厚層基材噴射植被護坡技術中錨桿力學行為分析與研究

郭春麗，朱德濱

(西南林業大學交通機械與土木工程學院，昆明650224)

植被護坡是利用植被涵水固土的原理穩定巖土邊坡同時美化生態環境的一種新技術，是涉及巖土工程、恢復生態學、植物學、土壤肥料學等多學科于一體的綜合工程技術［1］。該技術應用于實踐的歷史久遠，早期主要用于河堤護岸及荒山治理，近十多年才廣泛應用于道路的邊坡防護。

植被護坡方法種類繁多，厚層基材噴射植被護坡技術主要用于如散播、植生帶、框格植被、三維植被網等無法應用的巖石邊坡防護［2］。

1 基本組成

厚層基材噴射植被護坡是采用混凝土噴射機把基材與植被種子的混合物按設計厚度均勻噴射到需要防護的邊坡坡面的綠色護坡技術［1］。基層材料結構類似于自然土壤且能夠貯存水分和養分，解決了巖石邊坡無法生長植物的困境。由于噴射的基材厚度較大，一般為5～15cm，有脫落、崩塌危險，為使噴射的基材穩固在巖石坡面上，需要在基材噴射前在坡面預鋪鋼絲繩網或鐵絲格柵來加固噴射的基層材料。

厚層基材噴射植被護坡技術除了對邊坡起到穩定和加固作用外，同時還能避免邊坡受到沖刷剝蝕和風化的威脅，而且對坡面形態無特殊要求，可用于穩定巖體或工程措施處理過的不穩定巖體邊坡［3－4］。其構造示意圖如圖1所示，主要由鋼筋錨桿、鐵絲格柵和基層材料三部分組成。

鋼筋錨桿和鐵絲格柵通過錨墊螺栓連接成一個整體結構，使基層材料和巖體坡面緊貼在一起，提供給綠色植物一個開放的自由的生長空間。鋼筋錨桿可以增加邊坡及基層材料間的抗拉、抗剪性能，還可以阻止和減緩護坡體的滑移和滑塌。坡面上通過錨墊螺栓連接在鋼筋錨桿上的鐵絲格柵是發揮鋼筋錨桿有效作用的重要組成部分。

在坡面護坡體系中，鋼筋錨桿、鐵絲格柵與邊坡巖土體共同承擔風、雨、雪等附加應力及基層材料的自重應力，巖體結構類型、邊坡高度不同，鋼筋錨桿的錨固深度和縱橫間距亦不相同。

圖1 厚層基材噴射植被護坡基本組成Fig.1 Basic components of thick layer base material praying bio－slope－engineering

2 適用條件

厚層基材噴射植被護坡技術主要適用于以下條件［5］。

(1)年平均降水量600～3000mm，連續干旱的天數在50d以內，且為非嚴寒地區;

(2)邊坡坡面在1∶0.3范圍內的堅硬巖石邊坡和工程措施處理后的穩定坡面，如混凝土面、漿砌片石護坡坡面等。

(3)植物無法生長的軟質巖石邊坡、土夾石邊坡及土質邊坡等。

3 工程概況及原材料相關技術指標

云南省安楚高速公路位于滇中高原中部，地形復雜，盆嶺相間，起伏明顯，屬高原構造，以中山，低中丘陵為主。公路沿線干濕季節明顯，降雨量受地形影響大，年平均降雨量為2 914～1 533mm，且降雨多集中在6～10月，占全年降雨量80%以上。該公路是昆明通往滇西北、滇西南的重要通道，是關系云南旅游業發展的重要道路，其邊坡防護在考慮水土保持、恢復生態環境的同時，強調景觀效果。通過對沿線植物資源調查及沿線氣候、土壤等綜合環境條件分析，厚層基材噴射植被護坡技術可用于大部分路段的穩定巖石邊坡防護。

主要原材料技術指標如下:錨桿為Ⅱ級Φ16鋼筋;鐵絲格柵由12號鍍鋅鐵絲組成，孔眼大小為5cm×5cm，相鄰兩卷鐵絲格柵需用細鐵絲連接;基層材料噴射厚度約為10cm，主要由粘土、植物種子、保水劑、高分子凝結劑、植物生長劑、長效復合綠化專用肥料和木質纖維等組成。

4 鋼筋錨桿受力狀況分析

安楚高速公路厚層基材噴射植被護坡路段巖石邊坡主要有1∶0.5、1∶0.75和1∶1幾種不同形式，本文對上述不同坡比的石灰巖深層穩定邊坡中鋼筋錨桿受力進行了分析計算。

4.1 確定護坡體系不穩定滑動面

考慮到坡體為深層穩定巖石邊坡，則巖石坡面與基層材料的接觸面OA應為可能存在的不穩定滑動面，如圖2(a)所示。

圖2 厚層基材噴射植被護坡的作用力Fig.2 Applied forces of thick layer base material spraying bio－slope－engineering

4.2 計算坡面上鋼筋錨桿實際總拉力Tk

鋼筋錨桿是錨固于巖石邊坡體系深處的受拉構件，它一端與鐵絲格柵通過錨墊螺栓連接成整體加強坡面上基層材料的穩定性，另一端錨固在穩定的巖層內，整根錨桿長度可分為自由段和錨固段。自由段是指不穩定滑動面以上露出坡面的區段，錨固段是指通過注漿將鋼筋錨桿與邊坡體系粘結的那部分區段，通過錨固段與邊坡體系間的粘結摩阻力作用可將自由段收到的拉力傳至穩定巖體內部。錨桿自由段長度lf約為15cm。錨固段長度即為錨固深度la一般根據設計拉力來估算。

鋼筋錨桿承受的總拉力T主要是由基層材料的自重應力產生。為了進行理論分析，需對巖石邊坡體系進行相應的假設:

(1)邊坡體系和鋼筋錨桿均為為連續、均質、各向同性的彈性介質體系，錨桿沿邊坡坡面均勻分布在巖石邊坡體系之中;

(2)鋼筋錨桿固定的基層材料為兩向等壓均勻分布的條形平面，即應考慮為平面應變問題;

(3)鋼筋錨桿系桿件體，其上各斷面的軸向應力是均勻分布的。

根據以上三方面的假定條件，以高H寬s的坡面上的鐵絲格柵和基層材料共同體為研究對象。作用在共同體上的作用力如圖2(b)所示。

(1)基層材料和鐵絲格柵的自重G:

式中:s為鋼筋錨桿縱橫間離 (m);ρ為基層材料與鐵絲格柵的總密度，由試驗數據可知ρ≈1.8×103kg/m3;g為重力加速度，一般取9.8N/kg，在計算時為了方便取g=10N/kg;h為基層材料的厚度h≈10cm;H為邊坡的高度 (m)。

(2)坡體對共同體的作用力N':

坡體對共同體的沿滑動面OA向上的摩擦力f'和坡體對共同體沿滑動面OA法向的支撐力N的合力。N'與滑動面OA的法線間的夾角應等于基層材料的內摩擦角φ，由試驗數據可知φ=23.4°。

(3)坡面上所有鋼筋錨桿對共同體的拉力T:

拉力T與滑動面OA垂直，大小需通過計算確定。

當護坡體系處于穩定狀態時，鐵絲格柵和基層材料共同體應處于靜力平衡狀態，則:

由(1)、(2)(3)式得:

當護坡體高H寬s時，坡面上所有鋼筋錨桿總的拉力T(N):

考慮到風、雨、雪自然條件變化和沖刷沉積造成的外來荷載等的影響，鋼筋錨桿實際總拉力Tk，應考慮乘以一個安全系數K。一般情況下K=1.7～2.5，對永久工程需取較大值，可取K=2.5。則，

4.3 鋼筋錨桿整體穩定性分析與計算

鋼筋錨桿受力穩定性既受到鋼筋軸向抗拉強度限制，同時還受到錨固段的抗拔力影響。而鋼筋軸向抗拉強度容易確定且可滿足使用要求;但錨固段的抗拔力的影響因素較復雜，將是影響單根錨桿極限承載力的關鍵所在。

4.3.1 鋼筋錨桿軸向抗拉強度計算鋼筋錨桿的抗拉力可按(7)式計算［6］:

式中:E為鋼筋錨桿的抗拉力(kN);d為鋼筋錨桿的直徑(mm);fy為鋼筋錨桿抗拉強度設計值，fy=0.335 kN/mm2;

鋼筋錨桿的抗拉斷穩定性按(9)式驗算［5］:

式中，:Ti為單根鋼筋錨桿的拉力(kN);Kl為抗拉安全系數，Kl=1.8。

4.3.2 鋼筋錨桿的抗拔出分析與計算

阻止鋼筋錨桿錨固段從坡體中拔出的抗力一方面受到于坡體與錨固砂漿之間的粘結摩阻力限制，另一方面也受到鋼筋錨桿與砂漿間的粘結強度控制。

(1)坡體與錨固砂漿之間的粘結摩阻力由兩者間的結合強度確定。則單根鋼筋錨桿的錨固力R1可按(10)式計算［5］:

式中:dh為錨桿成孔直徑(mm)，對φ16鋼筋錨桿dh=25mm;la為錨桿的錨固長度(m);τ為錨固砂漿與石灰巖的結合強度(kN/m2)，τ=1000 kN/m2。因此:

(2)鋼筋錨桿與錨固砂漿間粘結強度控制的單根鋼筋錨桿錨固力R2，可按(12)式計算［5］:

式中:τg為鋼筋錨桿與錨固砂漿間的粘結強度(kN/m2)，τg=2400 kN/m2。因此:單根鋼筋錨桿的抗拔力R由R1和R2中的小值來控制。則，R=R1=78.5lα。

鋼筋錨桿抗拔出穩定性可由(14)式驗算:

式中:Kn為錨桿的抗拔安全系數，Kn=1.8。

4.4 鋼筋錨桿錨固段長度確定

當鋼筋錨桿剛好滿足抗拉斷穩定性設計時單根錨桿所能承受的最大拉力為Ta:

式中:Ta為剛好滿足抗拉斷穩定性設計時單根鋼筋錨桿所能承受的最大拉力(kN)。

當鋼筋錨桿剛好滿足抗拔出穩定性設計時，單根錨桿所能承受的最大拉力為Tb:

式中:Tb為剛好滿足抗拔出穩定性設計時單根鋼筋錨桿所能承受的最大拉力(kN)。

當鋼筋錨桿同時滿足抗拉斷和抗拔出穩定性要求時是既經濟又安全的，錨桿所能承受的最大拉力T0應由Ta和Tb中的小值確定，則:

Ta為一個確定值，Tb隨la成正比例變化。當 Ta=Tb時，鋼筋錨桿既能充分發揮作用又能滿足安全經濟性要求。此時

式中:T0為滿足安全經濟性要求時單根鋼筋錨桿所受的最大拉力(kN)。

考慮到坡體風化、破碎程度等因素的影響素，實際最佳錨固段長度需適當增加，即:

式中:μ為坡體風化、破碎等因素的影響系數。

4.5 鋼筋錨桿縱橫間距計算與確定

護坡體系高為H寬為s時，坡面上鋼筋錨桿呈矩形布置時會有以下分布規律:

式中:n為鋼筋錨桿的根數;H為邊坡高度(m);α為邊坡體的傾角(°);s為錨桿縱橫間距(m)。

由公式(5)和公式(6)可得:

將公式(20)代入公式(21)得:

由此可知，錨桿縱橫間距會受到邊坡坡度和高度的影響，考慮到施工質量、自然條件變化等影響因素，錨桿的實際最佳縱橫間距應適當減少。

式中:η為施工質量和自然條件變化的影響系數。

將不同坡度和不同高度的限制條件代入公式(22)和公式(23)可得出鋼筋錨桿實際最佳縱橫間距ss見表1。

表1 不同坡度和高度巖體中錨桿的實際最佳間距Tab.1 Optimal span of anchor in the rocks with different slopes and heights

5 結 論

(1)通過對基層材料進行受力分析，根據靜力平衡條件及自然因素、外荷載等因素的影響，可求出寬s、高H的邊坡坡面上布置的所有鋼筋錨桿受到的總的實際拉力Tk。

(2)通過對鋼筋錨桿軸向抗拉和抗拔出的分析與計算可知，當錨桿同時滿足抗拉斷和抗拔出穩定性要求時是既經濟又安全的，錨桿所能承受的最大拉力T0達到最理想狀態，此時錨桿既能充分發揮作用，又能滿足安全經濟性要求。在石灰巖邊坡體系中錨固段的長度la=0.95m，不受邊坡坡度和高度的限制，且與實踐中的錨固深度基本相吻合。

(3)根據巖體邊坡坡面上所布置錨桿的根數規律以及在抗拉斷穩定性和抗拔穩定性之間尋求到的最佳平衡點，即可得出錨桿實際縱橫間距ss。但是ss會受到邊坡坡度和高度的影響，這也與實際施工中設置的錨桿間距基本吻合。

［1］周德培，張俊云.植被護坡工程技術［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［2］劉本同，錢 華，何志華，等.我國巖石邊坡植被修復技術現狀和展望［J］.浙江林業科技，2004(3):48－55.

［3］沈建海，丁 堅，秦燕華，等.客土噴播技術在邊坡生態防護中的應用［J］.紹興文理學院學報(自然科學版)，2009(1):76－78.

［4］楊 林，佴 磊，劉永平.滑波穩定性分析及削坡減載在工程中的應用［J］.森林工程，2005，21(4):24－26.

［5］馬業禹，艾國棟.節理巖邊坡長短相間錨桿支護系統分析［J］.工路工程，2007，32(6):65 －69.

［6］郭春麗，李利明.錨桿在客土噴播技術中的受力狀況分析［J］.林業建設，2008(5):44－48.