生態(tài)袋-玄武巖纖維用于邊坡防護的數(shù)值模擬研究

沈君 羅小剛 陳學(xué)平 李云鵬 程寅＊

（1交通運輸部科學(xué)研究院，北京 100029；2新疆交通建設(shè)管理局，烏魯木齊 830049）

1 引言

邊坡是自然或人工形成的斜坡，是人類工程活動中最基本的地質(zhì)環(huán)境之一，也是工程建設(shè)中最常見的工程形式。常見的工程邊坡有：露天礦邊坡、路堤邊坡、路塹邊坡以及水利邊坡等等。邊坡發(fā)生失穩(wěn)滑坡等災(zāi)害屢有發(fā)生，往往會造成嚴重的人員傷亡及巨大的財產(chǎn)損失，如：1963年10月9日意大利瓦伊昂水利邊坡發(fā)生超巨型滑坡體，摧毀了鄰近隆加羅市及其數(shù)個村鎮(zhèn)，造成了2000余人遇難；2005年8月12日陜西省商洛市陜西五洲礦業(yè)公司突發(fā)山體滑坡，造成宿舍、民房被掩埋，約40～66人遇難。據(jù)1986年E.N.Bromhead的統(tǒng)計，用于邊坡治理的費用約占地質(zhì)和自然災(zāi)害的25%～50%左右；在我國西部高速高速公路建設(shè)中，用于邊坡處治的費用占總費用的30%～50%，可見邊坡的治理將耗費大量人力、物力、財產(chǎn)等[1]。對于邊坡的治理早在上個世紀50年代開始國內(nèi)外就有防護處治措施，如：地表排水、清方減載、填土反壓、抗滑擋墻及漿砌片石等；到60年代末期，在鐵路建設(shè)中首次采用抗滑樁技術(shù)，強調(diào)支擋為主、綜合整治；我國于80年代末期開始采用錨噴防護技術(shù)；90年代至今，壓力注漿加固手段及框架錨固結(jié)構(gòu)越來越多地用于邊坡處治，植物綠色防護備受青睞[2，3]。

關(guān)于邊坡穩(wěn)定理論分析的發(fā)展已相當(dāng)成熟，國內(nèi)外學(xué)者進行了一些列邊坡穩(wěn)定分析方法研究，如：在1916年由Prantle提出了圓弧滑動法，于1954、1955年由Janbu和Bishop提出條分法，到20世紀70年代時由王復(fù)來提出王復(fù)來條分法，于20世紀90年代時由陳祖煜提出了三維極限平衡法[1，2]。

隨著邊坡工程的大規(guī)模建設(shè)與發(fā)展，為了響應(yīng)國家建設(shè)生態(tài)文明、打造綠色交通的號召以及遵循綠水青山就是金山銀山的理念，關(guān)于綠色邊坡防護的研究備受關(guān)注，如：邢建龍[4]等介紹了生態(tài)袋這一新材料的邊坡防護系統(tǒng)組成以及生態(tài)袋應(yīng)用于邊坡防護的設(shè)計方法、施工工藝，通過工程實例證實了生態(tài)袋具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、施工簡便、景觀優(yōu)美、節(jié)能環(huán)保等特點，符合當(dāng)今環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的潮流。江文[5]主要以具體工程案例為依托，詳細介紹了生態(tài)袋各組件聯(lián)結(jié)方式、生態(tài)袋邊坡施工工藝及其注意要點，為建設(shè)生態(tài)性、環(huán)保性護坡及其類似工程提供了參考與借鑒。劉馮等[6]以連鎮(zhèn)鐵路生態(tài)袋邊坡防護為工程實例，詳細闡述生態(tài)袋邊坡防護施工技術(shù)流程及工藝要求，具有坡面綠化效果好、施工簡便、速度快、保持水土與改善環(huán)境的優(yōu)勢。

通過以上分析可知，采用生態(tài)袋進行邊坡防護需要聯(lián)結(jié)扣件將相鄰生態(tài)袋連接、架設(shè)土工柵格或打設(shè)錨索等，聯(lián)結(jié)扣件緊密程度、錨索打設(shè)土體深度等問題均會影響邊坡穩(wěn)定。為解決此類問題，應(yīng)選取一種新材料來代替，文獻[7，8]對玄武巖纖維（布）的力學(xué)性能及強度進行了詳細研究，玄武巖纖維具有較高的抗拉強度與彈性模量，同時具有耐熱性好、耐腐蝕性好、價格低廉、原料易得、低導(dǎo)熱性和較好的介電性能等多重優(yōu)良性能，并且制造過程環(huán)保無危害，能直接降解為泥土。關(guān)于玄武巖纖維在土木建筑工程領(lǐng)域應(yīng)用較多，其中：文獻[9]主要對路塹邊坡玄武巖纖維筋錨桿支護的應(yīng)用進行研究；文獻[10]主要對玄武巖纖維在重載交通瀝青路面中的應(yīng)用進行研究；文獻[11]主要對玄武巖纖維增強復(fù)合錨桿支護土質(zhì)邊坡設(shè)計進行試驗研究。以上對玄武巖纖維應(yīng)用研究主要利用了其具有較高的抗拉強度，提高被加固的邊坡或瀝青路面的強度。

但是，關(guān)于玄武巖纖維與生態(tài)袋組合用于路基邊坡防護的研究較少。因此，本文依托《利用纖維網(wǎng)與生態(tài)袋進行路基邊坡柔性防護技術(shù)》項目為研究背景，采用有限元數(shù)值模擬分析的方法，重點分析路基邊坡不同防護結(jié)構(gòu)（生態(tài)袋與纖維網(wǎng)布設(shè)方式）對邊坡整體安全穩(wěn)定性的影響規(guī)律，以期獲得既能保證邊坡安全又能降低工程造價的生態(tài)袋與玄武巖纖維的最大安全裸露土體面積，為類似的邊坡生態(tài)防護工程提供科學(xué)合理的參考與指導(dǎo)。

2 路基坡面柔性防護結(jié)構(gòu)設(shè)計

采用生態(tài)袋與玄武巖纖維組合的方式進行路基坡面防護，生態(tài)袋與纖維網(wǎng)的不同組合方式對其邊坡整體安全性有顯著影響。因此，需要對路基坡面柔性防護結(jié)構(gòu)進行合理設(shè)計，為下文建立數(shù)值模型提供依據(jù)。

2.1 施工工藝

1）生態(tài)袋準備

采用PP材料或其他耐腐蝕的高強材料加工形成的生態(tài)袋，填充細砂、粉砂等混合物。裝填生態(tài)袋規(guī)格：60×30×40cm（長×寬×高）。

2）玄武巖纖維準備

在路基路面施工時，在完成路基基層施工后，鋪設(shè)延伸到路面外側(cè)的高強纖維，路面外側(cè)的高強纖維鋪展于坡面上。

3）生態(tài)袋鋪設(shè)

沿坡面等高線鋪設(shè)生態(tài)袋，并夯實生態(tài)袋呈扁平狀，土壤緊實度以達到多少為宜，借鑒工程經(jīng)驗。

4）纖維柔性框格

圖1 玄武巖纖維-生態(tài)袋五種不同邊坡防護形式

將下端纖維從下到上反卷包裹一條由多層生態(tài)袋夯實的條帶，每條生態(tài)袋包裹的上端用線繩綁扎或用鐵絲綁扎上下兩層纖維，再順坡面向上包裹生態(tài)袋并綁扎固定，形成多條柔性防護條帶格架。

5）框格中填土與坡面種植

在纖維柔性框格中間填充土壤，拍平拍緊拍實。在全坡面播種或栽植植物，進行綠化。

2.2 邊坡防護結(jié)構(gòu)

為了得到不同邊坡防護結(jié)構(gòu)下邊坡的安全性，共設(shè)計5種坡面防護工藝情景，這5種坡面防護工藝中玄武巖纖維土工柵格均直接固定生態(tài)袋，對整體結(jié)構(gòu)起到穩(wěn)定作用。

五種土壤固定結(jié)構(gòu)分述如下：

1）全坡面致密生態(tài)袋防護方式

為當(dāng)前玄武巖纖維土工柵格生態(tài)袋防護方式下采用的形式，也是當(dāng)前正在一些區(qū)域利用的生態(tài)袋植被防護方式，主要利用層層碼放生態(tài)袋，再在生態(tài)袋上挖孔栽植灌木的方式。

2）生態(tài)袋方格網(wǎng)框架（纖維包裹固定）和植生袋防護方式

植生袋為帶孔的PE網(wǎng)或其他材料組成，其強度及在環(huán)境中的持續(xù)時間較短，通過其與致密程度較高的生態(tài)袋相結(jié)合，實現(xiàn)對土壤的固定。

3）生態(tài)袋方格網(wǎng)框架（纖維包裹固定）和填充土壤防護方式

采用生態(tài)袋作為框架，進一步在框架內(nèi)填充土壤，實現(xiàn)土壤固定的目的。

4）條帶式生態(tài)袋（纖維包裹固定）和植生袋防護方式

采用條帶式生態(tài)袋與條帶式植生袋結(jié)合，固定土壤為植物生長提供基礎(chǔ)。

5）條帶式生態(tài)袋（纖維包裹固定）和填充土壤防護方式

采用條帶式生態(tài)袋與在條帶間回填土壤結(jié)合，固定土壤為植物生長提供基礎(chǔ)。

以上五種方式代表了對土壤層的不同的固定程度，在這些固土方式下，土壤在坡面的自由程度不同。五種不同邊坡防護形式如圖1所示。

3 最大安全裸露土體面積數(shù)值計算

3.1 建立模型

根據(jù)玄武巖纖維與生態(tài)袋邊坡生態(tài)防護工程項目所處周圍地質(zhì)條件，建立邊坡模型選取砂土地層，采用有限元數(shù)值模擬軟件MIDAS-GTS/NX，建立玄武巖纖維-生態(tài)袋邊坡防護模型如圖2所示。

圖2 玄武巖纖維-生態(tài)袋邊坡防護模型

以邊坡坡率為1：1，邊坡傾角45°，邊坡高度5m為例。按照鄭穎人建議設(shè)計邊坡的尺寸大小，其中：模型X軸方向取25m，Y軸方向取3.6m，Z軸方向取10m。為滿足計算精度的要求，采用混合四面體網(wǎng)格生成器，共建立網(wǎng)格數(shù)量為64153個。

1）選取本構(gòu)模型及參數(shù)

砂土材料選取莫爾-庫侖準則。生態(tài)袋裝填細砂、粉砂等混合物，亦選取莫爾-庫侖準則。玄武巖纖維采用正交各向異性土工柵格結(jié)構(gòu)材料模擬。砂土地層及生態(tài)袋力學(xué)參數(shù)查閱《工程地質(zhì)手冊》選取，詳細參數(shù)見表1；玄武巖纖維力學(xué)參數(shù)依據(jù)現(xiàn)場實驗獲取，詳細參數(shù)見表2。

表1 砂土地層及生態(tài)袋物理力學(xué)參數(shù)

表2 玄武巖纖維物理力學(xué)參數(shù)

2）確定邊界及荷載條件

邊界條件：地層邊界采用位移自動約束。

荷載條件：自重；考慮玄武巖纖維對生態(tài)袋及土層的加固作用，邊坡斜坡面上荷載取15kPa，沿X軸正方向，荷載作用點為橫縱纖維網(wǎng)交叉點處；考慮路基邊坡坡頂面施工影響，在5m范圍內(nèi)作用施工荷載2kPa，沿Z軸負方向。

通過上述路基坡面柔性防護結(jié)構(gòu)設(shè)計可知，為準確分析計算出最大裸露土體安全面積，另分別建立了四種不同的邊坡防護模型：（1）生態(tài)袋-纖維田字形鋪設(shè)；（2）生態(tài)袋-纖維四道柵格鋪設(shè)；（3）生態(tài)袋-纖維兩道柵格鋪設(shè)；（4）生態(tài)袋-纖維口字形鋪設(shè)。四種邊坡防護模型如圖 3所示。

圖3 四種邊坡防護模型

3.2 計算結(jié)果分析

針對以上五種生態(tài)袋與玄武巖纖維不同組合結(jié)構(gòu)形式下的邊坡防護模型，分別計算出其對應(yīng)的邊坡安全系數(shù)以及布設(shè)生態(tài)袋與玄武巖纖維的面積和未布設(shè)生態(tài)袋與玄武巖纖維的面積，統(tǒng)計于表3。

表3 五種不同工況下邊坡安全系數(shù)

繪制五種生態(tài)袋、纖維網(wǎng)鋪設(shè)方式下邊坡安全系數(shù)和未布設(shè)纖維土體面積柱形圖，如圖4所示。

圖4 不同工況下邊坡安全系數(shù)和未布設(shè)纖維面積柱形圖

由表3及圖4可知，在砂土地層邊坡條件下，全坡面生態(tài)袋、玄武巖纖維土工柵格鋪設(shè)防護模式的邊坡安全系數(shù)最高、最安全，安全系數(shù)值為1.774，其中：田字形生態(tài)袋與纖維土工柵格鋪設(shè)、四道柵格、兩道柵格、口字形生態(tài)袋與纖維土工柵格鋪設(shè)模式下邊坡的安全系數(shù)依次降低；根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》及相關(guān)工程地質(zhì)手冊建議一般路基邊坡最小安全系數(shù)應(yīng)大于1.35，則采用口字形生態(tài)袋與纖維組合鋪設(shè)時，邊坡安全系數(shù)值為1.202，不能滿足邊坡安全要求，存在工程滑坡等邊坡災(zāi)害；當(dāng)采用兩道柵格（目字形）生態(tài)袋與纖維組合鋪設(shè)時，其邊坡安全系數(shù)值為1.451，能夠滿足邊坡安全系數(shù)要求，并得出未布設(shè)生態(tài)袋與纖維面積，即：未鋪設(shè)生態(tài)袋與纖維的最大安全裸露土體面積值為11.52m2，在此種工況下既能保證邊坡的安全穩(wěn)定，又能最大程度的節(jié)約工程造價，符合環(huán)保經(jīng)濟理念。

4 玄武巖纖維抗拉強度計算

通過上述分析可知，在路基邊坡生態(tài)防護工程中，采取生態(tài)袋與玄武巖纖維組合鋪設(shè)可以有效的加固邊坡，提高邊坡整體的安全性，但是需要進一步驗證玄武巖纖維是否滿足允許抗拉強度值。因此，建立簡化的理論模型來驗證。

4.1 建立計算簡化模型

選取有限元模型中兩道柵格生態(tài)袋與玄武巖纖維鋪設(shè)方式下的邊坡（工況4），以單位寬度截面邊坡為研究對象，繪制簡化圖進行理論計算分析，如圖5所示。

圖5 玄武巖纖維理論計算簡圖

在圖 5中，作用于邊坡斜坡面生態(tài)袋與玄武巖纖維的錨固荷載P1=15kPa，作用于邊坡坡頂面施工荷載P2=2kPa，生態(tài)袋層層堆疊放置、壓平。

4.2 計算分析

假設(shè)生態(tài)袋荷載全部由玄武巖纖維承擔(dān)且纖維與邊坡摩阻力為0kPa（最不利情況）；玄武巖纖維土工柵格寬度為1m，面密度為260g/m2，單纖直徑為13um，抗拉強度為1800MPa；恒荷載分項系數(shù)取1.2，活荷載分項系數(shù)取1.4，則玄武巖纖維沿斜坡面上、下方向的拉應(yīng)力計算公式見（1）、（2）：

式中：b—生態(tài)袋寬度，單位m；h—生態(tài)袋高度，單位m；l—生態(tài)袋長度，單位m；nb—邊坡單位寬度范圍內(nèi)生態(tài)袋數(shù)量，取值為2袋；nh—邊坡高度范圍內(nèi)生態(tài)袋數(shù)量，取值為17袋；γ—生態(tài)袋重度，取值為17kN/m3；γG—恒荷載分項系數(shù)，取值1.2；γQ—活荷載分項系數(shù)，取值1.4；m×n—斜坡面錨固荷載作用于生態(tài)袋與纖維的面積；hs—玄武巖纖維厚度，取值1mm；θ—邊坡傾角，°；P1—作用于斜坡面生態(tài)袋與纖維的錨固荷載；P2—作用于坡頂面5m范圍內(nèi)的施工荷載；L—坡頂施工荷載作用長度；B—單位計算寬度，取值1m。

將以上所取數(shù)值代入式（1）、（2），可得：

由上述計算可知，在上述假設(shè)的最不利情況下，玄武巖纖維抗拉強度計算值約為72.11MPa，小于允許抗拉強度值1800MPa。

因此，上述數(shù)值模擬計算的邊坡整體安全系數(shù)及玄武巖纖維抗拉強度值均滿足安全性要求。

5 結(jié)論

1）通過文獻調(diào)研方法，針對目前關(guān)于生態(tài)袋與玄武巖纖維組合鋪設(shè)應(yīng)用于邊坡生態(tài)防護這一研究不足之處，設(shè)計了五種可行的不同路基坡面柔性防護結(jié)構(gòu)，為數(shù)值模擬計算提供依據(jù)。

2）通過有限元數(shù)值模擬計算可知，砂土地層邊坡，兩道柵格（目字形）生態(tài)袋與玄武巖纖維鋪設(shè)模式下可以滿足邊坡安全系數(shù)的要求，口字形鋪設(shè)下其安全系數(shù)值不滿足。因此，得出兩道柵格下未鋪設(shè)生態(tài)袋與纖維的裸露土體最大安全面積值為11.52m2，此情況下可最大程度節(jié)約工程造價；若生態(tài)袋與玄武巖纖維組合鋪設(shè)方式下裸露的土體大于此值則邊坡不安全，易出現(xiàn)滑坡等邊坡災(zāi)害。

3）通過玄武巖纖維抗拉強度計算可知，邊坡在兩道柵格生態(tài)袋與玄武巖纖維鋪設(shè)方式下，玄武巖纖維的抗拉強度值為72.11MPa，遠小于其允許抗拉強度值1800MPa，在此情況下，既能保證邊坡整體的安全性，又滿足玄武巖纖維抗拉強度要求。