山區(qū)公路石籠邊坡防護(hù)應(yīng)用研究

魏建軍 王立新 楊佩鑫

(1.昭通公路局 云南 昭通 657000；2.威信公路分局 云南 昭通 657800)

引言

石籠網(wǎng)防護(hù)是一種生態(tài)邊坡防護(hù)，其利用類似于蜂巢形狀的石籠網(wǎng)片制作成石籠網(wǎng)單元，在網(wǎng)箱單元中填裝塊石，用綁扎等手段將各個(gè)網(wǎng)箱單元連接成整體的一種防護(hù)形式。石籠網(wǎng)防護(hù)在河流護(hù)岸等邊坡工程中應(yīng)用廣泛且取得了較好的效果，近年來(lái)公路邊坡防護(hù)中也逐漸開(kāi)始使用。

在合適的路段采用石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)的公路防護(hù)可以利用項(xiàng)目沿線豐富的石材資源，形成優(yōu)美的視覺(jué)景觀，減輕道路對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞程度，使公路邊坡防護(hù)與自然環(huán)境更加協(xié)調(diào)。

郭永剛[1]對(duì)蓄水區(qū)堤防各區(qū)段防護(hù)進(jìn)行了分析計(jì)算，得出了石籠網(wǎng)防護(hù)在流速較大區(qū)段仍然可以保持穩(wěn)定的結(jié)論，并指出石籠網(wǎng)防護(hù)對(duì)保持護(hù)坡景觀形式多樣性有正面作用。邢大鵬[2]指出石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)的河流護(hù)坡相對(duì)傳統(tǒng)護(hù)坡形式具有柔性和可撓曲性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)對(duì)突發(fā)形變和不均勻沉降的能力相對(duì)于混凝土剛性構(gòu)筑物更強(qiáng)。同時(shí)石籠網(wǎng)的高滲透性相比在混凝土構(gòu)筑物中設(shè)置排水孔可以更加有效地緩解消除擋土墻的水壓力，從而進(jìn)一步提升構(gòu)筑物的穩(wěn)定性。賈虎[3]結(jié)合川西南地區(qū)某井場(chǎng)道路軟土工程實(shí)例，運(yùn)用 FLAC3D建立了數(shù)值分析模型，對(duì)石籠網(wǎng)加筋粉質(zhì)粘土進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，指出石籠網(wǎng)加筋可以有效降低路面不均勻沉降、減小路堤邊坡變形，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象。Bergad D T 等學(xué)者[4-7]就雙絞合六邊形金屬網(wǎng)面與墻背不同填土間的界面特性，以粉砂和軟粘土為填料采用拉拔試驗(yàn)和直接剪切試驗(yàn)的試驗(yàn)方法展開(kāi)了很多研究。N R Setiati[8]結(jié)合印度尼西亞西爪哇省的Cipamingkis橋加固工程案例，分析了石籠結(jié)構(gòu)基臺(tái)安全建筑對(duì)抵抗橋梁下部結(jié)構(gòu)受到?jīng)_刷的作用。

綜上所述，學(xué)者們對(duì)基于天然石料的構(gòu)筑物進(jìn)行了廣泛的研究，但主要集中在構(gòu)筑物和材料的力學(xué)性能方面?，F(xiàn)階段對(duì)山區(qū)公路適用的基于天然石料的坡面防護(hù)工程研究尚不充分。尤其是考慮到景區(qū)公路對(duì)美觀和經(jīng)濟(jì)的要求時(shí)不同形式坡面防護(hù)工程的比選，及不同形式坡面防護(hù)工程的承載能力和各因素影響尚待進(jìn)一步研究。

一、模型的建立

該試驗(yàn)選取了墻背直立式、墻面直立式和臺(tái)階式3種有代表性的石籠網(wǎng)公路邊坡防護(hù)結(jié)構(gòu)形式。

(一)計(jì)算參數(shù)的選取

構(gòu)成石籠網(wǎng)單元的網(wǎng)片由鋼絲編織而成，網(wǎng)片的實(shí)際形狀十分復(fù)雜給建模和求解帶來(lái)困難，為了簡(jiǎn)化計(jì)算將網(wǎng)片視為厚度很小的一維線彈性體，因?yàn)榫W(wǎng)片幾乎不能承受軸向壓力，因此采用只能受拉不能受壓的土工格柵單元進(jìn)行模擬。

石籠網(wǎng)片在受拉時(shí)不僅網(wǎng)片鋼絲本身伸長(zhǎng)，網(wǎng)孔的形狀也發(fā)生了改變，只通過(guò)鋼絲的彈性模量來(lái)推導(dǎo)網(wǎng)片的彈性模量會(huì)帶來(lái)巨大的差異。因此根據(jù)彈性模量定義，通過(guò)抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)的結(jié)果推導(dǎo)模型中網(wǎng)片的彈性模量。

通過(guò)網(wǎng)片抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)可得知所用石籠網(wǎng)片破壞荷載為37.44KN/m，破壞時(shí)伸長(zhǎng)率約為10%，近似地將網(wǎng)片的彈性模量取為100MPa。

填土后未開(kāi)挖土體和墻后填土采用庫(kù)倫-摩爾本構(gòu)模型，其余材料參數(shù)按照表1.1選用。

(二)模型的建立

本項(xiàng)試驗(yàn)使用2D建模，墻背直立式石籠網(wǎng)和墻面直立式石籠網(wǎng)底層墻身厚5m，頂層墻厚為1m，每層石籠單元高1m。臺(tái)階式石籠網(wǎng)每層墻身厚均為2m。

圖1 墻背直立式模型

二、試驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)3種結(jié)構(gòu)形式的擋土墻模型進(jìn)行求解，為了方便觀察墻背所受土壓力和墻體發(fā)生的橫向位移，沿墻背提取一維單元結(jié)果圖。圖中位移圖單位m，應(yīng)力圖單位kPa。

圖2 墻背直立式模型位移及墻背土壓力

圖3 墻面直立式模型位移及墻背土壓力

圖4 臺(tái)階式模型位移及墻背土壓力

從橫向位移的一維單元結(jié)果圖可以看出，墻背直立式結(jié)構(gòu)墻身的變形最小，抵抗變形的能力最強(qiáng)，抗傾覆能力較好，同時(shí)該結(jié)構(gòu)具有階梯式墻面給施工后的覆土綠化環(huán)節(jié)提供了便利。綜合考慮力學(xué)性能和景觀價(jià)值，一般情況下推薦采用墻背直立式結(jié)構(gòu)作為石籠網(wǎng)邊坡防護(hù)的結(jié)構(gòu)形式。

墻面直立式結(jié)構(gòu)在墻身中部產(chǎn)生了較大變形，抵抗變形的能力較弱于墻背直立式結(jié)構(gòu)，墻身整體向外側(cè)翻轉(zhuǎn)，抗傾覆能力弱。但該結(jié)構(gòu)底部位移最小，是三種結(jié)構(gòu)形式中抗滑移能力最好的形式，這是由于俯斜的墻背使土壓力在豎向產(chǎn)生了分力，增大了墻底的摩擦力，推薦用于難以滿足抗滑移要求的路段。

臺(tái)階式結(jié)構(gòu)在墻身下部產(chǎn)生了較大的變形，抵抗變形的能力較差，這是因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)的下層尺寸小于其他兩種 ，同時(shí)臺(tái)階式結(jié)構(gòu)的底部位移較大，抗滑移的能力較弱，但臺(tái)階式結(jié)構(gòu)需要的開(kāi)挖量和回填量要遠(yuǎn)小于其他兩種結(jié)構(gòu)，在土壓力較小的路段可以采用臺(tái)階式結(jié)構(gòu)，減少填挖方降低成本。因?yàn)榕_(tái)階式結(jié)構(gòu)抗滑移能力較弱，可以采用基坑底部加鋪碎石層增大摩擦力的方式增強(qiáng)其抗滑移能力。

表1 石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型材料屬性

三、施工工藝與質(zhì)量控制

本項(xiàng)目依托云南省彝良至牛街二級(jí)公路建設(shè)工程展開(kāi)研究，在K6+400至K6+422段建設(shè)示范工程。

試驗(yàn)段所用石料為挖方路段開(kāi)采的石灰?guī)r，經(jīng)過(guò)破碎后運(yùn)至試驗(yàn)段作為原料。石籠網(wǎng)網(wǎng)孔規(guī)格為8mm×10mm，網(wǎng)絲直徑2.7mm，邊絲直徑3.4mm，鋼絲均采用鍍5%鋁高爾凡低碳鋼絲，鍍層質(zhì)量不小于270g/m2。

(一)施工工藝

施工工藝流程為施工準(zhǔn)備→地基清理→碎石層鋪設(shè)→石籠網(wǎng)箱組裝→石籠網(wǎng)箱安裝→石籠網(wǎng)石料裝箱→石籠網(wǎng)封蓋回填。施工工藝要點(diǎn)如下：

1.石籠網(wǎng)箱組裝

組裝單套網(wǎng)箱時(shí)，需要在堅(jiān)實(shí)的地面上或者是在大面積木板上進(jìn)行，為了減少由于網(wǎng)箱折痕處出現(xiàn)的尺寸偏差，需要將具有網(wǎng)箱折痕的地方人工踩平。

2.石籠網(wǎng)箱安裝

在綁扎完單套箱體之后，需要將其搬至到基坑，按照相關(guān)的順序擺放好同層的箱體，并對(duì)箱體的位置進(jìn)行控制。

對(duì)于相鄰的網(wǎng)箱需要在上下四個(gè)角的位置上進(jìn)行一道綁扎; 對(duì)于相鄰的網(wǎng)箱的隔片需要在上下中間的位置上進(jìn)行一道綁扎; 對(duì)于相鄰的網(wǎng)箱結(jié)合面的地方需要在每1m2的位置上穿透網(wǎng)孔進(jìn)行兩道綁扎；對(duì)于相鄰的網(wǎng)箱隔片的邊框需要按照間距每 20 cm 進(jìn)行綁扎。

3.石籠網(wǎng)石料裝箱

石料卸載應(yīng)盡量靠近基坑邊緣，以減少機(jī)械二次轉(zhuǎn)運(yùn)臺(tái)班及工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，但需避免破壞石籠網(wǎng)箱。

采用機(jī)械和人工相配合的施工方法，首先用挖掘機(jī)將所需石料放置格賓網(wǎng)旁邊，再用人工以干砌的方式將石料碼砌填充進(jìn)格賓網(wǎng)內(nèi)。

4.石籠網(wǎng)箱封蓋

為保證網(wǎng)箱內(nèi)石料的密實(shí)度，非頂層網(wǎng)箱的裝填石料高度以超出網(wǎng)箱高度3-5cm為宜。

每個(gè)網(wǎng)箱單元裝填完畢后，蓋上石籠網(wǎng)箱蓋片，對(duì)于蓋片和網(wǎng)身的框線之間的綁扎按照 15cm～20cm 的間距進(jìn)行，使石籠網(wǎng)箱形成一個(gè)整體。上層網(wǎng)箱的底片和下層網(wǎng)箱的蓋片每平方米綁扎兩刀，綁扎時(shí)須穿透網(wǎng)孔進(jìn)行綁扎，禁止單網(wǎng)片進(jìn)行綁扎。

(二)質(zhì)量控制

編制石籠網(wǎng)片所用的鋼絲其抗拉強(qiáng)度不應(yīng)低于350MPa。

所用鋼絲表面應(yīng)鍍覆抗腐蝕鍍層，鋼絲鍍層應(yīng)附著牢固，將鋼絲在規(guī)定直徑的芯棒上以不超過(guò)15r/min的速度緊密纏繞8圈，鋼絲鍍層不應(yīng)出現(xiàn)開(kāi)裂或者脫落。

為保證石籠網(wǎng)網(wǎng)面的整體性，網(wǎng)面的邊絲和端絲應(yīng)采用大于網(wǎng)面網(wǎng)絲直徑的鋼絲。

四、結(jié)論

石籠網(wǎng)防護(hù)作為一種生態(tài)防護(hù)，將其運(yùn)用于山區(qū)公路的邊坡防護(hù)工程中可以有效解決工程與環(huán)境的沖突。施工完成后的石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)公路邊坡防護(hù)還可以通過(guò)覆土栽培等措施進(jìn)行進(jìn)一步綠化從而提高道路的景觀價(jià)值。

本文通過(guò)建立有限元模型對(duì)三種結(jié)構(gòu)形式的石籠網(wǎng)公路邊坡防護(hù)進(jìn)行了研究，通過(guò)分析每種結(jié)構(gòu)形式在土壓力下的橫向位移和墻背土壓力分布得出以下結(jié)論：墻背直立式結(jié)構(gòu)墻身變形最小，抗傾覆能力較好，同時(shí)該結(jié)構(gòu)具有階梯式墻面給施工后的覆土綠化環(huán)節(jié)提供了便利，一般情況下推薦采用墻背直立式結(jié)構(gòu)作為石籠網(wǎng)邊坡防護(hù)的結(jié)構(gòu)形式。在土壓力較小的路段可以采用臺(tái)階式結(jié)構(gòu)，減少填挖方降低成本，但應(yīng)考慮到該結(jié)構(gòu)抗滑移能力較弱的特點(diǎn)。在抗滑移要求難以滿足的路段，可以選用墻面直立式結(jié)構(gòu)。