土工格室植草護坡的穩(wěn)定性分析

何文斌

（寬城滿族自治縣交通運輸局，河北 承德 067600）

0 引言

基礎設施特別是高速公路在建設過程中不可避免地會對巖土邊坡大量開掘，選擇適當?shù)倪吰路雷o方案非常重要。以往在建設過程中大多采用護面墻、噴漿、噴混和錨噴等純圬工結構進行邊坡防護，雖然初期穩(wěn)固和抗侵蝕效果較好，但隨著時間的推移，巖石風化、混凝土老化和鋼筋銹蝕使其效果越來越差，同時其對自然生態(tài)整體環(huán)境的破壞以及在降低噪音與光污染、緩解視覺疲勞等諸多方面的不足都與當前注重生態(tài)環(huán)境保護、堅持可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)代工程理念相去甚遠，鑒于此筆者提出利用土工格室植草防護的方法處理邊坡。

土工格室作為一種新型合成材料，對其的大量研發(fā)始于20世紀80年代末90年代初的歐美等國家。經(jīng)試驗和現(xiàn)場應用證明，在提高一般填土承受動荷以及路基防護方面均有很大的功效。我國于20世紀90年代初在吸收國外先進經(jīng)驗的基礎上，開始了土工格室的開發(fā)研究工作，并在道路基床病害整治、固定松散介質的應用方面取得了重大突破。隨著對土工格室特性的進一步了解，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)其具有其它土工材料（土工布、土工膜、土工格柵、土工模袋和土工網(wǎng)等）不可替代的優(yōu)勢，在諸多領域有著獨特的應用前景。

1 土工格室的特點

土工格室應用于邊坡防護時，展開后的格室壁形成一層層擋墻，可以大大緩解水流流速，避免坡面徑流的形成。格室內可以填充種植土，上面可以種草和種植灌木，在原始坡面無法恢復植被的情況下，同樣可以獲得理想的綠化效果，具有不可估量的環(huán)保價值。土工格室具有較高的整體性和一定的柔韌性，彌補了片石骨架防護松動、塌陷和架空等缺陷。土工格室由直徑12mm螺紋鋼筋制作而成的帶鉤釘子（釘子的長度大于50cm）固定于路基邊坡上，在土質邊坡和石質邊坡均可鋪設。

1.1 土工格室的結構特點

土工格室由高密度聚乙烯（HDPE）片材料經(jīng)超聲波焊接等方法連接而成，展開后呈蜂窩狀三維立體網(wǎng)格材料，屬于特種土工合成材料，具有較高的整體強度，材質輕、耐磨損、化學性能穩(wěn)定，耐光氧老化、耐酸堿。其展開后的格室內可以填充種植土并撒播草籽，能使邊坡充分綠化，帶孔的格室還能增加坡面的排水性能，加入植物的根系加筋作用，增強土工格室護坡的效果。

1.2 土工格室的力學特點

土工格室利用網(wǎng)格體系對土體的摩擦力和側限約束力在邊坡表面形成輕型網(wǎng)狀結構體，避免了邊坡表面與沖刷介質（雨水、風沙等）直接接觸，可降低土壤流失率，并減少地表徑流量和降低流速，從而達到減輕水流對坡面的沖蝕、防止坡面表層土體溜坍和對土體補強加固的目的。其力學性能指標見表1。

表1 土工格室力學性能指標

加拿大皇家軍事工程學院理查德等人采用中密砂和松散砂樣，分加土工格室和不加土工格室兩種類型進行室內大三軸試驗，結果見表2和圖1、圖2。

表2 土工格室視粘聚力與摩擦角試驗結果

圖1 主應力差—垂直應變關系圖

圖2 加土工格室與未加土工格室試樣強度包絡圖

試驗表明：土體加土工格室較之不加土工格室其應力—應變關系有明顯提升（見圖1），強度包絡線亦有明顯提高（見圖2），但摩擦角與不加土格室的砂樣基本相同（見表2）。

1.3 土工格室護坡作用特點

1.3.1 消減水能量，降低水對坡面的沖蝕破壞程度

降水會在坡面形成徑流，直接對坡面造成破壞，降水時間的長短與破壞程度成正比。土工格室會改變水流的徑流方向，使其沿土工格室的邊緣流動，降低了水流在坡面的徑流量以及流速。土工格室固定在坡面上，大大增加了坡面土體的粘聚力，使得土工格室網(wǎng)狀結構內的土體防沖刷能力大大加強。

1.3.2 植被根系固土，增加土壤透水能力

植被的根系具有從各個方向對土壤進行加固的作用，并且植被與土壤結合自然穩(wěn)定。不過自然條件惡劣地區(qū)植物存活率較低，所以固土效果較差。

2 土工格室的抗滑穩(wěn)定性

2.1 土工格室的破壞模式

土工格室由焊接部位的鉚釘固定于坡面。實踐經(jīng)驗表明，鉚釘數(shù)量偏少會使提供抗滑阻力的鉚釘受力增大，從而導致傳遞到格室連接部位的局部應力增大，使該處出現(xiàn)明顯的塑性變形。當某個連接部位的局部應力超過其焊接點的剝離強度時，局部應力的重分布將使相鄰焊接點相繼破壞，導致周圍格室逐一散開，使整個格室-土系統(tǒng)呈漸進性破壞，最終喪失對土壤的包裹作用，在水流作用下發(fā)生邊坡局部沖蝕。因此，土工格室破壞程度主要受焊點剝離強度的控制。

土工格室沿邊坡下滑會引起坡底種植土發(fā)生整體剪切破壞，導致坡底第一排格室底部上抬，從而使經(jīng)排水孔滲入的水流從底部掏空格室。當?shù)谝慌鸥袷姨涂蘸?，第二排開始上抬。如此類推，最終使格室完全失效。因此，坡底處第一排格室必須有鉚釘固定，底端種植土需滿足承載力的要求。

2.2 土工格室抗滑安全系數(shù)

保持土工格室穩(wěn)定的抗滑安全系數(shù)通過鉚釘數(shù)量的增加（即鉚釘間距的減?。┑靡蕴岣摺４送?，在格室底部與坡面之間鋪設一道雙向土工格柵，也可增強格室的抗滑力。格室在坡面的受力情況如圖3 a）所示。

圖3 格室-土系統(tǒng)的穩(wěn)定分析示意圖

以單位寬度坡面格室為研究對象，其下滑力F為：

式中：G——種植土的重力；

γ——種植土的重度；

L——坡長；

t——種植土深度，與格室深度相同；

β——坡角。

坡面格室的抗滑力R為：

式中：Ra——坡腳處格室抗滑阻力；

Rs——格室一土系統(tǒng)在坡面上的抗滑力；

Rj——坡面鉚釘傳遞的附加阻力；

Kj——格室焊接點的抗剝離安全系數(shù)，Kj＝1.3～1.5；

Rg——土工格柵提供的抗滑力。

Ra可根據(jù)極限平衡理論分析確定，計算簡圖見圖3a）。破壞區(qū)邊界線ABC由一段直線AB和對數(shù)螺線BC組成，OAB中的應力可表示在圖3b）上。

由于土工格室側壁光滑，與土的摩擦力為零，OA面上的法向應力σ可表示為圖3b）破壞包線上的a點，因OB為滑動面，其應力可表示為破壞包線上的b點，故∠AOB=ξ＝π/4+φ/2。 OB與AB兩滑動面的夾角∠ABO=π/2-φ。BC一端與AB相切，另一端在C點與地面相交，θ0＝π/4+β-φ/2。

如圖3c）所示，由OBC的力矩平衡條件，可得：

式中，dM=γr2ldθ/2+cr2dθ，為圖3c）中陰影線單元對O點的力矩；l＝2rcos（θ0-θ）/3；r＝，rb為OB的長度；c、φ分別為種植土的粘聚力和內摩擦角；pb＝σbrb。

整理式（3）可得：

根據(jù)圖3b）中幾何關系可得：

由圖3d）可得：

將式（4）代入式（5），并利用Ra＝σat，可得：

假定坡面鉚釘縱橫方向等距布置，式（2）中其他各抗滑力表示如下：

式中：φs——種植土與邊坡界面的摩擦角；

fj——單位深度格室焊接點的剝離強度；

s——鉚釘?shù)拈g距，一般為格室蜂巢直徑的倍數(shù)；

F2%——每延米雙向土工格柵縱向伸長率為2%時的拉伸力。

因而格室的抗滑安全系數(shù)為：

要求K≥1.5。

由式（2）、式（10）、式（11）和式（12）可得鉚釘最大間距為：

式中，Kmin為格室抗滑穩(wěn)定的最小安全系數(shù)。

3 土工格室植被護坡型式

土工格室植草護坡是一種特殊的邊坡防護形式，結合了工程防護和植物防護的特點。由于工程防護對坡度以及植物根系護坡的作用效果對邊坡坡度均有嚴格要求，土工格室植被護坡防護形式的整體穩(wěn)定性與所防護的邊坡坡度有密切的關系。

土工格室護坡主要有平鋪式護坡和疊砌式護坡兩種形式。當坡度緩于1∶1.0時，采用平鋪式；當坡度緩于1∶0.5或陡于1∶1.0時，采用疊砌式（如圖4所示）。

圖4 土工格室植被護坡形式示意圖

4 結語

土工格室植草護坡作為一種新型的復合結構植物防護形式，是通過詳細研究植物根系的力學加筋與錨固作用以及格室的固土護坡機理而提出來的。本文對其穩(wěn)定性進行分析，得出在安全系數(shù)K≥1.5的條件下，該邊坡防護形式是一種有效的邊坡防護形式，值得進一步推廣。

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