淺析土工格室生態(tài)護(hù)坡抗沖刷性能

結(jié)合簡陽空港大道路塹邊坡綠化工程，用土工格室生態(tài)護(hù)坡原材料開展降雨沖刷試驗(yàn)。通過模擬降雨環(huán)境下土工格室拉線位移傳感器的反饋數(shù)據(jù)研究，對(duì)比三種工況下的位移分析后提出，減小土工格室焊距與格室內(nèi)植被土填充厚度可有效提高土工格室的承載力。經(jīng)實(shí)施，該工藝對(duì)邊坡抗沖刷性能有一定提升作用。

土工格室； 焊距； 植被土； 填充厚度； 抗沖刷性能

U417.1+2B

［定稿日期］2024-08-23

［基金項(xiàng)目］四川華西集團(tuán)科技項(xiàng)目課題（項(xiàng)目編號(hào)：HXKX2021025）

［作者簡介］趙兵（1976—），男，本科，高級(jí)工程師，主要從事工程管理工作。

0 引言

目前關(guān)于土工格室護(hù)坡的穩(wěn)定性分析主要分為極限平衡法與數(shù)值仿真分析方法。張季如等［1］提出了格室穩(wěn)定分析的計(jì)算方法，分析了邊坡坡度、鉚釘間距、格室深度以及土工格柵加筋對(duì)格室穩(wěn)定性的影響。李忠臣［2］基于張季如提出的土工格室穩(wěn)定分析模型，將其應(yīng)用于京張高鐵坡率為1∶0.3的高陡巖質(zhì)邊坡工程中，計(jì)算分析了不同坡率和固土深度工況下對(duì)土工格室材料強(qiáng)度的要求，并對(duì)邊坡土工格室表面監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。任敏松［3］基于強(qiáng)度系數(shù)折減法和流固耦合理論，利用有限元分析軟件ABAQUS對(duì)選取的工程邊坡進(jìn)行了三維有限元模擬，通過比較不同降雨強(qiáng)度條件下邊坡的安全系數(shù)以及72 h的降雨過程中坡體內(nèi)部的各項(xiàng)參數(shù)變化情況得到降雨對(duì)工程邊坡的整體穩(wěn)定性的影響情況。左政等［4］通過對(duì)焊接、插接、鉚接3種結(jié)點(diǎn)連接方式的土工格室進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)，研究了結(jié)點(diǎn)連接方式對(duì)土工格室條帶性能的影響，比較了在不同受力狀態(tài)下結(jié)點(diǎn)的失效模式及抗拉強(qiáng)度。

本文在前人工作的基礎(chǔ)上采用模擬實(shí)驗(yàn)研究土工格室護(hù)坡在降雨過程中的破壞機(jī)理，然后在此基礎(chǔ)上，采用數(shù)值分析的方式研究土工格室規(guī)格與格室深度對(duì)護(hù)坡抗沖刷性能的影響規(guī)律及其程度。

1 工程概況

簡陽空港大道K0+000～K8+715.509段綠化工程路線兩側(cè)路塹邊坡采用土工格室生態(tài)護(hù)坡防護(hù)，該地區(qū)為四川盆地中亞熱帶濕潤氣候，年總降水量平均值 895.6 mm。

應(yīng)用項(xiàng)目生態(tài)護(hù)坡采用的土工格室高度為100 mm，焊接間距為1 000 mm，片材厚度為1.3 mm。錨桿采用Q23520 mm鋼筋，坡面錨桿布置見圖1。

生態(tài)護(hù)坡的施工順序?yàn)椋浩旅嬲怼潘O(shè)施施工—坡面錨桿施工—掛土工格室—格室內(nèi)充填植被土—噴播生態(tài)基質(zhì)—蓋無紡布養(yǎng)護(hù)。其中植被土與生態(tài)基質(zhì)的基本物理指標(biāo)見表1。

2 降雨沖刷試驗(yàn)

為研究土工格室護(hù)坡與其表層生態(tài)基質(zhì)層在降雨時(shí)的破壞機(jī)理，本文取一個(gè)錨桿間距的土工格室區(qū)域邊坡開展降雨模擬試驗(yàn)，依次安裝錨桿、土工格室、填充填料層、噴播生態(tài)基質(zhì)層，生態(tài)基質(zhì)層養(yǎng)護(hù)3天后進(jìn)行降雨沖刷試驗(yàn)。以土工格室發(fā)生斷裂或格室內(nèi)土壤流失能見基巖時(shí)為土工格室生態(tài)護(hù)坡破壞條件。

2.1 試驗(yàn)過程

2.1.1 安裝邊坡模型

在降雨箱內(nèi)安裝1∶1坡率的2.2 m×2.2 m×15 cm（長×寬×高）邊坡模型，在模型邊坡的四角與中心位置安裝一根U性螺桿模擬U型錨桿，螺桿斜距為1.5 m。

2.1.2 安裝土工格室

先固定螺桿處土工格室，然后用鐵絲固定坡頂、坡度、兩個(gè)順坡邊界，使模型內(nèi)土工格室處于安全拉伸狀態(tài)。

2.1.3 粘貼應(yīng)變片

選擇邊坡中間上、中、下土工格室連接處，沿連接點(diǎn)四邊分別粘貼一個(gè)單軸應(yīng)變片，共計(jì)12個(gè)應(yīng)變片。

2.1.4 填充植被土并安裝位移傳感器

當(dāng)植被土填充厚度5 cm時(shí)，埋置拉線位移傳感器的活動(dòng)端，在水平固定拉線位移傳感器的固定端，然后繼續(xù)填充植被土直至10 cm厚度。

2.1.5 噴播基質(zhì)層

基質(zhì)噴播厚度為5 cm，基質(zhì)噴播后養(yǎng)護(hù)3天進(jìn)行降雨沖刷試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

以10 mm/min雨強(qiáng)持續(xù)降雨10 min時(shí)，對(duì)應(yīng)降雨量為100 mm（大暴雨天氣），土工格室未出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，也未出現(xiàn)格式內(nèi)植被土明顯流失現(xiàn)象，邊坡整體無滑動(dòng)趨勢，坡面無嚴(yán)重沖蝕現(xiàn)象，即在大暴雨天氣下，該土工格室與基質(zhì)邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

當(dāng)繼續(xù)降雨時(shí)，坡面沖蝕情況逐漸較嚴(yán)重，土工格室單元格內(nèi)土體含水率快速上升，土體由軟塑狀態(tài)逐步過渡到流塑狀態(tài)，在自重作用下基質(zhì)層沿邊坡逐漸流失，填料層沿邊坡向下緩慢滑動(dòng)，導(dǎo)致單元格內(nèi)土體與土工格室上側(cè)邊界逐漸脫離形成空隙，雨水流入土工格室內(nèi)且不能及時(shí)排出，進(jìn)一步增加單元格內(nèi)土體自重。隨著降雨量增大，土工格室內(nèi)土體自重快速增大，土工格室的內(nèi)力逐漸增大，直至內(nèi)力超過土工格室焊接點(diǎn)抗拉強(qiáng)度，土工格室發(fā)生破壞，內(nèi)部土體隨之發(fā)生整體滑移破壞。土工格室斷裂后破壞過程見圖2。

3 抗沖刷性能分析

針對(duì)降雨時(shí)土工格室生態(tài)護(hù)坡的破壞模式，可采用降低格室內(nèi)填料厚度減輕自重或減小土工格室焊距的方式提高土工格室的承載力，進(jìn)而提升生態(tài)護(hù)坡的抗沖刷性能。因此，本文設(shè)計(jì)表2中3種工況，采用ABAQUS有限元軟件數(shù)值分析土工格室邊生態(tài)護(hù)坡降雨入滲過程。

3.1 建模流程

工況1～工況3建模流程一致，僅需改變土工格室的焊距及其內(nèi)部填料的厚度即可分析對(duì)應(yīng)工況。

3.2 計(jì)算結(jié)果

數(shù)值仿真計(jì)算內(nèi)容包括土工格室生態(tài)護(hù)坡的整體位移，錨桿的位移與應(yīng)力，土工格室的位移與應(yīng)力。

3.2.1 工況1計(jì)算結(jié)果

本工況的邊坡最大位移為1.74 mm；錨桿最大應(yīng)力為111.2 MPa，最大位移為0.64 mm；土工格室最大應(yīng)力為0.89 MPa，最大位移為1.65 mm，節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力為0.504 MPa，計(jì)算結(jié)果見圖3。

3.2.2 工況2計(jì)算分析

本工況的邊坡最大位移為1.47 mm；錨桿最大應(yīng)力為176.1 MPa，最大位移為0.76 mm；土工格室最大應(yīng)力為0.62 MPa，最大位移為1.38 mm，節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力為0.612 MPa，總體計(jì)算結(jié)果見圖4。

3.2.3 工況3計(jì)算分析

本工況的邊坡最大位移為0.99 mm；錨桿最大應(yīng)力為118.5 MPa，最大位移為0.51 mm；土工格室最大應(yīng)力為0.42 MPa，最大位移為0.92 mm，節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力為0.309 MPa，總體計(jì)算結(jié)果見圖5。

3.3 結(jié)果分析

對(duì)比工況1與工況3計(jì)算結(jié)果，在相同條件下，當(dāng)土工格室的焊距由1 000 mm減小為330 mm時(shí)，工況3除錨桿最大應(yīng)力較工況1略有增大，但仍小于錨桿抗拉強(qiáng)度205 MPa，其余各項(xiàng)計(jì)算內(nèi)容的結(jié)果均較工況1明顯降低，其中土工格室最大節(jié)點(diǎn)應(yīng)力為控制項(xiàng)，工況3較工況1的最大節(jié)點(diǎn)應(yīng)力降低22.62%，即在相同條件下承載力提升22.62%，各項(xiàng)內(nèi)容計(jì)算結(jié)果及對(duì)比見表3。

對(duì)比工況2與工況3計(jì)算結(jié)果，在相同條件下，當(dāng)土工格室內(nèi)填料層厚度由10 cm減小為5 cm時(shí)，工況3各項(xiàng)計(jì)算內(nèi)容的結(jié)果均較工況2有明顯降低，其中土工格室的最大節(jié)點(diǎn)應(yīng)力為控制項(xiàng)，工況3較工況2的最大節(jié)點(diǎn)應(yīng)力降低36.27%，即在相同條件下承載力提升36.27%，各項(xiàng)計(jì)算內(nèi)容結(jié)果及對(duì)比見表4。

4 項(xiàng)目應(yīng)用

基于以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，簡陽空港大道項(xiàng)目采用了高陡邊坡土工格室防護(hù)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，對(duì)土工格室焊距與格室內(nèi)植被土填充厚度進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整。在基材噴播3～20天后，植物種子開始發(fā)芽，在30～60天時(shí)形成草坪，植被的覆蓋率在70%以上，如圖6所示。施工過程中的滑坡情況得到了一定程度的改善，在強(qiáng)降雨天氣下表現(xiàn)出較好的抗沖刷性。

5 結(jié)論

本文降雨沖刷試驗(yàn)所述土工格室生態(tài)護(hù)坡所能承受的極限降雨量為100 mm，對(duì)應(yīng)極端條件為大暴雨天氣。在相同條件下，當(dāng)土工格室焊距由1 000 mm減小為330 mm時(shí)，土工格室承載力提升22.62%；當(dāng)土工格室內(nèi)種植土厚度由10 cm減小為5 cm時(shí)，土工格室承載力提升36.27%；即減小土工格室焊距與格室內(nèi)植被土填充厚度可有效提高土工格室的承載力，故綜合建議施工時(shí)合理選擇采土工格室的焊距與植被土厚度，進(jìn)而提高土工格室生態(tài)護(hù)坡在極端惡劣天氣下的抗沖刷性能。

土工格室系統(tǒng)分層疊砌時(shí)，可形成一個(gè)滿足項(xiàng)目特定的所有結(jié)構(gòu)要求的經(jīng)濟(jì)的擋土墻。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活，并通過完全植被化墻面給人以審美享受。外層土工格室露出填土所形成的水平露臺(tái)，使植被能蓬勃生長。該系統(tǒng)能擷取雨水并控制地下水蒸發(fā)，為植被創(chuàng)造一個(gè)更自然的環(huán)境。

參考文獻(xiàn)

［1］ 張季如，朱瑞賡，程序橋.土工格室用于巖石邊坡植被侵蝕防護(hù)的穩(wěn)定性分析［J］.巖土力學(xué)，2003（3）：359-362.

［2］ 李忠臣.土工格室在高陡巖質(zhì)邊坡防護(hù)體系中的應(yīng)用［J］.路基工程，2021（1）：179-182.

［3］ 任敏松. 基于ABAQUS的土工格室生態(tài)邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2015.

［4］ 左政，楊廣慶，劉英，等.土工格室不同結(jié)點(diǎn)連接方式失效機(jī)制試驗(yàn)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2021，43（9）：1682-1690.

［5］ 何文斌.土工格室護(hù)坡的施工工藝［J］.交通世界（建養(yǎng).機(jī)械），2013（7）：166-167.

［6］ 李秀蘭.淺談高速公路植物防護(hù)的施工工藝［J］.青海交通科技，2011（6）：45+47.

［7］ 王廣月，王云.土工格室生態(tài)邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析［J］.應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2016，24（5）：924-933.