高陡巖質(zhì)邊坡錨桿

1. 引言
　　（1）在我國經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的今天，各種道路、水、電、城鎮(zhèn)等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)迅猛發(fā)展[1]，大量山體被開挖，導(dǎo)致了各種形式的地質(zhì)與環(huán)境問題：植被破壞，巖石邊坡裸露，引發(fā)了水土流失、泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，人工巖土邊坡不斷增加，同時局部氣候惡化，食物鏈被破壞，嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境保護(hù)與水土保持工作[2]。
　　圖1 錨桿——土工網(wǎng)墊生態(tài)護(hù)坡技術(shù)結(jié)構(gòu)示意圖
　?。?）因此，亟須一種經(jīng)濟(jì)適用、長期有效的巖質(zhì)高陡邊坡的生態(tài)防護(hù)技術(shù)解決此類問題。目前高陡巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的研究，大多集中于植物根系固土作用，較少將坡面綠化穩(wěn)定及坡體穩(wěn)定作為研究內(nèi)容。鑒于此，本文針對一種巖質(zhì)高陡邊坡生態(tài)防護(hù)的新型技術(shù)——錨桿——土工網(wǎng)墊噴播生態(tài)護(hù)坡結(jié)構(gòu)，重點分析其在不同邊坡高度下穩(wěn)定性，經(jīng)FLAC3D模擬得到穩(wěn)定性系數(shù)，分析其加固效果。
　　2. 錨桿——土工網(wǎng)墊噴播生態(tài)護(hù)基本原理
　　錨桿——土工網(wǎng)墊噴播生態(tài)防護(hù)技術(shù)是指在通過錨桿加固邊坡巖體的同時，利用錨桿固定土工網(wǎng)墊，并在土工網(wǎng)墊內(nèi)噴播植生基材，待植被生長后達(dá)到坡面綠化效果，植被根系嵌入淺層巖體，增強淺層護(hù)坡作用，將坡面綠化防護(hù)與深層固坡有機結(jié)合從而使巖質(zhì)邊坡整體穩(wěn)定[3]。錨桿——土工網(wǎng)墊噴播生態(tài)防護(hù)結(jié)構(gòu)主要包括錨桿、土工網(wǎng)墊、植生基質(zhì)三部分[4]，其結(jié)構(gòu)組成見圖1。 　　3. 數(shù)值模擬及計算分析
　　擬采用三種邊坡形式進(jìn)行數(shù)值模擬：A邊坡未支護(hù) 、B邊坡進(jìn)行錨桿土工網(wǎng)墊噴播植草生態(tài)護(hù)坡但植被未生長、C 邊坡進(jìn)行錨桿土工網(wǎng)墊噴播植草生態(tài)護(hù)坡且植被生長比較旺盛。
　　3.1 模型的建立。
　?。?）巖石錨桿——錨索（Cable）單元：FLAC3D內(nèi)設(shè)單元。錨索為彈塑性材料，拉壓屈服。
　?。?）植被主根系——錨索（Cable）單元：模擬忽略側(cè)根作用只考慮主根作用，主根生長發(fā)育穿過基質(zhì)進(jìn)入淺表層巖體形成坡面巖體——基質(zhì)——根系復(fù)合體，它的受力機理和錨桿的錨固機理相同，即抗剪力由摩擦力提供。因此用Cable單元來模擬植被根系。
　?。?）噴播植生層——殼（shell）單元：植生基材由植物種子、粘合劑、植壤土、土壤改良劑、緩釋肥、生物菌肥、保水劑等材料按一定配比均勻混合組成，可視為各項同性的線性彈性材料，因此用shell單元來模擬。
　　（4）復(fù)合纖維加筋土體——摩爾——庫倫理想彈塑性模型：植被根系——土工網(wǎng)墊——噴播植生層三者結(jié)合形成復(fù)合纖維加筋土。使用素土本構(gòu)模型來代替纖維加筋土本構(gòu)模型。
　?。?）邊坡巖體擬為摩爾——庫倫理想彈塑性模型，沿邊坡走向取單位長度1米，邊界條件設(shè)為底邊為豎向約束，左右兩側(cè)水平約束，坡面為自由邊界，屬于平面應(yīng)力問題。坡體基本網(wǎng)格劃分模型尺寸如圖3、圖4、圖5。為使計算結(jié)果更為精確，模擬采用趙尚毅、鄭穎人等提出的計算范圍：坡腳距同側(cè)計算邊界為1.5H，坡頂距同側(cè)計算邊界為2.5H。經(jīng)計算本文中邊坡滑裂面位置距坡腳同側(cè)邊界幾乎為零，故將其擴(kuò)大至2H，經(jīng)計算符合所需精度要求。
　　3.2 模型參數(shù)的選取。
　　選用模型的高度分別為35 m、45m、55m，其他主要參數(shù)見表1。
　　3.3 計算結(jié)果。
　　初始應(yīng)力為自重應(yīng)力下，計算所得的豎向應(yīng)力云圖、剪切應(yīng)變增量云圖、邊坡滑裂面位置如圖所示。
　　（1）同種生態(tài)結(jié)構(gòu)支護(hù)下不同高度剪切面、X方向位移比對。
　　圖3 高度分別為35M、45M、55M生態(tài)護(hù)坡的安全系數(shù)、剪切應(yīng)變圖
　　圖4 高度高度分別為35M、45M、55M生態(tài)護(hù)坡的X向位移等值線圖
　　圖5 35M高度下分別為未支護(hù)、錨桿支護(hù)、生態(tài)支護(hù)的滑裂面位置
　　（2）不同支護(hù)條件下同種邊坡高度滑裂面位置比對。
　　3.4 結(jié)果分析。
　　（1）在不同的高度、不同的支護(hù)類型下，高陡巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)計算結(jié)果如表2所示。
　?。?）從計算結(jié)果橫向、縱向?qū)Ρ缺砻?，隨著高度的增加，邊坡的穩(wěn)定性隨之下降，并且采用錨桿——土工網(wǎng)墊噴播植草護(hù)坡結(jié)構(gòu)比同等支護(hù)條件下錨桿支護(hù)所得的安全系數(shù)有小幅度的提高。植被的根系在地表淺層范圍內(nèi)分布廣泛，雖然本模擬只取了主根的錨固作用忽略了側(cè)根，但是從結(jié)果中可以看出應(yīng)用此項生態(tài)護(hù)坡技術(shù)，不僅提供了邊坡的穩(wěn)定性，而且達(dá)到了綠化、美觀的效果。
　?。?）從圖3至圖4，隨著邊坡高度的增加，滑裂面的位置明顯向坡體后側(cè)移動，坡頂和坡腳處的塑性變形逐漸增大，相同的支護(hù)條件下，單純的提高邊坡的高度，邊坡的穩(wěn)定性會明顯的降低。從圖5，滑裂面處的塑性變形逐漸的縮小，在未支護(hù)的時候邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.15，通過此項生態(tài)護(hù)坡技術(shù)支護(hù)后穩(wěn)定安全系數(shù)為1.3，滿足規(guī)范的要求。
　　　結(jié)論
　?。?）隨著邊坡高度的增大，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)普遍呈降低趨勢，邊坡高度變化程度成為影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素。
　?。?）經(jīng)復(fù)合型錨桿——土工網(wǎng)墊噴播結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固后邊坡穩(wěn)定性顯著提高，因此，該技術(shù)可用于高陡巖質(zhì)邊坡的生態(tài)防護(hù)，且加固效果良好。
　?。?）該支護(hù)體系植被根系加固作用不可忽略，其對邊坡淺層穩(wěn)定性的影響起決定性作用，但本文忽略了植被固有的生命屬性，如根系生長周期、根系無限生長性以及根系分泌物等，因此，從植被的固有生命體系出發(fā)，從微觀的角度分析其淺層穩(wěn)定性將更加的復(fù)合實際。