陈 宇 李舒阳 刘威勤 张仰鹏 胡钊健 黄 震

(1.广西新发展交通集团有限公司,广西 南宁 530029;2.广西交科集团有限公司,广西 南宁 530007;3.广西道路结构与材料重点实验室,广西 南宁 530007;4.广西大学土木建筑工程学院,广西 南宁 530004)

边坡防护是公路建设的重要环节,由于技术手段的局限性、整体规划缺乏、地质环境限制等原因,公路边坡防护与自然环境无法相互协调,造成生态环境破坏、水土流失,甚至发生山体崩塌、泥石流等地质灾害,给人们的生命财产造成巨大威胁[1]。为了防止边坡地质灾害的发生,研究人员开发了许多针对性的防护技术,传统的边坡防护方法包括锚索格构梁[2]、抗滑桩[3]、混凝土帆布[4]、挡土墙[5]、金属丝网[6]、聚合物防水涂料[7]等。然而,传统方法使用大量的水泥、混凝土和钢材,难免造成边坡土壤板结和盐碱问题,一方面对生态环境和水土保持不利,另一方面传统边坡防护的初始成本和后期修护成本较高[8],不利于“双碳”目标的实现。

为此,国内外许多学者进行了大量研究,并取得了丰富的研究成果。毕银丽等[9]揭示了接菌对根土复合体抗剪拉作用机理,增强露天排土场边坡抗剪切或抗拉伤等力学特性;Emadi-Tafti等[10]研究了植被的力学特性和土壤类型对边坡稳定性的影响;Duan等[11]量化黄土高原陡坡区在不同植被类型下水分平衡模型和对地表径流和土壤流失的影响;Cao等[12]考虑到植物早期生长能力、物种多样性、植被演替等因素,采用了径流图法研究高速公路陡坡段不同植被群落的早期护坡效果。

与植被坡面保护相比,植被混凝土不仅兼顾环境恢复,还具有满足工程安全的力学性能和生物相容性等优点。植被混凝土[13],也称为生态混凝土,由两层组成,基础层为多孔混凝土,由粗骨料、含特殊矿物质的胶凝材料和增塑剂组成;上层包括土壤、肥料、保水剂和种子,其优良的特性引起了全球众多学者的关注。Xia等[14]为修复水电站边坡,研究了不同优势种对植被混凝土基质微生物功能多样性的影响,改变植被混凝土底物的微生物群落结构;Zhao等[15]提出了在植被混凝土中添加生物炭颗粒的改进方法,制备了不同配合比的植物性混凝土,选择了最适合植被混凝土护坡的草种;Bao等[16]研制了适合植被生长的低碱度透水混凝土,将其与网格梁结构相结合,有效地提高植被透水混凝土与基础土之间的稳定性和强度;Xiong等[17]以3种草本植物为材料构建植被混凝土,评价了其对土壤稳定和护坡性能随时间的影响变化;Liu等[18]使用木材基活性炭和煤基活性炭来提高植被混凝土的抗冻性能,验证活性炭可增强植被混凝土在季节性冻融循环地区的适应能力和生态护坡效果;许英姿等[19]研究了降雨条件下柔性护坡的锚固加固植被体系对膨胀土边坡的影响。

目前的边坡生态防护主要侧重于坡面的植被生长,忽视了原本的边坡加固。对于高陡边坡,仅依靠植被生长来保护边坡往往无法满足工程的稳定性要求。为了解决护坡能力与边坡生态相互协调的矛盾,提出一种植被混凝土板墙锚固支护技术,采用有限差分软件分析该组合结构施工前后高陡边坡安全系数和潜在滑动面变化情况,以及植被混凝土板墙结构的受力特性和分布规律,以验证高陡边坡植被混凝土板墙的稳定性。最后,通过分析锚索参数敏感性,优化植被混凝土板墙锚固设计,以增强结构的整体稳定性,扩大植被混凝土在边坡支护中的应用范围。

1 工程背景

依托龙胜—峒中口岸高速公路龙胜芙蓉至县城段(简称“龙城路”)展开研究。龙城路项目为山岭重丘区高速公路,位于广西桂林市龙胜各族自治县境内,起点为龙胜县马堤乡芙蓉村西北侧,与城步至龙胜高速公路湖南段顺接,终点为双洞村设置枢纽互通立交与桂三高速公路相接,路线全长约32.17 km。全线采用高速公路技术标准,设计速度为100 km/h,双向四车道,标准横断面宽度为26 m,沿线泥质岩分布广泛,地质条件复杂。全线深挖路堑中挖方高度大于30 m的共22段,深挖路段较多,存在大量的高陡边坡,如图1所示。

图1 龙城路沿线边坡Fig.1 High and steep slope along Longcheng Road

龙城路沿线地区属于亚热带季风气候,年平均降雨量比较大,大雨集中。同时,边坡表层为褐黄色粉质粘土,厚约0.5～2 m,下伏褐黄色强—中风化粉砂岩、泥质粉砂岩,岩体节理裂隙发育,降雨对边坡的影响较大。当降雨量不大时,边坡破坏主要是浅层塌方和坍方,但随着降雨入渗的增加,边坡岩土的力学性能逐渐衰减,边坡的稳定性降低。因此,施加植被混凝土可以避免降雨对土壤的侵蚀,实现斜坡的长期稳定状态和环境的可持续性。

2 数值研究

再生骨料透水混凝土既要满足植被生长需求,又要达到边坡防护所需的强度要求。因此,本文采用有限差分程序FLAC3D,定量分析植被混凝土板墙支护结构对边坡变形和稳定性的影响。通过模拟5个不同的支护方案来验证植被混凝土锚固支护结构的合理性,5个方案分别为:① 无支护;② 普通混凝土板墙支护(无锚索);③ 植被混凝土板墙支护(无锚索);④ 普通混凝土板墙锚固支护;⑤ 植被混凝土板墙锚固支护。

2.1 模型构建

利用Rhino三维建模软件,基于平面应变假设,构建了边坡三维模型和预应力锚索单元。其中,一级边坡模型长45 m(X轴)、高22 m(Z轴)、宽1.0 m(Y轴),二级边坡长61.50 m(X轴)、高34 m(Z轴)、宽1.0 m(Y轴),边坡坡度1∶1.25。在坡底处设置40 cm厚的C35水泥混凝土和60 cm厚的片石混凝土回填层作为路面。然后,通过Rhino的网格功能和Griddle接口软件,将三维模型转化为FLAC3D网格文件,网格最大边缘长度为0.5 m,一级边坡共划分了6 281个单元和9 755个节点,二级边坡共划分了13 988个单元和18 372个节点,主要是六面体单元和局部四面体单元。最后,将网格文件导入到FLAC3D中,并通过命令生成板墙和锚索结构,即完成了边坡植被混凝土板墙支护模型的构建。

在进行计算之前,设置边坡模型的初始条件,模型底部的约束条件为完全固定约束,环向四周为法向位移约束,顶部是自由边界。假设岩土体只受到重力作用,忽略其他外力和地下水位的影响,通过自重平衡得到初始地应力。计算收敛准则以最大收敛值(当前机械力比与网格点的目标力比的比率)等于1时作为收敛条件。以一级边坡作为分析,监测边坡的竖向位移和水平位移,在边坡上设置了多个测点。竖向位移测点沿着坡顶、坡底水平间隔1 m布置;水平位移测点和板墙受力及弯矩测点沿着坡面竖向间隔1 m布置。其计算模型及测点布置示意如图2所示。

图2 边坡植被混凝土板墙支护计算模型及测点布置示意Fig.2 Calculation model of vegetated concrete slab wall support for high and steep slopes and schematic arrangement of measurement points

2.2 本构和参数选取

根据现场勘察结果可知,公路沿线边坡地层主要为风化粉砂岩和泥质粉砂岩2种。为了简化模型,本研究不考虑岩体结构面、裂隙等其他影响因素,采用摩尔—库伦弹塑性本构模型描述边坡的力学行为,其物理力学参数如表1所示。

表1 边坡模型参数Table 1 Slope model parameters

利用FLAC3D软件中内置的shell结构和cable结构单元来模拟混凝土板墙和锚索。Cable结构单元是由2个节点连接的直线段,具有均匀的横截面和材料属性,由钢筋和灌浆组成,并且只考虑其在拉伸状态下的行为。设置锚索的总长度为15 m,直径为15.24 mm,自由段7 m,锚固段8 m,锚固体直径150 mm;并且沿着垂直方向每隔3 m布置1个锚索,与水平方向的夹角为20°。在shell结构和cable结构被生成之后,删除并修改结构的link关系,使shell结构与zone单元连接,cable结构位于坡面的端点与板墙连接,其余部分与zone单元连接。最后,对锚索自由段施加60 kN预应力,即在模型运行过程中,先对锚索进行预张拉,使其轴向力达到预定值后保持恒定,在达到平衡后去除锚索的轴向力。此外,根据板墙的空间位置,重新设置了shell结构的局部坐标以计算每个壳单元的刚度矩阵。混凝土板墙和锚索的计算参数见表2、表3。

表2 混凝土板墙基本计算参数Table 2 Basic calculation parameters of concrete slab wall

表3 锚索基本计算参数Table 3 Basic calculation parameters of anchor cable

3 结果与分析

3.1 稳定性分析

为了分析不同支护方案对边坡稳定性的影响,采用强度折减法分别计算不同支护方案下边坡的安全系数,计算结果如图3所示。该方法是通过分阶段降低岩土体抗剪强度,直到边坡失效,可以自动获取临界破坏面,确定多个局部稳定状态,有利于分析边坡变形特征及破坏机理。在FLAC3D软件中可以通过剪切应变增量云图直观地看出潜在滑动面位置和动态变化,如图4所示。强度折减法安全系数原理的表达式[20]为

图3 不同支护方案边坡安全系数Fig.3 Factor of safety for slopes under different support schemes

图4 不同支护方案边坡潜在滑动面Fig.4 Potential sliding surfaces of slopes under different support schemes

式中,c、φ分别为材料的黏聚力和内摩擦角;Ftrial为折减系数;ctrial、φtrial分别为材料强度折减后的黏聚力和内摩擦角。

从图3可以看出,一级边坡和二级边坡的安全系数随着支护方案的不同而发生变化,且变化规律相似。在没有采取任何支护措施的情况下,边坡的安全系数最低。其中,一级边坡的安全系数为1.223,二级边坡的安全系数仅为0.89。当采用板墙和锚索进行防护时,边坡的安全稳定性得到了显著提高。此外,植被混凝土板墙和普通混凝土板墙在安全稳定性上没有明显差异,普通混凝土板墙略优于植被混凝土板墙。这表明植被混凝土板墙能够像普通混凝土板墙一样发挥相同的防护作用。而且在板墙和预应力锚索的协同作用下,板墙—锚索变形协调性得到了充分发挥,形成了一个承载结构,进一步保障了坡体稳定。因此,对边坡实施植被混凝土板墙锚索加固措施是非常有必要的,尤其是对于高边坡而言。

剪应变是分析岩土体边坡破坏的主要因素,剪切应变增量反映了剪应变随着滑坡体变形破坏的累积程度。通过图4的剪应变增量云图,可以观察到边坡临界失稳时的潜在滑动面,以预测变形破坏的形式,并根据强度折减法的临界变形破坏判据,判断塑性应变是否从坡顶至坡脚贯通,从而判断边坡是否破坏。可以看出,在没有采取任何防护措施的情况下,抗滑力主要由土体自身承担,产生的剪切变形集中在坡脚,并从坡脚向上呈圆弧状延伸贯穿至坡顶。当采用板墙进行防护时,由于土体受到了板墙的法向挤压加固和两者的相互作用,应力分布更加集中,抗剪作用更加明显,剪切变形主要集中在边坡浅表层,边坡内部无法形成贯穿的潜在滑动带,且剪切带较窄,数值较小,说明板墙的支挡对抑制边坡变形破坏是有效的。同时可以看出,在不施加预应力锚索时,剪切变形除了位于坡面处,还存在于坡角处并向路面及下方以较大弧度延伸至坡内,但由于路基的抵挡作用,使剪切带没有进一步扩大,说明路基对于稳定边坡起到了一定作用。当施加预应力锚索后,坡脚处剪切带面积减小,仅在边坡较浅的区域存在小量级剪切应变,且与坡顶和坡脚均不贯通,说明在预应力锚索和板墙的联合加固作用下,改变了边坡的牵引模式,通过深部土体锚固段的固定作用以及自由段的轴向抗拉作用,土体抗剪强度提高,提升了支护体系的整体性,边坡稳定性获得进一步增强。同时,预应力锚索工艺简单,能够较好地适应施工场地,方便调整,且采用此种方法可节约成本,经济效益更高。综上所述,采取混凝土板墙加预应力锚索的支护方式是非常合理的。

3.2 位移分析

为了进一步说明植被混凝土板墙的支护效果,比较了不同方案下边坡的变形。同时,为了使边坡模型在相同的参数条件下,选择了折减系数为1.2的情况,此时边坡均处于稳定状态。分别监测了坡顶、坡底的垂直位移和坡面的水平位移,并绘制了位移曲线,如图5～图7所示。

从图5可以看出,无支护措施时,边坡坡顶的垂直位移随着距离坡面越近,变形越大,最大变形达到10 mm。这是因为坡面没有防护措施,形成了临空面,导致浅层堆积体沿着潜在滑动面向坡脚下滑移,进而带动上层土体滑动。而当施加混凝土板墙结构后,坡顶沉降变形明显减小,变形曲线更加平缓。在没有施加预应力锚索的情况下,主要沉降发生在坡顶前端,距离坡面7 m处的最大沉降为2.05 mm,比无支护时减小了79.5%;施加预应力锚索后,最大沉降发生在距离坡面10 m处,沉降值为2.39 mm,比无支护时减小了76.1%。这说明了混凝土板墙的防护对于坡顶沉降有着显著的抑制作用,而预应力锚索使得坡顶变形后移,改变了边坡的变形模式,降低了浅层堆积体对板墙的挤压作用。

从图6可以看出,无支护时,边坡坡底整体呈现隆起状态,距离坡脚最近的地方隆起值最大,随着距离增加,隆起值逐渐降低。而当施加支护后,坡脚处的隆起变形被有效控制,采用植被混凝土板墙支护的边坡,其坡脚处的变形几乎为零,而采用普通混凝土板墙支护的边坡则出现微小沉降;添加预应力锚索支护的边坡,其坡底的变形随着距离坡脚增加,出现轻微隆起,并在达到一定的隆起值后保持稳定,而没有施加预应力锚索的边坡,其坡底的变形曲线则更为平滑。

图6 不同支护方案坡底垂直位移曲线Fig.6 Vertical displacement curves of slope bottom under different support schemes

从图7可以看出,混凝土板墙对坡面水平变形有着显著的抑制作用,使得变形量呈数量级减小。在没有支护时,坡面最高点的水平位移为8.87 mm,沿着坡面向下,变形逐渐增大,直到坡脚的水平位移达到31.58 mm。这是因为滑坡堆积体上层土体不断向坡脚处移动,造成坡脚处的变形累积。而当施加支护后,坡面的水平位移值都不超过0.25 mm,但由于植被混凝土板墙的刚度低于普通混凝土板墙,变形曲线的曲率较大。在预应力锚索的轴向张力作用下,边坡变形由浅层倾倒转为深部滑移,坡面向坡内产生微小移动。这说明植被混凝土板墙锚固结构能够有效地抑制边坡表面滑动,具有良好的加固效果。

图7 不同支护方案坡面水平位移曲线Fig.7 Horizontal displacement curves of slope surface under different support schemes

3.3 板墙受力特性

为了分析边坡混凝土板墙结构的受力特征,探究板墙与土体之间的相互作用机理,通过模型监测得到了板墙的受力荷载和弯矩分布曲线,如图8、图9所示。这些数据可以用于评估混凝土板墙的安全性、可靠性和耐久性,了解支护结构对边坡土体的加固效果,从而有助于优化板墙的结构设计和施工维护。

图8 不同支护方案板墙荷载分布Fig.8 Load distribution of slab wall under different support schemes

图9 不同支护方案板墙弯矩分布Fig.9 Distribution of bending moment of slab wall under different support schemes

从图8和图9中可以看出,植被混凝土板墙和普通混凝土板墙在相同的支护措施下,具有相似的受力和弯矩分布曲线,说明了植被混凝土板墙能起到与普通混凝土板墙相同的加固效果,而预应力锚索则会改变板墙的受力特性。如图8所示,没有施加预应力锚索的边坡,其板墙上部的受力较小,下部的受力逐渐增大。这是因为浅层堆积体沿着潜在滑动面向坡脚滑移,导致边坡临空面部位发生大变形,且剪切应变集中于坡脚,所以板墙受力主要位于底部。而当施加预应力锚索后,边坡的变形模式发生变化,锚索通过预应力在其作用范围内产生应力压缩区,板墙的承载能力通过锚索的拉力传递到锚固体内,使边坡浅层土体倾倒的能量扩散至内部,防止出现局部大变形,有效地控制了土体变形,达到了阻滑效果。如图9所示,施加锚索支护的板墙,其弯矩整体大于没有施加预应力锚索的板墙。因此,预应力锚索混凝土板墙无论是荷载还是弯矩都显著增加,锚索提高了板墙的承载能力和抗弯刚度,增加了板墙抗弯利用率。需要注意的是,锚索与板墙的连接部位应进行强化设计,并在后期的运营和维护过程中进行重点监测。

4 敏感性分析

4.1 敏感度函数

由上述分析可知,在边坡植被混凝土板墙锚固结构中,通过在植被混凝土板墙内部设置预应力锚索,提供边坡结构的额外支撑,可以有效地抵抗边坡的滑动和倾覆力,提高边坡结构的整体稳定性。然而,预应力锚索的效果受到许多参数的影响,例如锚索预应力大小、锚索的布置方式、锚索长度等。为了更好地理解和优化边坡植被混凝土板墙锚固结构中预应力锚索的作用,进行敏感参数分析是必要的。

敏感参数分析旨在识别和评估不同参数对系统响应的影响程度。通过改变参数的数值或范围,并对系统进行模拟或计算,我们可以定量地评估这些参数对预应力锚索作用的敏感性,并对敏感性大小排序。这种分析方法能够帮助理解参数变化对结构性能的影响,为优化设计和施工提供指导。

设某系统T,其主要有n个影响因素,则T=f(x1,x2,x3,…,xn)。在某一基准状态下,系统特性为T∗。保持其他参数不变,令xi在其范围内变化,则系统特性T可表示为

将系统特性T和参数xi的相对误差的比值定义为参数xi的敏感度函数:

在Δx/xi较小的情况下,Si(xi)可近似为取xi=x∗,即可得xi的敏感度因子,i=1,2,…,n。其值越大,表明在基准状态下,系统T对参数xi越敏感。通过对的比较,即可对各因素敏感性进行分析。

4.2 结果分析

在边坡植被混凝土板墙锚固结构中,锚索竖向间距d、预应力P和锚索长度L是预应力锚索的重要参数,这些参数对结构的稳定性和性能具有显著影响。本文取边坡安全系数作为控制指标,锚索预应力60 kN,锚索竖向间距3 m,锚索长度15 m,并以表3的锚索参数作为基准参数。

通过拟合分析建立安全系数与锚索竖向间距d、预应力P和锚索长度L的拟合关系曲线及函数表达式,如图10所示。

图10 安全系数与各因素关系曲线Fig.10 The relationship curves of factor of safety and each factor

通过式(5)和各参数的拟合函数可计算出各参数的敏感度函数式(6)～式(8),将数值代入可获得各敏感度因子并通过拟合方式绘制出敏感度函数曲线,如图11所示。

图11 各因素敏感度函数曲线Fig.11 The sensitivity function curve of each factor

由图11可知,锚索预应力的敏感度先增大后减小,当预应力P在一定范围内增大时敏感度逐渐增大,当P=120 kN后,敏感度开始减小,其敏感度范围在0～0.09;锚索竖向间距的敏感度随着d增大逐渐增大,其敏感度范围在0.03～0.13;锚索长度的敏感度随着L增大逐渐减小,其敏感度范围在0.07～0.5。综合分析,对于边坡安全系数,锚索参数敏感度由大到小排序为:锚索长度>锚索竖向间距>锚索预应力大小。在植被混凝土板墙锚固结构预应力锚索参数优化中,应以锚索长度作为主要考虑因素,综合考虑锚索竖向间距和预应力的影响,从而达到最优参数设计。

5 结 论

通过对高陡边坡采用预应力锚索与植被混凝土板墙组合防护的形式,研究了高陡边坡在新型防护方案下的稳定性,得到如下结论:

(1)与未采取任何支护措施相比,植被混凝土板墙锚索加固措施能够显著提高边坡的安全稳定性。板墙和预应力锚索的协同作用能够有效地抑制边坡的剪切变形,使剪切应变增量的剪切带面积和量级均显著减小,且与坡顶和坡脚均不贯通,提高了边坡的抗剪强度。

(2)植被混凝土板墙锚索加固措施改变了边坡的变形模式,通过深部土体锚固段的固定作用以及自由段的轴向拉伸作用下,提升了土体的抗剪强度和支护体系的整体性,使边坡坡顶和坡底的竖向位移以及坡面的水平位移显著降低,从而提高了边坡的稳定性。进一步说明了植被混凝土板墙锚索加固措施对于边坡稳定性的影响机理和优势。

(3)植被混凝土板墙能起到与普通混凝土板墙相同的加固效果,而预应力锚索则会改变板墙的受力特性,提高板墙的承载能力和抗弯利用率,从而达到阻滑效果。但需对锚索与板墙的连接部位进行强化设计,并在后期的运营和维护过程中进行重点监测。考虑到植被混凝土板墙锚索加固措施具有更好的生态效益和美观性以及预应力锚索的经济效益。因此,该措施是一种更良好的支护方式。

(4)以边坡安全系数作为控制指标,通过分析植被混凝土板墙锚固结构锚索参数敏感性,获得锚索参数敏感度排序:锚索长度>锚索竖向间距>锚索预应力大小。在该结构的锚索参数优化中,应以锚索长度作为主要考虑因素,综合考虑锚索竖向间距和预应力的影响。