漿砌片石拱形骨架護(hù)坡實(shí)體模型加載分析

陳龍，聶憶華，彭立，肖燕，徐陽

(1.湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南湘潭411201;2.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院，湖南長沙410008)

土路基邊坡在降雨作用下容易發(fā)生沖蝕、溜塌等病害，影響路基邊坡的穩(wěn)定性。拱形骨架護(hù)坡是邊坡防護(hù)中最常用的一種方式，其中漿砌片石拱形骨架護(hù)坡是多年來最為普遍的邊坡防護(hù)形式，對于其邊坡防護(hù)的作用與施工技術(shù)等，許多工程技術(shù)人員與學(xué)者進(jìn)行較多的歸納與研究，但對該骨架邊坡防護(hù)的承載力學(xué)性能研究較少［1-5］。通過邊坡防護(hù)，不僅能穩(wěn)固路基，而且能起到美化路容的作用，漿砌片石骨架護(hù)坡是最常用的高邊坡綠色防護(hù)方式之一，漿砌片石骨架根據(jù)形狀不同，可以分為拱形、方格形、人字形等。本文選用漿砌片石拱形骨架邊坡，通過設(shè)計修筑實(shí)體試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行加載試驗(yàn)，測試邊坡拱頂及拱角處的應(yīng)力應(yīng)變，對邊坡在荷載下關(guān)鍵點(diǎn)位應(yīng)力應(yīng)變及位移進(jìn)行研究，以期在一定程度上揭示拱形骨架邊坡在承受荷載作用下關(guān)鍵點(diǎn)位的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，為工程設(shè)計提供重要參考。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

根據(jù)工程實(shí)際拱形骨架尺寸，縮小模型按照1∶4的比例進(jìn)行計算與修筑，實(shí)體試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽鐬?高1.75 m×寬3.25 m×長3 m，邊坡坡率1∶1.5，見圖1和圖2所示，在模型坡面砌筑2排3列漿砌片石拱形骨架，并于骨架空隙類植草。在中間一列拱的拱頂、拱角和拱柱等關(guān)鍵點(diǎn)位貼應(yīng)變片(G1～G5)，拱頂G1和G3兩點(diǎn)，拱角G2和G4兩點(diǎn)，拱柱G5一點(diǎn)，豎向、橫向、斜向分別指應(yīng)變片貼的方向?yàn)檠仄旅尕Q向一致、橫向一致、斜向一致(45°)。在上中下3個位置架設(shè)位移千分表(1#～3#)。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛡?cè)面圖(單位:cm)

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ推矫鎴D(單位:cm)

在坡頂施加垂直荷載的過程中，漿砌片石拱形骨架結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)位位移采用千分表測量，鍵點(diǎn)位的應(yīng)變值通過粘貼在監(jiān)測點(diǎn)位的三向應(yīng)變片測量，如圖3、圖4所示。采用應(yīng)變片參數(shù)如表1，采用加載塊分五級加載。

圖3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅O(jiān)測點(diǎn)位布置圖

圖4 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图虞d圖

表1 應(yīng)變片參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 位移變化規(guī)律分析

邊坡受力后骨架護(hù)坡產(chǎn)生的位移是整個邊坡系統(tǒng)承載力確定的一個重要評價指標(biāo)，產(chǎn)生的位移越大，拱形護(hù)坡失穩(wěn)的可能性就越大。因此，通過分級加載，測試每級荷載穩(wěn)定后關(guān)鍵點(diǎn)位位移值，以期能了解邊坡漿砌片石骨架在坡頂端受垂直荷載作用下的位移變化情況，所測數(shù)據(jù)見圖5所示。

圖5 不同荷載作用下測點(diǎn)位移圖

由圖5可知，監(jiān)測點(diǎn)位移與加載荷載的關(guān)系:離坡頂距離越近，位移值越大，變化值也越大;隨著加載值的增加，位移有非線性增大的趨勢;離坡頂距離達(dá)到一定值后位移為負(fù)值，表示在底部一定區(qū)域位移是反向發(fā)展，即表示路基土上部沉降、下部鼓起的變化形態(tài);隨著荷載的增加，位移先期增長速度較快，后期增長較慢，漸漸趨于平穩(wěn)。

2.2 應(yīng)變變化規(guī)律分析

邊坡受力后漿砌片石砂漿連接處所產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)是整個邊坡系統(tǒng)承載力確定的另一個重要評價指標(biāo)，當(dāng)應(yīng)力應(yīng)變值大于砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度，拱形骨架邊坡便會開裂或斷裂。因此，通過分級加載，測試每級荷載穩(wěn)定后關(guān)鍵點(diǎn)位應(yīng)變值，以期能了解漿砌片石拱形骨架邊坡應(yīng)變隨坡頂荷載作用的變化情況，所測數(shù)據(jù)見繪制成圖6和圖7所示，測試中所測點(diǎn)位數(shù)據(jù)顯示均為負(fù)值，即為壓應(yīng)變，繪圖時全部取正值進(jìn)行繪制，其中圖6為單點(diǎn)應(yīng)變分析圖，圖7是將圖6中不同點(diǎn)位應(yīng)變值匯總進(jìn)行應(yīng)變分析圖。

圖6 各點(diǎn)應(yīng)變圖

續(xù)圖6各點(diǎn)應(yīng)變圖

圖7 各點(diǎn)三向應(yīng)變圖

由圖6和圖7進(jìn)行拱形骨架邊坡應(yīng)變與坡頂加載、離坡頂斜向距離的關(guān)系分析如下:

1)G1點(diǎn)與G3點(diǎn)分別為上下拱頂處監(jiān)測點(diǎn)位，由圖6中a)和c)圖分析可得:在拱頂位置，豎向壓應(yīng)變＞橫向壓應(yīng)變＞斜向壓應(yīng)變;豎向、橫向、斜向三向壓應(yīng)變均隨著荷載的增加而近線性增大，表明拱頂最先發(fā)生豎向砂漿粘結(jié)壓碎破壞。

2)G2點(diǎn)與G4點(diǎn)、G5點(diǎn)分別為上下拱角及拱柱處監(jiān)測點(diǎn)位，由圖6中b)、d)、e)圖分析可得:在拱角和拱柱位置，橫向壓應(yīng)變＞豎向壓應(yīng)變＞斜向壓應(yīng)變;豎向、橫向、斜向三向應(yīng)變均隨著荷載的增加而近線性增大，表明拱角最先發(fā)生橫向砂漿粘結(jié)壓碎破壞。

3)圖6中f)給出了豎向加載49.5 kPa下各點(diǎn)應(yīng)變與到坡度斜向距離的關(guān)系:在同一荷載作用下，離坡頂斜向距離越大，各點(diǎn)橫向、斜向壓應(yīng)變隨之增加，橫向壓應(yīng)變增加速度快于斜向壓應(yīng)變，而豎向壓應(yīng)變在拱頂和拱角處差異較大，隨著離坡頂距離增加，拱頂豎向壓應(yīng)變增加，拱角豎向壓應(yīng)變增加，但拱頂處豎向壓應(yīng)變增加幅度大于拱角處。由于其它不同豎向荷載作用下趨勢均相同，只是值的大小有所不同，在此只選49.5 kPa豎向荷載作為代表說明。

4)圖7中a)、b)、c)圖分別對拱體各點(diǎn)豎向、橫向、斜向等三向應(yīng)變進(jìn)行整體分析可得:不同點(diǎn)位處的豎向、橫向、斜向三向壓應(yīng)變均隨著豎向加載的增加而增大，當(dāng)處于拱的不同位置，隨荷載變化而應(yīng)變增加幅度不同;當(dāng)處于拱同一位置(如拱頂或拱角處)，同一荷載下離坡度斜向距離越大，三向應(yīng)變均增大。

3 結(jié)論

本文修筑縮小拱形骨架漿砌片石邊坡防護(hù)模型，通過在坡頂加載監(jiān)測拱形骨架關(guān)鍵點(diǎn)位的位移與應(yīng)變，對數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析可得:

1)隨著荷載的增加，拱形骨架離坡頂一定距離范圍內(nèi)各點(diǎn)位移是增加的，且離坡頂越近，位移越大;當(dāng)距離達(dá)到一定范圍后，拱形骨架下部出現(xiàn)外鼓變形，監(jiān)測位移值為負(fù)值;沉降與鼓起的分界深度還有待進(jìn)一步研究。

2)隨著荷載的增加，拱形骨架護(hù)坡上各點(diǎn)的壓應(yīng)變均增加，離坡頂距離越大增加的值越大。

3)漿砌片石不同部位破壞方式不同，拱頂先發(fā)生豎向砂漿粘結(jié)破壞、拱角先發(fā)生橫向砂漿粘結(jié)壓碎破壞;離坡頂距離越大，各種破壞趨勢均增加。

根據(jù)以上結(jié)論，建議在修筑漿砌片石拱形骨架護(hù)坡時，在下部區(qū)域進(jìn)行一定加固措施，防止鼓起與各種砂漿粘結(jié)破壞，增加漿砌片石骨架護(hù)坡的穩(wěn)定性。

［1］JTG D30-2004，公路路基設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］鄧學(xué)鈞.路基路面工程［M］.北京:人民交通出版社，2008.

［3］趙建軍，張惠萍.超高填方邊坡拱形骨架護(hù)坡施工技術(shù)［J］.建筑施工，2012，34(7):661-663.

［4］李龍.骨架防護(hù)在黃土路基邊坡防護(hù)中的應(yīng)用［J］.道路工程，2012(9):117-119.

［5］仝召，馬駿，關(guān)曉靜.骨架植物護(hù)坡在黃土路堤邊坡防護(hù)中的應(yīng)用［J］.交通標(biāo)準(zhǔn)化，2009，206:120-123.