劉 澤,陳 麗,何 礬,樓華鋒, 鐘 正

(1.湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南 湘潭 411201； 2.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司,浙江 杭州 310011；3.馬克菲爾(長沙)新型支檔科技開發(fā)有限公司,湖南 長沙 410600)

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，水利工程、公路、鐵路出現(xiàn)前所未有的建設(shè)高潮，大量工程邊坡也相繼出現(xiàn)。在保證這些邊坡穩(wěn)定性的同時如何快速恢復(fù)邊坡的生態(tài)功能是目前工程建設(shè)面臨的挑戰(zhàn)之一[1]。將土工合成材料(如土工網(wǎng)、土工格室、加筋麥克墊等)與植生綠化技術(shù)相結(jié)合的生態(tài)護(hù)坡技術(shù)具有植物生長快、抗沖刷性能好、施工簡單、工人勞動強(qiáng)度低、成本低等優(yōu)點，近年來深受工程建設(shè)者的關(guān)注。

近年來國內(nèi)外學(xué)者對土工合成材料生態(tài)護(hù)坡技術(shù)開展了廣泛的研究。王廣月等[2]開展了三維土工網(wǎng)防護(hù)下邊坡侵蝕模型試驗，建立了累積侵蝕量與雷諾數(shù)的關(guān)系。張寶森等[3]將理論分析和現(xiàn)場試驗相結(jié)合，探討了三維網(wǎng)墊護(hù)坡在提高邊坡抗沖刷能力、降低坡面徑流速度和促進(jìn)植物生長方面的作用；彭俏健[4]采用原位試驗研究了降雨對三維植被網(wǎng)生態(tài)防護(hù)體系穩(wěn)定性的影響，認(rèn)為三維植被網(wǎng)可以防止降雨引起的邊坡局部沖蝕破壞。肖成志等[5-6]對土工網(wǎng)的抗沖蝕機(jī)制進(jìn)行了研究，推導(dǎo)了水頭損失和徑流速度的計算方法，并對柔性生態(tài)防護(hù)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值分析，認(rèn)為柔性網(wǎng)墊可分散坡內(nèi)應(yīng)力、提高整體穩(wěn)定性、降低滑坡的可能性。肖衡林等[7]提出了邊坡柔性生態(tài)防護(hù)時三維土工網(wǎng)厚度的確定方法，為三維土工網(wǎng)的設(shè)計和選擇提供了依據(jù)。肖成志等[8-9]通過現(xiàn)場試驗分析了邊坡角度、土工網(wǎng)類型、邊坡土體性質(zhì)、草籽噴灑密度等因素對邊坡淺層土體抗剪強(qiáng)度、平均滲透系數(shù)、侵蝕量的影響及其相互關(guān)系。Mao等[10]研究了植物類型、植物密度和土壤環(huán)境等對坡面土體黏聚力的影響。Rahardjo等[11]通過現(xiàn)場試驗研究了降雨后邊坡孔隙水壓力的分布。袁俊平等[12-13]結(jié)合工程實際對邊坡生態(tài)防護(hù)中的材料選擇進(jìn)行了探討。這些研究有力地促進(jìn)了邊坡防護(hù)由圬工結(jié)構(gòu)向柔性生態(tài)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變[14-15]。

將加筋麥克墊和錨釘作為護(hù)坡結(jié)構(gòu)的骨架，配合高性能生態(tài)基材和營養(yǎng)土構(gòu)成的筋錨三維網(wǎng)生態(tài)護(hù)坡技術(shù)近年來在國內(nèi)的邊坡防護(hù)工程中得到了嘗試性應(yīng)用，結(jié)果表明，這種方式具有比傳統(tǒng)土工網(wǎng)護(hù)坡更顯著的抗沖刷性能、長期穩(wěn)定性與工程復(fù)綠效果。為探討筋錨三維網(wǎng)柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，本文考慮降雨的影響，建立邊坡筋錨三維網(wǎng)柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析模型，分析邊坡傾角、降雨強(qiáng)度、防護(hù)層厚度、錨釘間距、錨固長度等因素對防護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，以期為筋錨三維網(wǎng)生態(tài)護(hù)坡技術(shù)的工程應(yīng)用提供參考。

1 筋錨三維網(wǎng)柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)的組成及特點

圖1 筋錨三維網(wǎng)生態(tài)護(hù)坡結(jié)構(gòu)

筋錨三維網(wǎng)柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)是以加筋麥克墊和錨釘(或錨桿)作為護(hù)坡骨架，配合高性能生態(tài)基材、營養(yǎng)土構(gòu)成的一種新型邊坡防護(hù)結(jié)構(gòu)(圖1(a))。結(jié)構(gòu)中所用的加筋麥克墊(圖1(b))是一種以機(jī)編雙絞合鋼絲網(wǎng)為骨架，將聚乙烯(或聚丙烯)熱融、擠壓成絲狀并隨機(jī)黏結(jié)在骨架上，形成具有一定厚度、不規(guī)則孔隙的三維網(wǎng)。與傳統(tǒng)土工網(wǎng)相比，加筋麥克墊具有強(qiáng)度高、厚度大、孔隙率高、孔隙分布隨機(jī)的特點。與其他邊坡防護(hù)結(jié)構(gòu)(如漿砌片石骨架、錨桿框格梁護(hù)坡)相比，筋錨三維網(wǎng)柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點：

a. 抗侵蝕效果好，植被恢復(fù)快。加筋麥克墊是一種柔性結(jié)構(gòu)，可以很好地貼合工程中裸露的邊坡，其三維孔隙性結(jié)構(gòu)能夠消解雨水動能，防止坡面土體被雨水擊濺和沖刷，使坡面土顆粒、草籽等受到有效的保護(hù)而不被沖刷流失，還可截留雨水，保持水分，易于草籽發(fā)芽，促進(jìn)植被的生長；植物生長時其根系可穿過加筋麥克墊并能對坡面淺表層土起到加筋作用，同時加筋麥克墊還能將坡面植被及受植被根系影響的淺表層土體連成整體，增強(qiáng)坡面淺表層土體的整體穩(wěn)定，提高抗侵蝕性能。

b. 適用范圍寬、邊坡穩(wěn)定性好。錨桿可有效提高邊坡的整體穩(wěn)定性;加筋麥克墊可有效保護(hù)土體表層，防止錨桿之間土體的流失，在土體發(fā)生位移時協(xié)調(diào)錨桿一起工作，提升邊坡穩(wěn)定性；高性能生態(tài)基材為植被的生長提供必要的營養(yǎng)條件。筋錨三維網(wǎng)柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)不僅可用于貧瘠干旱的路堤邊坡，也可用于高大陡峭、缺土少肥的路塹邊坡和陡峭的巖質(zhì)邊坡。同時筋錨三維網(wǎng)柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)是一種開放性結(jié)構(gòu)，滲入坡體的水可以自由排放，避免坡內(nèi)滲水積蓄造成邊坡失穩(wěn)。

c. 強(qiáng)度高、耐久性好。加筋麥克墊中的雙絞合鋼絲網(wǎng)縱向抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)50 kN/m，使結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度得到提高；同時雙絞合鋼絲網(wǎng)采用金屬鍍層防腐處理，材料耐久性好。

d. 施工簡單，質(zhì)量容易控制。邊坡粗平后即可鋪設(shè)施工；加筋麥克墊重量輕，人工搬運即可，工人勞動強(qiáng)度低；采用錨釘(或錨桿)固定，效率高，可有效縮短工期。加筋麥克墊與錨桿等材料均為工廠定型產(chǎn)品，質(zhì)量可靠。

2 穩(wěn)定性分析模型

圖2 筋錨三維網(wǎng)柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析模型

當(dāng)邊坡采用筋錨三維網(wǎng)柔性結(jié)構(gòu)防護(hù)時(圖2)，在防護(hù)初期，由于坡面植被尚未生成或植物根系尚不發(fā)達(dá)，不能起到錨固作用，可忽略其作用。降雨時雨水將入滲到坡面土體，使坡面土體含水量增加，容重增大，土體與防護(hù)結(jié)構(gòu)間界面強(qiáng)度減小[16]，使防護(hù)結(jié)構(gòu)可能沿防護(hù)結(jié)構(gòu)與原坡間的界面發(fā)生滑移失穩(wěn)。設(shè)邊坡坡長為L，采用柔性防護(hù)時錨釘?shù)臋M向和縱向間距分別為l和s(圖2(a))，取一列錨釘?shù)淖饔脤挾?l)為計算寬度，建立邊坡柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)的受力分析模型，如圖2(b)所示。降雨時防護(hù)結(jié)構(gòu)的受力主要有：防護(hù)結(jié)構(gòu)的自重G、三維網(wǎng)與坡面之間的摩擦力Rf、錨釘(或錨桿)提供的阻力Rs、雨滴降落在邊坡上產(chǎn)生的擊濺力Q、坡面徑流的沖刷力Fs、雨水入滲引起的滲透力Jd。當(dāng)柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)沿結(jié)構(gòu)與原坡面的交界面發(fā)生整體滑移破壞時，可定義防護(hù)結(jié)構(gòu)的抗滑移穩(wěn)定性系數(shù)K為

(1)

式中：n為計算寬度內(nèi)設(shè)置的錨釘個數(shù);b為頂排和底排錨釘距坡頂、坡底的距離，m；Rj為單個錨釘提供的阻力，kN；α為坡角，(°);式中各種荷載如下計算：

a. 柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)的自重G。G為計算寬度內(nèi)三維網(wǎng)與植生綠化土(客土、高性能基材及植物種子)的總重。由于三維網(wǎng)的自重小、網(wǎng)孔大，植生綠化土將進(jìn)入三維網(wǎng)內(nèi)并形成一定厚度的植生墊層(總厚度8～15 cm)，而相較于植生綠化土的質(zhì)量，三維網(wǎng)的質(zhì)量可以忽略不計，故G可按下式計算:

G=γLhl

(2)

式中：γ為植生綠化土的容重，kN/m3；h為植生墊層厚度，m。

b. 坡面徑流的沖刷力Fs。Fs可按下式計算：

Fs=γwLhwlsinα

(3)

式中：γw為水的容重，kN/m3；hw為坡面徑流深度，m，其值與降雨量、土體滲透率等多種因素有關(guān)，可按下式簡化計算：

(4)

式中：ψ為徑流系數(shù)；m為坡面粗糙度；q為降雨強(qiáng)度，mm/s。

c. 防護(hù)結(jié)構(gòu)中雨水的滲透力Jd。Jd可按下式計算：

Jd=γwLhlsinα

(5)

d. 雨滴的擊濺力Q。Q可根據(jù)能量守恒定律獲得[16]：

(6)

式中：g為重力加速度，取9.8 m/s2；d為雨滴直徑，mm；vd為雨滴降落速度，m/s，在雨滴降落過程中會受到空氣阻力，雨滴最終會勻速降落地面[17]，vd可由下式計算：

(7)

e. 防護(hù)結(jié)構(gòu)與坡面之間的摩擦力Rf。Rf可按下式計算：

Rf=(G+Q)cosαtanφf

(8)

式中：φf為防護(hù)結(jié)構(gòu)與邊坡間的界面摩擦角,(°)。

f. 錨釘阻力Rj。錨釘?shù)淖饔檬鞘谷S網(wǎng)緊貼坡面，使防護(hù)結(jié)構(gòu)與邊坡成為一個整體。對于填方邊坡而言，邊坡表面的土層比較松軟，而錨釘長度較小，插入土層的深度小，相對于土體而言錨釘剛度較大。當(dāng)防護(hù)結(jié)構(gòu)下滑時，錨釘將對其前方的土體產(chǎn)生擠壓作用，單個錨釘能提供的抗滑阻力可按錨釘直徑寬度范圍的被動土壓力計算：

(9)

其中Bp=0.9(1.5D+0.5)

Kp=tan2(45°+φ/2)

式中：Bp為錨釘計算直徑，m；D為錨釘?shù)闹睆?，mm；lm為錨釘?shù)腻^固部分長度，m；Kp為被動土壓力系數(shù);φ為土的內(nèi)摩擦角，(°)。

3 實例分析

3.1 工程背景與防護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計算

某公路路堤邊坡坡高H=10 m，邊坡坡率1∶1.5，坡面采用筋錨三維網(wǎng)生態(tài)防護(hù)方案，防護(hù)層厚度為10 cm，植生綠化土的天然容重γ=19.1 kN/m3，其降雨后飽和容重γsat=22.6 kN/m3，降雨前、后防護(hù)結(jié)構(gòu)與原坡面的界面摩擦角φf分別為25°、21°。筋錨三維網(wǎng)墊的厚度為12 mm,抗拉強(qiáng)度為35 kN/m；錨釘采用HPB300鋼筋制作，直徑為8 mm，長為0.6 m(其中錨固部分長度為0.48 m)，間距為1 m×1 m。

根據(jù)建立的模型計算正常工況(無降雨)和12 h降水量為100 mm(暴雨-特大暴雨)時防護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，結(jié)果見表1。由表1可見，正常工況下該設(shè)計方案的邊坡防護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較高，但降雨后邊坡防護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有較大幅度的下降(下降了41.3%)。因此，在邊坡柔性防護(hù)設(shè)計時應(yīng)當(dāng)考慮降雨的影響。

表1 防護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計算結(jié)果

3.2 防護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響因素分析

3.2.1邊坡傾角(坡率)的影響

圖3 邊坡傾角對穩(wěn)定性系數(shù)的影響

圖3為防護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性系數(shù)隨邊坡傾角變化的關(guān)系曲線。由圖3可知，防護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性系數(shù)隨邊坡傾角的增大逐漸減小。當(dāng)邊坡高度一定時，邊坡傾角的增加會引起防護(hù)結(jié)構(gòu)重力的下滑分量增加和邊坡長度的減小，而在錨釘間距保持不變情況下，邊坡長度的減小使錨釘數(shù)量減少，總錨固力減小，從而邊坡穩(wěn)定性系數(shù)減小。從圖3還可以看出，當(dāng)邊坡傾角大于55°時，穩(wěn)定性系數(shù)小于1，防護(hù)結(jié)構(gòu)將發(fā)生滑移失效，需設(shè)法提高邊坡防護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.2.2降雨強(qiáng)度的影響

分別取12 h降水量為50 mm、100 mm、150 mm、200 mm，其他參數(shù)不變，計算防護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。計算結(jié)果顯示不同降雨強(qiáng)度下的防護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性系數(shù)基本相同。其主要原因在于：當(dāng)邊坡雨水入滲穩(wěn)定，坡面形成徑流后，降雨強(qiáng)度的變化主要體現(xiàn)在坡面受到雨滴擊濺力和徑流沖刷力方面，但這兩者在防護(hù)結(jié)構(gòu)下滑力中占的比重小，對防護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響也就很小，即在防護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析中可以不考慮降雨強(qiáng)度的影響。但應(yīng)當(dāng)注意，降雨時雨水的擊濺將破壞坡面土顆粒的結(jié)構(gòu)，使其更為松散，在坡面徑流作用下水土流失將加重，這需要通過加筋三維網(wǎng)的約束作用與后期坡面植被的水文效應(yīng)、力學(xué)效應(yīng)來控制。

3.2.3結(jié)構(gòu)層厚度的影響

分別取防護(hù)結(jié)構(gòu)層厚度h=6 cm、8 cm、10 cm、12 cm、14 cm、16 cm，其他參數(shù)不變，計算防護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，結(jié)果見圖4。當(dāng)防護(hù)結(jié)構(gòu)層厚度增加時，其重力增大，由于結(jié)構(gòu)層的支撐面為斜面，由重力引起的下滑力增量大于摩擦力的增量，因此防護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性系數(shù)隨結(jié)構(gòu)層厚度的增加非線性減小。當(dāng)結(jié)構(gòu)層厚度等于16 cm時，防護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性系數(shù)接近1，達(dá)到臨界狀態(tài)?？梢?，防護(hù)結(jié)構(gòu)層的厚度不宜過大，但增加防護(hù)結(jié)構(gòu)層厚度有利于坡面植被的生長與維護(hù)(特別是貧瘠土或巖質(zhì)邊坡)，此時宜通過減小錨釘間距、增加錨釘數(shù)量等來提高防護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖4 結(jié)構(gòu)層厚度對穩(wěn)定性系數(shù)的影響

3.2.4錨釘間距的影響

分別取錨釘縱向間距s=0.4 m、0.6 m、0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.4 m、1.6 m、1.8 m、2.0 m，其他參數(shù)不變，計算不同錨釘縱向間距下防護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，結(jié)果見圖5。從圖5可知，隨錨釘縱向間距增大，防護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性系數(shù)非線性減小。這是由于錨釘縱向間距增大，一定坡長范圍內(nèi)錨釘?shù)臄?shù)量減小，錨釘提供的總抗滑力減小，最終導(dǎo)致了穩(wěn)定性系數(shù)的減小。在錨釘間距小時，錨釘提供的抗滑力在總抗滑力中占比高，隨錨釘間距增大，錨釘數(shù)量減少，錨釘提供的抗滑力在總抗滑力中占比也減小。因而錨釘縱向間距從0.4 m增大到0.8 m時，穩(wěn)定性系數(shù)減小幅度較大，隨后趨于平緩。

圖5 錨釘縱向間距對穩(wěn)定性系數(shù)的影響

分別取錨釘橫向間距l(xiāng)=0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m、3.5 m、4.0 m，其他參數(shù)不變，計算不同錨釘橫向間距下防護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，結(jié)果見圖6。從圖6可以看出，與錨釘縱向間距的影響類似，防護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性系數(shù)隨錨釘橫向間距增大而減小，其原因在于增大錨釘橫向間距使得單列錨釘所要承擔(dān)的防護(hù)結(jié)構(gòu)寬度增加，防護(hù)結(jié)構(gòu)受到的下滑力增大，而錨釘提供的抗滑力不變，最終導(dǎo)致了穩(wěn)定性系數(shù)的減小。

圖6 錨釘橫向間距對穩(wěn)定性系數(shù)的影響

綜合前面的分析可知，錨釘?shù)牟贾脤Ψ雷o(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響很大，錨釘布置過疏，防護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不夠；錨釘布置過密，邊坡材料用量與施工費用增加，經(jīng)濟(jì)性降低。因此在選擇錨釘間距時，可根據(jù)實際工程狀況和目標(biāo)穩(wěn)定性系數(shù)，先按常規(guī)確定錨釘?shù)臋M向間距(一般為1～3 m)，再根據(jù)式(1)求得計算寬度內(nèi)所需要的錨釘數(shù)量，然后進(jìn)一步確定錨釘?shù)目v向間距(一般等間距布置)。

3.2.5錨釘錨固長度的影響

分別取錨釘錨固長度lm=0.3 m、0.4 m、0.5 m、0.6 m、0.7 m、0.8 m、0.9 m，其他參數(shù)不變，計算不同錨固長度下防護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，結(jié)果見圖7。由圖7可見，錨固長度越長，穩(wěn)定性系數(shù)越大，防護(hù)結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。由式(9)可以看出，錨釘阻力Rj與錨固長度呈二次函數(shù)關(guān)系。因此，在錨固長度從0.3 m增加到0.9 m過程中，錨固長度每增加0.1 m，穩(wěn)定性系數(shù)增長23%～39%，可見錨釘錨固長度對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有顯著影響。考慮經(jīng)濟(jì)性和錨釘施工難度，在邊坡采用筋錨三維網(wǎng)防護(hù)方案時，錨固長度一般不宜小于0.5 m。

圖7 錨釘錨固長度對穩(wěn)定性系數(shù)的影響

4 結(jié) 論

a. 與無降雨相比，降雨條件下邊坡筋錨三維網(wǎng)柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)的下滑力增大，抗滑力減小，防護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性明顯降低。

b. 在相同的防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)下，防護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性隨邊坡傾角增加而減??；當(dāng)坡面形成徑流后，降雨強(qiáng)度對防護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響很小，在邊坡防護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計時可不考慮降雨強(qiáng)度的影響。

c. 在相同的邊坡條件下，防護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性系數(shù)隨著錨釘間距、結(jié)構(gòu)層厚度的增大而減小，隨錨釘錨固長度的增加而增大，其中錨釘間距與錨固長度的影響最顯著。實際工程中錨固長度不宜小于0.5 m，錨釘間距宜通過建立的模型(式(1))合理確定。