋼筋錨桿錨固段從坡體中拔出的抗力一方面受到于坡體與錨固砂漿之間的粘結(jié)摩阻力限制，另一方面也受到鋼筋錨桿與砂漿間的粘結(jié)強(qiáng)度控制。

(1)坡體與錨固砂漿之間的粘結(jié)摩阻力由兩者間的結(jié)合強(qiáng)度確定。則單根鋼筋錨桿的錨固力R1可按(10)式計(jì)算［5］:

式中:dh為錨桿成孔直徑(mm)，對(duì)φ16鋼筋錨桿dh=25mm;la為錨桿的錨固長(zhǎng)度(m);τ為錨固砂漿與石灰?guī)r的結(jié)合強(qiáng)度(kN/m2)，τ=1000 kN/m2。因此:

(2)鋼筋錨桿與錨固砂漿間粘結(jié)強(qiáng)度控制的單根鋼筋錨桿錨固力R2，可按(12)式計(jì)算［5］:

式中:τg為鋼筋錨桿與錨固砂漿間的粘結(jié)強(qiáng)度(kN/m2)，τg=2400 kN/m2。因此:單根鋼筋錨桿的抗拔力R由R1和R2中的小值來(lái)控制。則，R=R1=78.5lα。

鋼筋錨桿抗拔出穩(wěn)定性可由(14)式驗(yàn)算:

式中:Kn為錨桿的抗拔安全系數(shù)，Kn=1.8。

4.4 鋼筋錨桿錨固段長(zhǎng)度確定

當(dāng)鋼筋錨桿剛好滿(mǎn)足抗拉斷穩(wěn)定性設(shè)計(jì)時(shí)單根錨桿所能承受的最大拉力為T(mén)a:

式中:Ta為剛好滿(mǎn)足抗拉斷穩(wěn)定性設(shè)計(jì)時(shí)單根鋼筋錨桿所能承受的最大拉力(kN)。

當(dāng)鋼筋錨桿剛好滿(mǎn)足抗拔出穩(wěn)定性設(shè)計(jì)時(shí)，單根錨桿所能承受的最大拉力為T(mén)b:

式中:Tb為剛好滿(mǎn)足抗拔出穩(wěn)定性設(shè)計(jì)時(shí)單根鋼筋錨桿所能承受的最大拉力(kN)。

當(dāng)鋼筋錨桿同時(shí)滿(mǎn)足抗拉斷和抗拔出穩(wěn)定性要求時(shí)是既經(jīng)濟(jì)又安全的，錨桿所能承受的最大拉力T0應(yīng)由Ta和Tb中的小值確定，則:

Ta為一個(gè)確定值，Tb隨la成正比例變化。當(dāng) Ta=Tb時(shí)，鋼筋錨桿既能充分發(fā)揮作用又能滿(mǎn)足安全經(jīng)濟(jì)性要求。此時(shí)

式中:T0為滿(mǎn)足安全經(jīng)濟(jì)性要求時(shí)單根鋼筋錨桿所受的最大拉力(kN)。

考慮到坡體風(fēng)化、破碎程度等因素的影響素，實(shí)際最佳錨固段長(zhǎng)度需適當(dāng)增加，即:

式中:μ為坡體風(fēng)化、破碎等因素的影響系數(shù)。

4.5 鋼筋錨桿縱橫間距計(jì)算與確定

護(hù)坡體系高為H寬為s時(shí)，坡面上鋼筋錨桿呈矩形布置時(shí)會(huì)有以下分布規(guī)律:

式中:n為鋼筋錨桿的根數(shù);H為邊坡高度(m);α為邊坡體的傾角(°);s為錨桿縱橫間距(m)。

由公式(5)和公式(6)可得:

將公式(20)代入公式(21)得:

由此可知，錨桿縱橫間距會(huì)受到邊坡坡度和高度的影響，考慮到施工質(zhì)量、自然條件變化等影響因素，錨桿的實(shí)際最佳縱橫間距應(yīng)適當(dāng)減少。

式中:η為施工質(zhì)量和自然條件變化的影響系數(shù)。

將不同坡度和不同高度的限制條件代入公式(22)和公式(23)可得出鋼筋錨桿實(shí)際最佳縱橫間距ss見(jiàn)表1。

表1 不同坡度和高度巖體中錨桿的實(shí)際最佳間距Tab.1 Optimal span of anchor in the rocks with different slopes and heights

5 結(jié) 論

(1)通過(guò)對(duì)基層材料進(jìn)行受力分析，根據(jù)靜力平衡條件及自然因素、外荷載等因素的影響，可求出寬s、高H的邊坡坡面上布置的所有鋼筋錨桿受到的總的實(shí)際拉力Tk。

(2)通過(guò)對(duì)鋼筋錨桿軸向抗拉和抗拔出的分析與計(jì)算可知，當(dāng)錨桿同時(shí)滿(mǎn)足抗拉斷和抗拔出穩(wěn)定性要求時(shí)是既經(jīng)濟(jì)又安全的，錨桿所能承受的最大拉力T0達(dá)到最理想狀態(tài)，此時(shí)錨桿既能充分發(fā)揮作用，又能滿(mǎn)足安全經(jīng)濟(jì)性要求。在石灰?guī)r邊坡體系中錨固段的長(zhǎng)度la=0.95m，不受邊坡坡度和高度的限制，且與實(shí)踐中的錨固深度基本相吻合。

(3)根據(jù)巖體邊坡坡面上所布置錨桿的根數(shù)規(guī)律以及在抗拉斷穩(wěn)定性和抗拔穩(wěn)定性之間尋求到的最佳平衡點(diǎn)，即可得出錨桿實(shí)際縱橫間距ss。但是ss會(huì)受到邊坡坡度和高度的影響，這也與實(shí)際施工中設(shè)置的錨桿間距基本吻合。

［1］周德培，張俊云.植被護(hù)坡工程技術(shù)［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［2］劉本同，錢(qián) 華，何志華，等.我國(guó)巖石邊坡植被修復(fù)技術(shù)現(xiàn)狀和展望［J］.浙江林業(yè)科技，2004(3):48－55.

［3］沈建海，丁 堅(jiān)，秦燕華，等.客土噴播技術(shù)在邊坡生態(tài)防護(hù)中的應(yīng)用［J］.紹興文理學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009(1):76－78.

［4］楊 林，佴 磊，劉永平.滑波穩(wěn)定性分析及削坡減載在工程中的應(yīng)用［J］.森林工程，2005，21(4):24－26.

［5］馬業(yè)禹，艾國(guó)棟.節(jié)理巖邊坡長(zhǎng)短相間錨桿支護(hù)系統(tǒng)分析［J］.工路工程，2007，32(6):65 －69.

［6］郭春麗，李利明.錨桿在客土噴播技術(shù)中的受力狀況分析［J］.林業(yè)建設(shè)，2008(5):44－48.