農(nóng)村公路邊坡防護(hù)的生態(tài)輕型樁最優(yōu)間距研究

摘要 生態(tài)輕型樁作為一種新型邊坡防護(hù)技術(shù)，能利用植物根系加固土體，具有低碳高效、環(huán)保節(jié)能等優(yōu)點。文章分析影響生態(tài)輕型樁間距的因素，并基于建模分析法及固土強(qiáng)度最大原則，利用Midas GTS NX軟件建立某農(nóng)村公路邊坡三維模型，計算生態(tài)輕型樁對邊坡縱、橫向的土體加固作用，提取剪應(yīng)力差與樁心距離的關(guān)系曲線，建立固土距離計算模型，計算出樁間距的最優(yōu)數(shù)值，旨在為類似工程應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞 農(nóng)村公路項目；生態(tài)防護(hù)；生態(tài)輕型樁；穩(wěn)定性；樁間距

中圖分類號 U417.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）13-0036-03

0 引言

傳統(tǒng)邊坡防護(hù)方法成本高、耗能多、效率低。近年來出現(xiàn)一種新型邊坡防護(hù)技術(shù)——生態(tài)輕型樁，其原理是利用植物根系加固土體，具有低碳高效、環(huán)保節(jié)能等優(yōu)點。生態(tài)輕型樁的間距設(shè)計是影響其防護(hù)效果的關(guān)鍵因素，目前尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，因此，有必要深入分析邊坡防護(hù)的生態(tài)輕型樁最優(yōu)間距設(shè)計方法。該文運用建模分析法及固土強(qiáng)度最大原則確定生態(tài)輕型樁最優(yōu)固土距離，為公路邊坡生態(tài)輕型樁間距的優(yōu)化設(shè)計提供思路[1]。

1 生態(tài)輕型樁間距的影響因素分析

生態(tài)輕型樁間距不合理會降低其防護(hù)效果。影響生態(tài)輕型樁間距的因素主要包括：

（1）邊坡坡度。邊坡坡度越大，土體越不穩(wěn)定，生態(tài)輕型樁間距應(yīng)相應(yīng)減小，以增加其抗滑能力。

（2）樁徑。樁徑越大，生態(tài)輕型樁的固土作用越強(qiáng)，生態(tài)輕型樁間距可適當(dāng)增大，以節(jié)約成本。

（3）土體性質(zhì)。土體性質(zhì)包括土體密實度、內(nèi)摩擦角、黏聚力等，會影響土體強(qiáng)度及變形特性。土體性質(zhì)較差時，生態(tài)輕型樁間距應(yīng)相應(yīng)減小，以提高固土效果。

（4）生態(tài)輕型樁與土體的相互作用。生態(tài)輕型樁和土體間存在剪切力、正應(yīng)力傳遞，且隨著距離增加而衰減。生態(tài)輕型樁與土體之間的相互作用越強(qiáng)，所需生態(tài)輕型樁間距越小[2]。

2 生態(tài)輕型樁固土模型建立

生態(tài)輕型樁固土間距受多種因素影響，變量多且難取舍。該文采用Midas GTS NX軟件建立巖土結(jié)構(gòu)模型，有助于解決此類復(fù)雜的非線性問題[3-4]。該文利用Midas GTS NX構(gòu)建某農(nóng)村公路邊坡三維模型，設(shè)置相應(yīng)本構(gòu)模型、邊界條件及荷載條件，邊坡橫斷面如圖1所示。

根據(jù)圖1可知，邊坡橫斷面為三級邊坡，上部坡度為1∶1.5，中部坡度為1∶2，下部坡度為1∶1.25，邊坡模型及應(yīng)力提取方向如圖2所示，生態(tài)輕型樁布置在邊坡中部，樁體與坡面垂直，樁長設(shè)為0.8 cm，樁徑為0.1 m，樁心與邊坡邊界距離均為10 m。邊坡模型材料參數(shù)如表1所示。

3 樁間距分析

3.1 縱向固土距離確定

選擇模型中邊坡縱向剪應(yīng)力作為研究對象，與未使用生態(tài)輕型樁時的縱向剪應(yīng)力作對比，以明確其土體加固效果。繪制使用/未使用生態(tài)輕型樁兩種情況下的邊坡剪應(yīng)力（圖3）以及邊坡縱向剪應(yīng)力差與縱向樁心距離的關(guān)系曲線（圖4），其中以樁心為原點，橫坐標(biāo)為縱向樁心距離，縱坐標(biāo)為剪應(yīng)力[5]。

從圖3中可以看出，未使用生態(tài)輕型樁時，邊坡縱向剪應(yīng)力恒定，大小為14.630 kPa，使用生態(tài)輕型樁時，樁心處剪應(yīng)力最小，為13.866 kPa，距離樁心距離越遠(yuǎn)，剪應(yīng)力越大，增大到與未使用生態(tài)輕型樁時的剪應(yīng)力相等后增幅可忽略不計，表明以樁心為中心的特定區(qū)域內(nèi)，生態(tài)輕型樁能顯著減小剪應(yīng)力作用。

圖4為邊坡縱向剪應(yīng)力差的變化情況，據(jù)圖可知生態(tài)輕型樁對邊坡縱向剪應(yīng)力的影響，有樁、無樁情況下的剪應(yīng)力差都會隨著樁心距離的變化而變化。樁心處剪應(yīng)力差最大為0.776 kPa，說明生態(tài)輕型樁對邊坡土體有最大的加固作用。隨著樁心距離的增加，剪應(yīng)力差逐漸減小，直到縱向距離樁心0.45 m時，剪應(yīng)力差降至0 kPa，說明生態(tài)輕型樁對邊坡土體的加固作用消失。因此，0.45 m為固土距離，該距離反映了生態(tài)輕型樁在邊坡縱向上的土體加固范圍[6-7]。

3.2 生態(tài)輕型樁橫向固土距離分析

3.2.1 邊坡橫向上部固土距離分析

為分析生態(tài)輕型樁對邊坡橫向的加固作用，提取邊坡模型中生態(tài)輕型樁橫向上部剪應(yīng)力，與無生態(tài)輕型樁時的剪應(yīng)力進(jìn)行比較分析。以輕型樁為樁心，以與樁心橫向距離為橫坐標(biāo)，以坡體剪應(yīng)力為縱坐標(biāo)，分析方向相同時，使用生態(tài)輕型樁、未使用生態(tài)輕型樁時邊坡坡體橫向剪應(yīng)力（圖5），剪應(yīng)力差與樁心距離的關(guān)系（圖6）。

從圖5可以看出，兩種情況下，邊坡橫向上部剪應(yīng)力變化趨勢大體相同，即樁心位置的橫向剪應(yīng)力最大，且與橫向樁心距離成反比。無樁時，剪應(yīng)力最大為14.919 kPa，有樁時，剪應(yīng)力值最大為14.761 kPa，可見生態(tài)輕型樁可以降低邊坡橫向上部一定范圍內(nèi)的剪應(yīng)力。

從圖6中可以看出，有、無生態(tài)輕型樁時橫向上部剪應(yīng)力差隨著與樁心距離變化而變化。使用生態(tài)輕型樁時，橫向距離樁心0.40 m區(qū)域內(nèi)的剪應(yīng)力小于未使用無生態(tài)輕型樁時的剪應(yīng)力，0.40 m區(qū)域外二者的剪應(yīng)力曲線重疊。剪應(yīng)力差值隨著橫向樁心距離增大而增大，距離為0.71 m時，剪應(yīng)力差最大，為0.044 6 kPa。隨后逐漸降低，距離為1.38 m時，剪應(yīng)力差降至0 kPa，說明生態(tài)輕型樁對邊坡土體的加固作用消失，因此，1.38 m是生態(tài)輕型樁在橫向上部固土距離，反映了生態(tài)輕型樁在橫向上部的加固范圍[8]。

3.2.2 邊坡橫向下部固土距離分析

為分析生態(tài)輕型樁對邊坡橫向下部的土體加固作用，將使用無生態(tài)輕型樁時的邊坡模型橫向下部剪應(yīng)力與無生態(tài)輕型樁時的剪應(yīng)力進(jìn)行比較分析，得到方向相同時有、無生態(tài)輕型樁時邊坡橫向下部剪應(yīng)力（圖7）及剪應(yīng)力差與橫向樁心距離的關(guān)系（圖8）。

從圖7～8中可以看出，生態(tài)輕型樁可降低邊坡橫向下部一定區(qū)域內(nèi)的剪應(yīng)力。橫向距樁心0.73 m區(qū)域內(nèi)，有樁的邊坡剪應(yīng)力小于無樁的邊坡剪應(yīng)力。橫向距離樁心0.87 m時，剪應(yīng)力差最大，說明生態(tài)輕型樁對邊坡土體有最大的加固作用。橫向距離樁心1.28 m時，剪應(yīng)力差降至0 kPa，說明生態(tài)輕型樁對邊坡土體的加固作用消失。因此，1.28 m是生態(tài)輕型樁在橫向下部的固土距離，反映了生態(tài)輕型樁在橫向下部的加固范圍。

3.3 多級邊坡生態(tài)輕型樁最優(yōu)間距分析

邊坡較高或較陡時需分多級放坡，因此，以最高一級邊坡為基準(zhǔn)，考慮自重荷載和邊坡穩(wěn)定性，計算三級邊坡在不同條件下的生態(tài)輕型樁樁間間距，具體結(jié)果見表2，包括三種坡度（1∶0.75，1∶1.00和1∶1.25）和兩種樁徑（10 cm、12 cm）下的生態(tài)輕型樁樁間距設(shè)計值。

根據(jù)表2可知，生態(tài)輕型樁的固土距離受到坡度、樁徑、邊坡等級等因素的影響。樁徑不變的前提下，樁距與坡度成反比；坡度不變的前提下，樁距與樁徑成正比，與邊坡等級成反比。為考慮這些因素對生態(tài)輕型樁固土距離的影響，建立如下固土距離計算模型：

y=k[msin（px+q）+n] （1）

式中，y——坡面不同方向固土距離（m）；p——邊坡坡度系數(shù)，取值范圍0～1，邊坡越陡取值越小；m——邊坡等級系數(shù)，取值范圍?1～1，與等級成反比；x——坡面不同方向與坡面縱向距離軸的夾角（rad）；k——植物根系指數(shù)，不同類型植物的k值不同，喬木k=0.829 5，灌木k=0.312 7，草本k=0.254 8；q——生態(tài)輕型樁樁徑關(guān)聯(lián)系數(shù)，取值范圍0～0.5，與樁徑成反比；n——常數(shù)項。

利用該公式求解生態(tài)輕型樁在邊坡中的最優(yōu)固土距離ymin即固土強(qiáng)度最大的距離為最優(yōu)固土距離，最佳樁間距=固土距離×2。

4 結(jié)語

生態(tài)輕型樁作為新型邊坡防護(hù)樁，其原理是借助植物根系加固土體。生態(tài)輕型樁的間距設(shè)計關(guān)系到最終防護(hù)效果。該文基于數(shù)值模擬方法研究了生態(tài)輕型樁的邊坡固土效果，探討了固土距離、剪應(yīng)力差之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，主要結(jié)論如下：

（1）分析邊坡的坡度、坡高和生態(tài)輕型樁間距對邊坡穩(wěn)定性的影響。

（2）采用強(qiáng)度折減法和Midas GTS NX軟件，計算了生態(tài)輕型樁防護(hù)下的邊坡在縱、橫方向上的剪應(yīng)力差，根據(jù)固土強(qiáng)度最大原則，確定了縱、橫方向上的固土距離。

（3）考慮生態(tài)輕型樁樁徑、邊坡坡度和分級放坡的情況下建立了生態(tài)輕型樁固土距離計算模型，得到生態(tài)輕型樁的最優(yōu)樁間距。

（4）該文提出的數(shù)值模擬分析方法可作為公路邊坡生態(tài)輕型樁間距設(shè)計的有效手段。

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