陳 宇 李舒陽(yáng) 劉威勤 張仰鵬 胡釗健 黃 震

(1.廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530029;2.廣西交科集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530007;3.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 南寧 530007;4.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,廣西 南寧 530004)

邊坡防護(hù)是公路建設(shè)的重要環(huán)節(jié),由于技術(shù)手段的局限性、整體規(guī)劃缺乏、地質(zhì)環(huán)境限制等原因,公路邊坡防護(hù)與自然環(huán)境無(wú)法相互協(xié)調(diào),造成生態(tài)環(huán)境破壞、水土流失,甚至發(fā)生山體崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害,給人們的生命財(cái)產(chǎn)造成巨大威脅[1]。為了防止邊坡地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生,研究人員開(kāi)發(fā)了許多針對(duì)性的防護(hù)技術(shù),傳統(tǒng)的邊坡防護(hù)方法包括錨索格構(gòu)梁[2]、抗滑樁[3]、混凝土帆布[4]、擋土墻[5]、金屬絲網(wǎng)[6]、聚合物防水涂料[7]等。然而,傳統(tǒng)方法使用大量的水泥、混凝土和鋼材,難免造成邊坡土壤板結(jié)和鹽堿問(wèn)題,一方面對(duì)生態(tài)環(huán)境和水土保持不利,另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)邊坡防護(hù)的初始成本和后期修護(hù)成本較高[8],不利于“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

為此,國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了大量研究,并取得了豐富的研究成果。畢銀麗等[9]揭示了接菌對(duì)根土復(fù)合體抗剪拉作用機(jī)理,增強(qiáng)露天排土場(chǎng)邊坡抗剪切或抗拉傷等力學(xué)特性;Emadi-Tafti等[10]研究了植被的力學(xué)特性和土壤類(lèi)型對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響;Duan等[11]量化黃土高原陡坡區(qū)在不同植被類(lèi)型下水分平衡模型和對(duì)地表徑流和土壤流失的影響;Cao等[12]考慮到植物早期生長(zhǎng)能力、物種多樣性、植被演替等因素,采用了徑流圖法研究高速公路陡坡段不同植被群落的早期護(hù)坡效果。

與植被坡面保護(hù)相比,植被混凝土不僅兼顧環(huán)境恢復(fù),還具有滿足工程安全的力學(xué)性能和生物相容性等優(yōu)點(diǎn)。植被混凝土[13],也稱(chēng)為生態(tài)混凝土,由兩層組成,基礎(chǔ)層為多孔混凝土,由粗骨料、含特殊礦物質(zhì)的膠凝材料和增塑劑組成;上層包括土壤、肥料、保水劑和種子,其優(yōu)良的特性引起了全球眾多學(xué)者的關(guān)注。Xia等[14]為修復(fù)水電站邊坡,研究了不同優(yōu)勢(shì)種對(duì)植被混凝土基質(zhì)微生物功能多樣性的影響,改變植被混凝土底物的微生物群落結(jié)構(gòu);Zhao等[15]提出了在植被混凝土中添加生物炭顆粒的改進(jìn)方法,制備了不同配合比的植物性混凝土,選擇了最適合植被混凝土護(hù)坡的草種;Bao等[16]研制了適合植被生長(zhǎng)的低堿度透水混凝土,將其與網(wǎng)格梁結(jié)構(gòu)相結(jié)合,有效地提高植被透水混凝土與基礎(chǔ)土之間的穩(wěn)定性和強(qiáng)度;Xiong等[17]以3種草本植物為材料構(gòu)建植被混凝土,評(píng)價(jià)了其對(duì)土壤穩(wěn)定和護(hù)坡性能隨時(shí)間的影響變化;Liu等[18]使用木材基活性炭和煤基活性炭來(lái)提高植被混凝土的抗凍性能,驗(yàn)證活性炭可增強(qiáng)植被混凝土在季節(jié)性凍融循環(huán)地區(qū)的適應(yīng)能力和生態(tài)護(hù)坡效果;許英姿等[19]研究了降雨條件下柔性護(hù)坡的錨固加固植被體系對(duì)膨脹土邊坡的影響。

目前的邊坡生態(tài)防護(hù)主要側(cè)重于坡面的植被生長(zhǎng),忽視了原本的邊坡加固。對(duì)于高陡邊坡,僅依靠植被生長(zhǎng)來(lái)保護(hù)邊坡往往無(wú)法滿足工程的穩(wěn)定性要求。為了解決護(hù)坡能力與邊坡生態(tài)相互協(xié)調(diào)的矛盾,提出一種植被混凝土板墻錨固支護(hù)技術(shù),采用有限差分軟件分析該組合結(jié)構(gòu)施工前后高陡邊坡安全系數(shù)和潛在滑動(dòng)面變化情況,以及植被混凝土板墻結(jié)構(gòu)的受力特性和分布規(guī)律,以驗(yàn)證高陡邊坡植被混凝土板墻的穩(wěn)定性。最后,通過(guò)分析錨索參數(shù)敏感性,優(yōu)化植被混凝土板墻錨固設(shè)計(jì),以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性,擴(kuò)大植被混凝土在邊坡支護(hù)中的應(yīng)用范圍。

1 工程背景

依托龍勝—峒中口岸高速公路龍勝芙蓉至縣城段(簡(jiǎn)稱(chēng)“龍城路”)展開(kāi)研究。龍城路項(xiàng)目為山嶺重丘區(qū)高速公路,位于廣西桂林市龍勝各族自治縣境內(nèi),起點(diǎn)為龍勝縣馬堤鄉(xiāng)芙蓉村西北側(cè),與城步至龍勝高速公路湖南段順接,終點(diǎn)為雙洞村設(shè)置樞紐互通立交與桂三高速公路相接,路線全長(zhǎng)約32.17 km。全線采用高速公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)速度為100 km/h,雙向四車(chē)道,標(biāo)準(zhǔn)橫斷面寬度為26 m,沿線泥質(zhì)巖分布廣泛,地質(zhì)條件復(fù)雜。全線深挖路塹中挖方高度大于30 m的共22段,深挖路段較多,存在大量的高陡邊坡,如圖1所示。

圖1 龍城路沿線邊坡Fig.1 High and steep slope along Longcheng Road

龍城路沿線地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候,年平均降雨量比較大,大雨集中。同時(shí),邊坡表層為褐黃色粉質(zhì)粘土,厚約0.5～2 m,下伏褐黃色強(qiáng)—中風(fēng)化粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖,巖體節(jié)理裂隙發(fā)育,降雨對(duì)邊坡的影響較大。當(dāng)降雨量不大時(shí),邊坡破壞主要是淺層塌方和坍方,但隨著降雨入滲的增加,邊坡巖土的力學(xué)性能逐漸衰減,邊坡的穩(wěn)定性降低。因此,施加植被混凝土可以避免降雨對(duì)土壤的侵蝕,實(shí)現(xiàn)斜坡的長(zhǎng)期穩(wěn)定狀態(tài)和環(huán)境的可持續(xù)性。

2 數(shù)值研究

再生骨料透水混凝土既要滿足植被生長(zhǎng)需求,又要達(dá)到邊坡防護(hù)所需的強(qiáng)度要求。因此,本文采用有限差分程序FLAC3D,定量分析植被混凝土板墻支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)邊坡變形和穩(wěn)定性的影響。通過(guò)模擬5個(gè)不同的支護(hù)方案來(lái)驗(yàn)證植被混凝土錨固支護(hù)結(jié)構(gòu)的合理性,5個(gè)方案分別為:① 無(wú)支護(hù);② 普通混凝土板墻支護(hù)(無(wú)錨索);③ 植被混凝土板墻支護(hù)(無(wú)錨索);④ 普通混凝土板墻錨固支護(hù);⑤ 植被混凝土板墻錨固支護(hù)。

2.1 模型構(gòu)建

利用Rhino三維建模軟件,基于平面應(yīng)變假設(shè),構(gòu)建了邊坡三維模型和預(yù)應(yīng)力錨索單元。其中,一級(jí)邊坡模型長(zhǎng)45 m(X軸)、高22 m(Z軸)、寬1.0 m(Y軸),二級(jí)邊坡長(zhǎng)61.50 m(X軸)、高34 m(Z軸)、寬1.0 m(Y軸),邊坡坡度1∶1.25。在坡底處設(shè)置40 cm厚的C35水泥混凝土和60 cm厚的片石混凝土回填層作為路面。然后,通過(guò)Rhino的網(wǎng)格功能和Griddle接口軟件,將三維模型轉(zhuǎn)化為FLAC3D網(wǎng)格文件,網(wǎng)格最大邊緣長(zhǎng)度為0.5 m,一級(jí)邊坡共劃分了6 281個(gè)單元和9 755個(gè)節(jié)點(diǎn),二級(jí)邊坡共劃分了13 988個(gè)單元和18 372個(gè)節(jié)點(diǎn),主要是六面體單元和局部四面體單元。最后,將網(wǎng)格文件導(dǎo)入到FLAC3D中,并通過(guò)命令生成板墻和錨索結(jié)構(gòu),即完成了邊坡植被混凝土板墻支護(hù)模型的構(gòu)建。

在進(jìn)行計(jì)算之前,設(shè)置邊坡模型的初始條件,模型底部的約束條件為完全固定約束,環(huán)向四周為法向位移約束,頂部是自由邊界。假設(shè)巖土體只受到重力作用,忽略其他外力和地下水位的影響,通過(guò)自重平衡得到初始地應(yīng)力。計(jì)算收斂準(zhǔn)則以最大收斂值(當(dāng)前機(jī)械力比與網(wǎng)格點(diǎn)的目標(biāo)力比的比率)等于1時(shí)作為收斂條件。以一級(jí)邊坡作為分析,監(jiān)測(cè)邊坡的豎向位移和水平位移,在邊坡上設(shè)置了多個(gè)測(cè)點(diǎn)。豎向位移測(cè)點(diǎn)沿著坡頂、坡底水平間隔1 m布置;水平位移測(cè)點(diǎn)和板墻受力及彎矩測(cè)點(diǎn)沿著坡面豎向間隔1 m布置。其計(jì)算模型及測(cè)點(diǎn)布置示意如圖2所示。

圖2 邊坡植被混凝土板墻支護(hù)計(jì)算模型及測(cè)點(diǎn)布置示意Fig.2 Calculation model of vegetated concrete slab wall support for high and steep slopes and schematic arrangement of measurement points

2.2 本構(gòu)和參數(shù)選取

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果可知,公路沿線邊坡地層主要為風(fēng)化粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖2種。為了簡(jiǎn)化模型,本研究不考慮巖體結(jié)構(gòu)面、裂隙等其他影響因素,采用摩爾—庫(kù)倫彈塑性本構(gòu)模型描述邊坡的力學(xué)行為,其物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 邊坡模型參數(shù)Table 1 Slope model parameters

利用FLAC3D軟件中內(nèi)置的shell結(jié)構(gòu)和cable結(jié)構(gòu)單元來(lái)模擬混凝土板墻和錨索。Cable結(jié)構(gòu)單元是由2個(gè)節(jié)點(diǎn)連接的直線段,具有均勻的橫截面和材料屬性,由鋼筋和灌漿組成,并且只考慮其在拉伸狀態(tài)下的行為。設(shè)置錨索的總長(zhǎng)度為15 m,直徑為15.24 mm,自由段7 m,錨固段8 m,錨固體直徑150 mm;并且沿著垂直方向每隔3 m布置1個(gè)錨索,與水平方向的夾角為20°。在shell結(jié)構(gòu)和cable結(jié)構(gòu)被生成之后,刪除并修改結(jié)構(gòu)的link關(guān)系,使shell結(jié)構(gòu)與zone單元連接,cable結(jié)構(gòu)位于坡面的端點(diǎn)與板墻連接,其余部分與zone單元連接。最后,對(duì)錨索自由段施加60 kN預(yù)應(yīng)力,即在模型運(yùn)行過(guò)程中,先對(duì)錨索進(jìn)行預(yù)張拉,使其軸向力達(dá)到預(yù)定值后保持恒定,在達(dá)到平衡后去除錨索的軸向力。此外,根據(jù)板墻的空間位置,重新設(shè)置了shell結(jié)構(gòu)的局部坐標(biāo)以計(jì)算每個(gè)殼單元的剛度矩陣?；炷涟鍓湾^索的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2、表3。

表2 混凝土板墻基本計(jì)算參數(shù)Table 2 Basic calculation parameters of concrete slab wall

表3 錨索基本計(jì)算參數(shù)Table 3 Basic calculation parameters of anchor cable

3 結(jié)果與分析

3.1 穩(wěn)定性分析

為了分析不同支護(hù)方案對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響,采用強(qiáng)度折減法分別計(jì)算不同支護(hù)方案下邊坡的安全系數(shù),計(jì)算結(jié)果如圖3所示。該方法是通過(guò)分階段降低巖土體抗剪強(qiáng)度,直到邊坡失效,可以自動(dòng)獲取臨界破壞面,確定多個(gè)局部穩(wěn)定狀態(tài),有利于分析邊坡變形特征及破壞機(jī)理。在FLAC3D軟件中可以通過(guò)剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍D直觀地看出潛在滑動(dòng)面位置和動(dòng)態(tài)變化,如圖4所示。強(qiáng)度折減法安全系數(shù)原理的表達(dá)式[20]為

圖3 不同支護(hù)方案邊坡安全系數(shù)Fig.3 Factor of safety for slopes under different support schemes

圖4 不同支護(hù)方案邊坡潛在滑動(dòng)面Fig.4 Potential sliding surfaces of slopes under different support schemes

式中,c、φ分別為材料的黏聚力和內(nèi)摩擦角;Ftrial為折減系數(shù);ctrial、φtrial分別為材料強(qiáng)度折減后的黏聚力和內(nèi)摩擦角。

從圖3可以看出,一級(jí)邊坡和二級(jí)邊坡的安全系數(shù)隨著支護(hù)方案的不同而發(fā)生變化,且變化規(guī)律相似。在沒(méi)有采取任何支護(hù)措施的情況下,邊坡的安全系數(shù)最低。其中,一級(jí)邊坡的安全系數(shù)為1.223,二級(jí)邊坡的安全系數(shù)僅為0.89。當(dāng)采用板墻和錨索進(jìn)行防護(hù)時(shí),邊坡的安全穩(wěn)定性得到了顯著提高。此外,植被混凝土板墻和普通混凝土板墻在安全穩(wěn)定性上沒(méi)有明顯差異,普通混凝土板墻略優(yōu)于植被混凝土板墻。這表明植被混凝土板墻能夠像普通混凝土板墻一樣發(fā)揮相同的防護(hù)作用。而且在板墻和預(yù)應(yīng)力錨索的協(xié)同作用下,板墻—錨索變形協(xié)調(diào)性得到了充分發(fā)揮,形成了一個(gè)承載結(jié)構(gòu),進(jìn)一步保障了坡體穩(wěn)定。因此,對(duì)邊坡實(shí)施植被混凝土板墻錨索加固措施是非常有必要的,尤其是對(duì)于高邊坡而言。

剪應(yīng)變是分析巖土體邊坡破壞的主要因素,剪切應(yīng)變?cè)隽糠从沉思魬?yīng)變隨著滑坡體變形破壞的累積程度。通過(guò)圖4的剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D,可以觀察到邊坡臨界失穩(wěn)時(shí)的潛在滑動(dòng)面,以預(yù)測(cè)變形破壞的形式,并根據(jù)強(qiáng)度折減法的臨界變形破壞判據(jù),判斷塑性應(yīng)變是否從坡頂至坡腳貫通,從而判斷邊坡是否破壞?？梢钥闯?在沒(méi)有采取任何防護(hù)措施的情況下,抗滑力主要由土體自身承擔(dān),產(chǎn)生的剪切變形集中在坡腳,并從坡腳向上呈圓弧狀延伸貫穿至坡頂。當(dāng)采用板墻進(jìn)行防護(hù)時(shí),由于土體受到了板墻的法向擠壓加固和兩者的相互作用,應(yīng)力分布更加集中,抗剪作用更加明顯,剪切變形主要集中在邊坡淺表層,邊坡內(nèi)部無(wú)法形成貫穿的潛在滑動(dòng)帶,且剪切帶較窄,數(shù)值較小,說(shuō)明板墻的支擋對(duì)抑制邊坡變形破壞是有效的。同時(shí)可以看出,在不施加預(yù)應(yīng)力錨索時(shí),剪切變形除了位于坡面處,還存在于坡角處并向路面及下方以較大弧度延伸至坡內(nèi),但由于路基的抵擋作用,使剪切帶沒(méi)有進(jìn)一步擴(kuò)大,說(shuō)明路基對(duì)于穩(wěn)定邊坡起到了一定作用。當(dāng)施加預(yù)應(yīng)力錨索后,坡腳處剪切帶面積減小,僅在邊坡較淺的區(qū)域存在小量級(jí)剪切應(yīng)變,且與坡頂和坡腳均不貫通,說(shuō)明在預(yù)應(yīng)力錨索和板墻的聯(lián)合加固作用下,改變了邊坡的牽引模式,通過(guò)深部土體錨固段的固定作用以及自由段的軸向抗拉作用,土體抗剪強(qiáng)度提高,提升了支護(hù)體系的整體性,邊坡穩(wěn)定性獲得進(jìn)一步增強(qiáng)。同時(shí),預(yù)應(yīng)力錨索工藝簡(jiǎn)單,能夠較好地適應(yīng)施工場(chǎng)地,方便調(diào)整,且采用此種方法可節(jié)約成本,經(jīng)濟(jì)效益更高。綜上所述,采取混凝土板墻加預(yù)應(yīng)力錨索的支護(hù)方式是非常合理的。

3.2 位移分析

為了進(jìn)一步說(shuō)明植被混凝土板墻的支護(hù)效果,比較了不同方案下邊坡的變形。同時(shí),為了使邊坡模型在相同的參數(shù)條件下,選擇了折減系數(shù)為1.2的情況,此時(shí)邊坡均處于穩(wěn)定狀態(tài)。分別監(jiān)測(cè)了坡頂、坡底的垂直位移和坡面的水平位移,并繪制了位移曲線,如圖5～圖7所示。

從圖5可以看出,無(wú)支護(hù)措施時(shí),邊坡坡頂?shù)拇怪蔽灰齐S著距離坡面越近,變形越大,最大變形達(dá)到10 mm。這是因?yàn)槠旅鏇](méi)有防護(hù)措施,形成了臨空面,導(dǎo)致淺層堆積體沿著潛在滑動(dòng)面向坡腳下滑移,進(jìn)而帶動(dòng)上層土體滑動(dòng)。而當(dāng)施加混凝土板墻結(jié)構(gòu)后,坡頂沉降變形明顯減小,變形曲線更加平緩。在沒(méi)有施加預(yù)應(yīng)力錨索的情況下,主要沉降發(fā)生在坡頂前端,距離坡面7 m處的最大沉降為2.05 mm,比無(wú)支護(hù)時(shí)減小了79.5%;施加預(yù)應(yīng)力錨索后,最大沉降發(fā)生在距離坡面10 m處,沉降值為2.39 mm,比無(wú)支護(hù)時(shí)減小了76.1%。這說(shuō)明了混凝土板墻的防護(hù)對(duì)于坡頂沉降有著顯著的抑制作用,而預(yù)應(yīng)力錨索使得坡頂變形后移,改變了邊坡的變形模式,降低了淺層堆積體對(duì)板墻的擠壓作用。

從圖6可以看出,無(wú)支護(hù)時(shí),邊坡坡底整體呈現(xiàn)隆起狀態(tài),距離坡腳最近的地方隆起值最大,隨著距離增加,隆起值逐漸降低。而當(dāng)施加支護(hù)后,坡腳處的隆起變形被有效控制,采用植被混凝土板墻支護(hù)的邊坡,其坡腳處的變形幾乎為零,而采用普通混凝土板墻支護(hù)的邊坡則出現(xiàn)微小沉降;添加預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)的邊坡,其坡底的變形隨著距離坡腳增加,出現(xiàn)輕微隆起,并在達(dá)到一定的隆起值后保持穩(wěn)定,而沒(méi)有施加預(yù)應(yīng)力錨索的邊坡,其坡底的變形曲線則更為平滑。

圖6 不同支護(hù)方案坡底垂直位移曲線Fig.6 Vertical displacement curves of slope bottom under different support schemes

從圖7可以看出,混凝土板墻對(duì)坡面水平變形有著顯著的抑制作用,使得變形量呈數(shù)量級(jí)減小。在沒(méi)有支護(hù)時(shí),坡面最高點(diǎn)的水平位移為8.87 mm,沿著坡面向下,變形逐漸增大,直到坡腳的水平位移達(dá)到31.58 mm。這是因?yàn)榛露逊e體上層土體不斷向坡腳處移動(dòng),造成坡腳處的變形累積。而當(dāng)施加支護(hù)后,坡面的水平位移值都不超過(guò)0.25 mm,但由于植被混凝土板墻的剛度低于普通混凝土板墻,變形曲線的曲率較大。在預(yù)應(yīng)力錨索的軸向張力作用下,邊坡變形由淺層傾倒轉(zhuǎn)為深部滑移,坡面向坡內(nèi)產(chǎn)生微小移動(dòng)。這說(shuō)明植被混凝土板墻錨固結(jié)構(gòu)能夠有效地抑制邊坡表面滑動(dòng),具有良好的加固效果。

圖7 不同支護(hù)方案坡面水平位移曲線Fig.7 Horizontal displacement curves of slope surface under different support schemes

3.3 板墻受力特性

為了分析邊坡混凝土板墻結(jié)構(gòu)的受力特征,探究板墻與土體之間的相互作用機(jī)理,通過(guò)模型監(jiān)測(cè)得到了板墻的受力荷載和彎矩分布曲線,如圖8、圖9所示。這些數(shù)據(jù)可以用于評(píng)估混凝土板墻的安全性、可靠性和耐久性,了解支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)邊坡土體的加固效果,從而有助于優(yōu)化板墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工維護(hù)。

圖8 不同支護(hù)方案板墻荷載分布Fig.8 Load distribution of slab wall under different support schemes

圖9 不同支護(hù)方案板墻彎矩分布Fig.9 Distribution of bending moment of slab wall under different support schemes

從圖8和圖9中可以看出,植被混凝土板墻和普通混凝土板墻在相同的支護(hù)措施下,具有相似的受力和彎矩分布曲線,說(shuō)明了植被混凝土板墻能起到與普通混凝土板墻相同的加固效果,而預(yù)應(yīng)力錨索則會(huì)改變板墻的受力特性。如圖8所示,沒(méi)有施加預(yù)應(yīng)力錨索的邊坡,其板墻上部的受力較小,下部的受力逐漸增大。這是因?yàn)闇\層堆積體沿著潛在滑動(dòng)面向坡腳滑移,導(dǎo)致邊坡臨空面部位發(fā)生大變形,且剪切應(yīng)變集中于坡腳,所以板墻受力主要位于底部。而當(dāng)施加預(yù)應(yīng)力錨索后,邊坡的變形模式發(fā)生變化,錨索通過(guò)預(yù)應(yīng)力在其作用范圍內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力壓縮區(qū),板墻的承載能力通過(guò)錨索的拉力傳遞到錨固體內(nèi),使邊坡淺層土體傾倒的能量擴(kuò)散至內(nèi)部,防止出現(xiàn)局部大變形,有效地控制了土體變形,達(dá)到了阻滑效果。如圖9所示,施加錨索支護(hù)的板墻,其彎矩整體大于沒(méi)有施加預(yù)應(yīng)力錨索的板墻。因此,預(yù)應(yīng)力錨索混凝土板墻無(wú)論是荷載還是彎矩都顯著增加,錨索提高了板墻的承載能力和抗彎剛度,增加了板墻抗彎利用率。需要注意的是,錨索與板墻的連接部位應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)化設(shè)計(jì),并在后期的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)過(guò)程中進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

4 敏感性分析

4.1 敏感度函數(shù)

由上述分析可知,在邊坡植被混凝土板墻錨固結(jié)構(gòu)中,通過(guò)在植被混凝土板墻內(nèi)部設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索,提供邊坡結(jié)構(gòu)的額外支撐,可以有效地抵抗邊坡的滑動(dòng)和傾覆力,提高邊坡結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。然而,預(yù)應(yīng)力錨索的效果受到許多參數(shù)的影響,例如錨索預(yù)應(yīng)力大小、錨索的布置方式、錨索長(zhǎng)度等。為了更好地理解和優(yōu)化邊坡植被混凝土板墻錨固結(jié)構(gòu)中預(yù)應(yīng)力錨索的作用,進(jìn)行敏感參數(shù)分析是必要的。

敏感參數(shù)分析旨在識(shí)別和評(píng)估不同參數(shù)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響程度。通過(guò)改變參數(shù)的數(shù)值或范圍,并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬或計(jì)算,我們可以定量地評(píng)估這些參數(shù)對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索作用的敏感性,并對(duì)敏感性大小排序。這種分析方法能夠幫助理解參數(shù)變化對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響,為優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工提供指導(dǎo)。

設(shè)某系統(tǒng)T,其主要有n個(gè)影響因素,則T=f(x1,x2,x3,…,xn)。在某一基準(zhǔn)狀態(tài)下,系統(tǒng)特性為T(mén)?。保持其他參數(shù)不變,令xi在其范圍內(nèi)變化,則系統(tǒng)特性T可表示為

將系統(tǒng)特性T和參數(shù)xi的相對(duì)誤差的比值定義為參數(shù)xi的敏感度函數(shù):

在Δx/xi較小的情況下,Si(xi)可近似為取xi=x?,即可得xi的敏感度因子,i=1,2,…,n。其值越大,表明在基準(zhǔn)狀態(tài)下,系統(tǒng)T對(duì)參數(shù)xi越敏感。通過(guò)對(duì)的比較,即可對(duì)各因素敏感性進(jìn)行分析。

4.2 結(jié)果分析

在邊坡植被混凝土板墻錨固結(jié)構(gòu)中,錨索豎向間距d、預(yù)應(yīng)力P和錨索長(zhǎng)度L是預(yù)應(yīng)力錨索的重要參數(shù),這些參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和性能具有顯著影響。本文取邊坡安全系數(shù)作為控制指標(biāo),錨索預(yù)應(yīng)力60 kN,錨索豎向間距3 m,錨索長(zhǎng)度15 m,并以表3的錨索參數(shù)作為基準(zhǔn)參數(shù)。

通過(guò)擬合分析建立安全系數(shù)與錨索豎向間距d、預(yù)應(yīng)力P和錨索長(zhǎng)度L的擬合關(guān)系曲線及函數(shù)表達(dá)式,如圖10所示。

圖10 安全系數(shù)與各因素關(guān)系曲線Fig.10 The relationship curves of factor of safety and each factor

通過(guò)式(5)和各參數(shù)的擬合函數(shù)可計(jì)算出各參數(shù)的敏感度函數(shù)式(6)～式(8),將數(shù)值代入可獲得各敏感度因子并通過(guò)擬合方式繪制出敏感度函數(shù)曲線,如圖11所示。

圖11 各因素敏感度函數(shù)曲線Fig.11 The sensitivity function curve of each factor

由圖11可知,錨索預(yù)應(yīng)力的敏感度先增大后減小,當(dāng)預(yù)應(yīng)力P在一定范圍內(nèi)增大時(shí)敏感度逐漸增大,當(dāng)P=120 kN后,敏感度開(kāi)始減小,其敏感度范圍在0～0.09;錨索豎向間距的敏感度隨著d增大逐漸增大,其敏感度范圍在0.03～0.13;錨索長(zhǎng)度的敏感度隨著L增大逐漸減小,其敏感度范圍在0.07～0.5。綜合分析,對(duì)于邊坡安全系數(shù),錨索參數(shù)敏感度由大到小排序?yàn)?錨索長(zhǎng)度>錨索豎向間距>錨索預(yù)應(yīng)力大小。在植被混凝土板墻錨固結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力錨索參數(shù)優(yōu)化中,應(yīng)以錨索長(zhǎng)度作為主要考慮因素,綜合考慮錨索豎向間距和預(yù)應(yīng)力的影響,從而達(dá)到最優(yōu)參數(shù)設(shè)計(jì)。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)高陡邊坡采用預(yù)應(yīng)力錨索與植被混凝土板墻組合防護(hù)的形式,研究了高陡邊坡在新型防護(hù)方案下的穩(wěn)定性,得到如下結(jié)論:

(1)與未采取任何支護(hù)措施相比,植被混凝土板墻錨索加固措施能夠顯著提高邊坡的安全穩(wěn)定性。板墻和預(yù)應(yīng)力錨索的協(xié)同作用能夠有效地抑制邊坡的剪切變形,使剪切應(yīng)變?cè)隽康募羟袔娣e和量級(jí)均顯著減小,且與坡頂和坡腳均不貫通,提高了邊坡的抗剪強(qiáng)度。

(2)植被混凝土板墻錨索加固措施改變了邊坡的變形模式,通過(guò)深部土體錨固段的固定作用以及自由段的軸向拉伸作用下,提升了土體的抗剪強(qiáng)度和支護(hù)體系的整體性,使邊坡坡頂和坡底的豎向位移以及坡面的水平位移顯著降低,從而提高了邊坡的穩(wěn)定性。進(jìn)一步說(shuō)明了植被混凝土板墻錨索加固措施對(duì)于邊坡穩(wěn)定性的影響機(jī)理和優(yōu)勢(shì)。

(3)植被混凝土板墻能起到與普通混凝土板墻相同的加固效果,而預(yù)應(yīng)力錨索則會(huì)改變板墻的受力特性,提高板墻的承載能力和抗彎利用率,從而達(dá)到阻滑效果。但需對(duì)錨索與板墻的連接部位進(jìn)行強(qiáng)化設(shè)計(jì),并在后期的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)過(guò)程中進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。考慮到植被混凝土板墻錨索加固措施具有更好的生態(tài)效益和美觀性以及預(yù)應(yīng)力錨索的經(jīng)濟(jì)效益。因此,該措施是一種更良好的支護(hù)方式。

(4)以邊坡安全系數(shù)作為控制指標(biāo),通過(guò)分析植被混凝土板墻錨固結(jié)構(gòu)錨索參數(shù)敏感性,獲得錨索參數(shù)敏感度排序:錨索長(zhǎng)度>錨索豎向間距>錨索預(yù)應(yīng)力大小。在該結(jié)構(gòu)的錨索參數(shù)優(yōu)化中,應(yīng)以錨索長(zhǎng)度作為主要考慮因素,綜合考慮錨索豎向間距和預(yù)應(yīng)力的影響。