植被混凝土板墻與錨索組合結構防護邊坡穩(wěn)定性研究

陳 宇 李舒陽 劉威勤 張仰鵬 胡釗健 黃 震

(1.廣西新發(fā)展交通集團有限公司,廣西 南寧 530029;2.廣西交科集團有限公司,廣西 南寧 530007;3.廣西道路結構與材料重點實驗室,廣西 南寧 530007;4.廣西大學土木建筑工程學院,廣西 南寧 530004)

邊坡防護是公路建設的重要環(huán)節(jié),由于技術手段的局限性、整體規(guī)劃缺乏、地質環(huán)境限制等原因,公路邊坡防護與自然環(huán)境無法相互協(xié)調,造成生態(tài)環(huán)境破壞、水土流失,甚至發(fā)生山體崩塌、泥石流等地質災害,給人們的生命財產造成巨大威脅[1]。為了防止邊坡地質災害的發(fā)生,研究人員開發(fā)了許多針對性的防護技術,傳統(tǒng)的邊坡防護方法包括錨索格構梁[2]、抗滑樁[3]、混凝土帆布[4]、擋土墻[5]、金屬絲網[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和鹽堿問題,一方面對生態(tài)環(huán)境和水土保持不利,另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)邊坡防護的初始成本和后期修護成本較高[8],不利于“雙碳”目標的實現(xiàn)。

為此,國內外許多學者進行了大量研究,并取得了豐富的研究成果。畢銀麗等[9]揭示了接菌對根土復合體抗剪拉作用機理,增強露天排土場邊坡抗剪切或抗拉傷等力學特性;Emadi-Tafti等[10]研究了植被的力學特性和土壤類型對邊坡穩(wěn)定性的影響;Duan等[11]量化黃土高原陡坡區(qū)在不同植被類型下水分平衡模型和對地表徑流和土壤流失的影響;Cao等[12]考慮到植物早期生長能力、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坡效果。

與植被坡面保護相比,植被混凝土不僅兼顧環(huán)境恢復,還具有滿足工程安全的力學性能和生物相容性等優(yōu)點。植被混凝土[13],也稱為生態(tài)混凝土,由兩層組成,基礎層為多孔混凝土,由粗骨料、含特殊礦物質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者的關注。Xia等[14]為修復水電站邊坡,研究了不同優(yōu)勢種對植被混凝土基質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構;Zhao等[15]提出了在植被混凝土中添加生物炭顆粒的改進方法,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坡的草種;Bao等[16]研制了適合植被生長的低堿度透水混凝土,將其與網格梁結構相結合,有效地提高植被透水混凝土與基礎土之間的穩(wěn)定性和強度;Xiong等[17]以3種草本植物為材料構建植被混凝土,評價了其對土壤穩(wěn)定和護坡性能隨時間的影響變化;Liu等[18]使用木材基活性炭和煤基活性炭來提高植被混凝土的抗凍性能,驗證活性炭可增強植被混凝土在季節(jié)性凍融循環(huán)地區(qū)的適應能力和生態(tài)護坡效果;許英姿等[19]研究了降雨條件下柔性護坡的錨固加固植被體系對膨脹土邊坡的影響。

目前的邊坡生態(tài)防護主要側重于坡面的植被生長,忽視了原本的邊坡加固。對于高陡邊坡,僅依靠植被生長來保護邊坡往往無法滿足工程的穩(wěn)定性要求。為了解決護坡能力與邊坡生態(tài)相互協(xié)調的矛盾,提出一種植被混凝土板墻錨固支護技術,采用有限差分軟件分析該組合結構施工前后高陡邊坡安全系數(shù)和潛在滑動面變化情況,以及植被混凝土板墻結構的受力特性和分布規(guī)律,以驗證高陡邊坡植被混凝土板墻的穩(wěn)定性。最后,通過分析錨索參數(shù)敏感性,優(yōu)化植被混凝土板墻錨固設計,以增強結構的整體穩(wěn)定性,擴大植被混凝土在邊坡支護中的應用范圍。

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(簡稱“龍城路”)展開研究。龍城路項目為山嶺重丘區(qū)高速公路,位于廣西桂林市龍勝各族自治縣境內,起點為龍勝縣馬堤鄉(xiāng)芙蓉村西北側,與城步至龍勝高速公路湖南段順接,終點為雙洞村設置樞紐互通立交與桂三高速公路相接,路線全長約32.17 km。全線采用高速公路技術標準,設計速度為100 km/h,雙向四車道,標準橫斷面寬度為26 m,沿線泥質巖分布廣泛,地質條件復雜。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)屬于亞熱帶季風氣候,年平均降雨量比較大,大雨集中。同時,邊坡表層為褐黃色粉質粘土,厚約0.5～2 m,下伏褐黃色強—中風化粉砂巖、泥質粉砂巖,巖體節(jié)理裂隙發(fā)育,降雨對邊坡的影響較大。當降雨量不大時,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土壤的侵蝕,實現(xiàn)斜坡的長期穩(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需求,又要達到邊坡防護所需的強度要求。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結構對邊坡變形和穩(wěn)定性的影響。通過模擬5個不同的支護方案來驗證植被混凝土錨固支護結構的合理性,5個方案分別為:① 無支護;② 普通混凝土板墻支護(無錨索);③ 植被混凝土板墻支護(無錨索);④ 普通混凝土板墻錨固支護;⑤ 植被混凝土板墻錨固支護。

2.1 模型構建

利用Rhino三維建模軟件,基于平面應變假設,構建了邊坡三維模型和預應力錨索單元。其中,一級邊坡模型長45 m(X軸)、高22 m(Z軸)、寬1.0 m(Y軸),二級邊坡長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Rhino的網格功能和Griddle接口軟件,將三維模型轉化為FLAC3D網格文件,網格最大邊緣長度為0.5 m,一級邊坡共劃分了6 281個單元和9 755個節(jié)點,二級邊坡共劃分了13 988個單元和18 372個節(jié)點,主要是六面體單元和局部四面體單元。最后,將網格文件導入到FLAC3D中,并通過命令生成板墻和錨索結構,即完成了邊坡植被混凝土板墻支護模型的構建。

在進行計算之前,設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,通過自重平衡得到初始地應力。計算收斂準則以最大收斂值(當前機械力比與網格點的目標力比的比率)等于1時作為收斂條件。以一級邊坡作為分析,監(jiān)測邊坡的豎向位移和水平位移,在邊坡上設置了多個測點。豎向位移測點沿著坡頂、坡底水平間隔1 m布置;水平位移測點和板墻受力及彎矩測點沿著坡面豎向間隔1 m布置。其計算模型及測點布置示意如圖2所示。

圖2 邊坡植被混凝土板墻支護計算模型及測點布置示意Fig.2 Calculation model of vegetated concrete slab wall support for high and steep slopes and schematic arrangement of measurement points

2.2 本構和參數(shù)選取

根據(jù)現(xiàn)場勘察結果可知,公路沿線邊坡地層主要為風化粉砂巖和泥質粉砂巖2種。為了簡化模型,本研究不考慮巖體結構面、裂隙等其他影響因素,采用摩爾—庫倫彈塑性本構模型描述邊坡的力學行為,其物理力學參數(shù)如表1所示。

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

利用FLAC3D軟件中內置的shell結構和cable結構單元來模擬混凝土板墻和錨索。Cable結構單元是由2個節(jié)點連接的直線段,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。設置錨索的總長度為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個錨索,與水平方向的夾角為20°。在shell結構和cable結構被生成之后,刪除并修改結構的link關系,使shell結構與zone單元連接,cable結構位于坡面的端點與板墻連接,其余部分與zone單元連接。最后,對錨索自由段施加60 kN預應力,即在模型運行過程中,先對錨索進行預張拉,使其軸向力達到預定值后保持恒定,在達到平衡后去除錨索的軸向力。此外,根據(jù)板墻的空間位置,重新設置了shell結構的局部坐標以計算每個殼單元的剛度矩陣?；炷涟鍓湾^索的計算參數(shù)見表2、表3。

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

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

3 結果與分析

3.1 穩(wěn)定性分析

為了分析不同支護方案對邊坡穩(wěn)定性的影響,采用強度折減法分別計算不同支護方案下邊坡的安全系數(shù),計算結果如圖3所示。該方法是通過分階段降低巖土體抗剪強度,直到邊坡失效,可以自動獲取臨界破壞面,確定多個局部穩(wěn)定狀態(tài),有利于分析邊坡變形特征及破壞機理。在FLAC3D軟件中可以通過剪切應變增量云圖直觀地看出潛在滑動面位置和動態(tài)變化,如圖4所示。強度折減法安全系數(shù)原理的表達式[20]為

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

圖4 不同支護方案邊坡潛在滑動面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摩擦角;Ftrial為折減系數(shù);ctrial、φtrial分別為材料強度折減后的黏聚力和內摩擦角。

從圖3可以看出,一級邊坡和二級邊坡的安全系數(shù)隨著支護方案的不同而發(fā)生變化,且變化規(guī)律相似。在沒有采取任何支護措施的情況下,邊坡的安全系數(shù)最低。其中,一級邊坡的安全系數(shù)為1.223,二級邊坡的安全系數(shù)僅為0.89。當采用板墻和錨索進行防護時,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)揮相同的防護作用。而且在板墻和預應力錨索的協(xié)同作用下,板墻—錨索變形協(xié)調性得到了充分發(fā)揮,形成了一個承載結構,進一步保障了坡體穩(wěn)定。因此,對邊坡實施植被混凝土板墻錨索加固措施是非常有必要的,尤其是對于高邊坡而言。

剪應變是分析巖土體邊坡破壞的主要因素,剪切應變增量反映了剪應變隨著滑坡體變形破壞的累積程度。通過圖4的剪應變增量云圖,可以觀察到邊坡臨界失穩(wěn)時的潛在滑動面,以預測變形破壞的形式,并根據(jù)強度折減法的臨界變形破壞判據(jù),判斷塑性應變是否從坡頂至坡腳貫通,從而判斷邊坡是否破壞?？梢钥闯?在沒有采取任何防護措施的情況下,抗滑力主要由土體自身承擔,產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。當采用板墻進行防護時,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,邊坡內部無法形成貫穿的潛在滑動帶,且剪切帶較窄,數(shù)值較小,說明板墻的支擋對抑制邊坡變形破壞是有效的。同時可以看出,在不施加預應力錨索時,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,但由于路基的抵擋作用,使剪切帶沒有進一步擴大,說明路基對于穩(wěn)定邊坡起到了一定作用。當施加預應力錨索后,坡腳處剪切帶面積減小,僅在邊坡較淺的區(qū)域存在小量級剪切應變,且與坡頂和坡腳均不貫通,說明在預應力錨索和板墻的聯(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,土體抗剪強度提高,提升了支護體系的整體性,邊坡穩(wěn)定性獲得進一步增強。同時,預應力錨索工藝簡單,能夠較好地適應施工場地,方便調整,且采用此種方法可節(jié)約成本,經濟效益更高。綜上所述,采取混凝土板墻加預應力錨索的支護方式是非常合理的。

3.2 位移分析

為了進一步說明植被混凝土板墻的支護效果,比較了不同方案下邊坡的變形。同時,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,此時邊坡均處于穩(wěn)定狀態(tài)。分別監(jiān)測了坡頂、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,無支護措施時,邊坡坡頂?shù)拇怪蔽灰齐S著距離坡面越近,變形越大,最大變形達到10 mm。這是因為坡面沒有防護措施,形成了臨空面,導致淺層堆積體沿著潛在滑動面向坡腳下滑移,進而帶動上層土體滑動。而當施加混凝土板墻結構后,坡頂沉降變形明顯減小,變形曲線更加平緩。在沒有施加預應力錨索的情況下,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,比無支護時減小了79.5%;施加預應力錨索后,最大沉降發(fā)生在距離坡面10 m處,沉降值為2.39 mm,比無支護時減小了76.1%。這說明了混凝土板墻的防護對于坡頂沉降有著顯著的抑制作用,而預應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板墻的擠壓作用。

從圖6可以看出,無支護時,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。而當施加支護后,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的邊坡則出現(xiàn)微小沉降;添加預應力錨索支護的邊坡,其坡底的變形隨著距離坡腳增加,出現(xiàn)輕微隆起,并在達到一定的隆起值后保持穩(wěn)定,而沒有施加預應力錨索的邊坡,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)量級減小。在沒有支護時,坡面最高點的水平位移為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到31.58 mm。這是因為滑坡堆積體上層土體不斷向坡腳處移動,造成坡腳處的變形累積。而當施加支護后,坡面的水平位移值都不超過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。在預應力錨索的軸向張力作用下,邊坡變形由淺層傾倒轉為深部滑移,坡面向坡內產生微小移動。這說明植被混凝土板墻錨固結構能夠有效地抑制邊坡表面滑動,具有良好的加固效果。

圖7 不同支護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構的受力特征,探究板墻與土體之間的相互作用機理,通過模型監(jiān)測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)可以用于評估混凝土板墻的安全性、可靠性和耐久性,了解支護結構對邊坡土體的加固效果,從而有助于優(yōu)化板墻的結構設計和施工維護。

圖8 不同支護方案板墻荷載分布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措施下,具有相似的受力和彎矩分布曲線,說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,而預應力錨索則會改變板墻的受力特性。如圖8所示,沒有施加預應力錨索的邊坡,其板墻上部的受力較小,下部的受力逐漸增大。這是因為淺層堆積體沿著潛在滑動面向坡腳滑移,導致邊坡臨空面部位發(fā)生大變形,且剪切應變集中于坡腳,所以板墻受力主要位于底部。而當施加預應力錨索后,邊坡的變形模式發(fā)生變化,錨索通過預應力在其作用范圍內產生應力壓縮區(qū),板墻的承載能力通過錨索的拉力傳遞到錨固體內,使邊坡淺層土體傾倒的能量擴散至內部,防止出現(xiàn)局部大變形,有效地控制了土體變形,達到了阻滑效果。如圖9所示,施加錨索支護的板墻,其彎矩整體大于沒有施加預應力錨索的板墻。因此,預應力錨索混凝土板墻無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進行強化設計,并在后期的運營和維護過程中進行重點監(jiān)測。

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構中,通過在植被混凝土板墻內部設置預應力錨索,提供邊坡結構的額外支撐,可以有效地抵抗邊坡的滑動和傾覆力,提高邊坡結構的整體穩(wěn)定性。然而,預應力錨索的效果受到許多參數(shù)的影響,例如錨索預應力大小、錨索的布置方式、錨索長度等。為了更好地理解和優(yōu)化邊坡植被混凝土板墻錨固結構中預應力錨索的作用,進行敏感參數(shù)分析是必要的。

敏感參數(shù)分析旨在識別和評估不同參數(shù)對系統(tǒng)響應的影響程度。通過改變參數(shù)的數(shù)值或范圍,并對系統(tǒng)進行模擬或計算,我們可以定量地評估這些參數(shù)對預應力錨索作用的敏感性,并對敏感性大小排序。這種分析方法能夠幫助理解參數(shù)變化對結構性能的影響,為優(yōu)化設計和施工提供指導。

設某系統(tǒng)T,其主要有n個影響因素,則T=f(x1,x2,x3,…,xn)。在某一基準狀態(tài)下,系統(tǒng)特性為T?。保持其他參數(shù)不變,令xi在其范圍內變化,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,表明在基準狀態(tài)下,系統(tǒng)T對參數(shù)xi越敏感。通過對的比較,即可對各因素敏感性進行分析。

4.2 結果分析

在邊坡植被混凝土板墻錨固結構中,錨索豎向間距d、預應力P和錨索長度L是預應力錨索的重要參數(shù),這些參數(shù)對結構的穩(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,錨索預應力60 kN,錨索豎向間距3 m,錨索長度15 m,并以表3的錨索參數(shù)作為基準參數(shù)。

通過擬合分析建立安全系數(shù)與錨索豎向間距d、預應力P和錨索長度L的擬合關系曲線及函數(shù)表達式,如圖10所示。

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

通過式(5)和各參數(shù)的擬合函數(shù)可計算出各參數(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,錨索預應力的敏感度先增大后減小,當預應力P在一定范圍內增大時敏感度逐漸增大,當P=120 kN后,敏感度開始減小,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,對于邊坡安全系數(shù),錨索參數(shù)敏感度由大到小排序為:錨索長度>錨索豎向間距>錨索預應力大小。在植被混凝土板墻錨固結構預應力錨索參數(shù)優(yōu)化中,應以錨索長度作為主要考慮因素,綜合考慮錨索豎向間距和預應力的影響,從而達到最優(yōu)參數(shù)設計。

5 結 論

通過對高陡邊坡采用預應力錨索與植被混凝土板墻組合防護的形式,研究了高陡邊坡在新型防護方案下的穩(wěn)定性,得到如下結論:

(1)與未采取任何支護措施相比,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。板墻和預應力錨索的協(xié)同作用能夠有效地抑制邊坡的剪切變形,使剪切應變增量的剪切帶面積和量級均顯著減小,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度和支護體系的整體性,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。進一步說明了植被混凝土板墻錨索加固措施對于邊坡穩(wěn)定性的影響機理和優(yōu)勢。

(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,而預應力錨索則會改變板墻的受力特性,提高板墻的承載能力和抗彎利用率,從而達到阻滑效果。但需對錨索與板墻的連接部位進行強化設計,并在后期的運營和維護過程中進行重點監(jiān)測?？紤]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應力錨索的經濟效益。因此,該措施是一種更良好的支護方式。

(4)以邊坡安全系數(shù)作為控制指標,通過分析植被混凝土板墻錨固結構錨索參數(shù)敏感性,獲得錨索參數(shù)敏感度排序:錨索長度>錨索豎向間距>錨索預應力大小。在該結構的錨索參數(shù)優(yōu)化中,應以錨索長度作為主要考慮因素,綜合考慮錨索豎向間距和預應力的影響。