邊坡主動防護(hù)網(wǎng)力學(xué)性能的試驗與數(shù)值分析

汪 敏，石少卿，陽友奎

（1.解放軍后勤工程學(xué)院 軍事建筑工程系，重慶401311；2.布魯克（成都）工程有限公司，成都611731）

我國是個多山的國家，特別是西部和東南部山區(qū)，時常發(fā)生崩塌、塌落和風(fēng)化剝落等淺層坡面地質(zhì)災(zāi)害，尤其在運(yùn)營鐵路、公路這樣的線狀工程沿線最為嚴(yán)重[1]。邊坡主動防護(hù)網(wǎng)以其施工方便，布置靈活、能夠較好的適應(yīng)各種復(fù)雜地形條件等特點在邊坡防護(hù)工程中得到廣泛的應(yīng)用[2]。

根據(jù)用途，邊坡主動防護(hù)網(wǎng)分為起加固作用的防護(hù)網(wǎng)和起圍護(hù)作用的防護(hù)網(wǎng)[3]。起加固作用的防護(hù)網(wǎng)將落石限制在坡面上，起圍護(hù)作用的防護(hù)網(wǎng)限制落石的運(yùn)動軌跡，使得落石順坡滑下到指定的地點。目前美國以及歐美等國的公路交通部門對起圍護(hù)作用的防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行了較為細(xì)致的研究[4－6]，而對起加固作用的防護(hù)網(wǎng)的研究相對較少，而從目前工程實際應(yīng)用情況下，起加固作用的防護(hù)系統(tǒng)存在系統(tǒng)設(shè)計偏于保守或者局部構(gòu)件不能滿足均衡化要求的問題[7]。

根據(jù)邊坡的不同破壞特點可以將起加固作用防護(hù)網(wǎng)的工作狀態(tài)分為起被動防護(hù)作用（見圖1）和起主動加固作用（見圖2）[8－9]。從圖1、2中可以看出，主動防護(hù)網(wǎng)中單個防護(hù)單元受到危巖體的荷載可以簡化為法向和切向兩個集中荷載或均布荷載的作用。為此，掌握主動防護(hù)網(wǎng)中單個防護(hù)單元在法向集中荷載或均布荷載作用下的荷載—位移曲線和豎向最大承載力對于指導(dǎo)主動防護(hù)網(wǎng)的均衡化設(shè)計和工程應(yīng)用具有重要的實用價值[7，10]。

圖1 起被動防護(hù)作用

圖2 起主動加固作用

圖3 GPS2型防護(hù)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)布置及縫合圖

目前國內(nèi)應(yīng)用較為廣泛的起加固作用的防護(hù)網(wǎng)為GPS2型防護(hù)網(wǎng)（見圖3）。該系統(tǒng)主要由錨桿、支撐繩、縫合繩及鋼絲繩網(wǎng)組成[11]。GPS2型防護(hù)網(wǎng)在施工過程中，利用縫合繩的預(yù)張拉作用將鋼絲繩網(wǎng)與支撐繩連接起來，從而將鋼絲繩網(wǎng)張緊，使其緊貼坡面。在GPS2型防護(hù)網(wǎng)中，單個防護(hù)單元主要由鋼絲繩網(wǎng)和縫合繩組成，應(yīng)用時根據(jù)需要選擇合適的鋼絲繩網(wǎng)塊規(guī)格尺寸、合理的布置錨桿間距。因此在應(yīng)用設(shè)計GPS2型主動防護(hù)網(wǎng)時，必須要掌握由鋼絲繩網(wǎng)和縫合繩組成的單個防護(hù)單元在法向荷載作用下的力學(xué)性能，從作者查閱的相關(guān)資料看，這方面的研究還未見報道。為此本文設(shè)計了由鋼絲繩網(wǎng)及縫合繩組成的單個防護(hù)單元在法向集中荷載作用下的試驗?zāi)Ｐ停ㄟ^試驗與數(shù)值分析相結(jié)合的方法，對主動防護(hù)網(wǎng)中單個防護(hù)單元的力學(xué)性能進(jìn)行研究。

1 防護(hù)單元法向集中荷載作用下試驗設(shè)計

國內(nèi)目前常用的主動防護(hù)網(wǎng)中鋼絲繩網(wǎng)的網(wǎng)孔為菱形。結(jié)合鋼絲繩網(wǎng)的尺寸規(guī)格及試驗條件，選取了由布魯克（成都）工程有限公司生產(chǎn)的試驗用鋼絲繩網(wǎng)，網(wǎng)片規(guī)格為2m×2m，鋼絲繩直徑為8mm，網(wǎng)孔尺寸為300mm×300mm，采用8mm縫合繩對鋼絲繩網(wǎng)進(jìn)行縫合，組成2.5m×2.5m的防護(hù)單元。設(shè)計的試驗?zāi)Ｐ腿鐖D4所示。

圖4 縫合繩及鋼絲繩網(wǎng)組成的防護(hù)單元（mm）

由于在起主動加固作用的防護(hù)網(wǎng)中，局部危巖體突出部分一般是不規(guī)則的，與鋼絲繩網(wǎng)的接觸面積、危巖體的外形特點有一定的關(guān)系。為了便于試驗，試驗?zāi)Ｐ蛯⑽r體與防護(hù)網(wǎng)的接觸面的形狀簡化為圓形，且荷載作用區(qū)域位于防護(hù)單元的中間位置[12]。在試驗?zāi)Ｐ椭?，對防護(hù)單元的四周所有節(jié)點約束其平面內(nèi)的自由度，而在實際的主動防護(hù)網(wǎng)中，僅僅只有防護(hù)單元四周錨固端節(jié)點是固定的，其余部分節(jié)點會發(fā)生一定的位移。因此，試驗?zāi)Ｐ蜏y得的防護(hù)單元在法向集中荷載作用下的豎向荷載及豎向位移比實際主動防護(hù)網(wǎng)的小，從工程應(yīng)用的角度考慮是偏于安全的。

基于圖4的試驗?zāi)Ｐ?，設(shè)計了試驗用鋼梁。鋼梁和4個三角形反力架組成試驗臺架，如圖5所示。鋼絲繩網(wǎng)和縫合繩按照圖4所示的方式進(jìn)行連接。當(dāng)采用縫合繩對鋼絲繩網(wǎng)進(jìn)行張拉時，由于鋼絲繩網(wǎng)與縫合繩之間的彎折和摩擦作用，安裝過程中很難將鋼絲繩網(wǎng)張緊。為此，試驗中將縫合繩分為4段，采用張線器進(jìn)行預(yù)張拉，減小鋼絲繩網(wǎng)在發(fā)生彈性變形前的非彈性變形。

圖5 安裝完畢的試驗臺架和鋼絲繩網(wǎng)照片

由于在施加荷載過程中，鋼梁會受到斜向荷載作用產(chǎn)生扭曲變形，為了保證試驗的正常進(jìn)行，必須控制鋼梁的扭曲變形。為此，試驗中首先預(yù)先估計鋼梁所受的荷載，同時采用有限元軟件ANSYS分析試驗中荷載對鋼梁的作用。出于安全的考慮和數(shù)值計算的方便，在單根工字鋼受力點施加水平和豎向荷載，大小均為10kN，集中荷載作用于縫合繩與鋼梁的連接處（見圖4）。數(shù)值分析中采用適用于計算扭轉(zhuǎn)、非線性的殼單元shell181對鋼梁進(jìn)行模擬[13]，鋼材采用Q235鋼。通過多次試算，選取工字鋼型號為I28。鋼梁在上述荷載作用下位移云圖分別如圖6和圖7所示。由圖6和圖7可知：鋼梁在4點受荷載作用下的最大位移為6.67mm；在3點受荷載作用下的最大位移為4.43mm。由此可見，鋼梁的承載力滿足試驗的荷載要求。

同時，根據(jù)計算得出的鋼梁受荷條件，設(shè)計鋼梁之間焊縫尺寸及鋼梁與三角形反力架之間的螺栓連接方式及個數(shù)，以確保試驗安全。

圖6 四點受荷鋼梁變形云圖

圖7 三點受荷鋼梁變形云圖

2 防護(hù)單元集中荷載作用下試驗步驟及結(jié)果

2.1 試驗步驟

1）試驗的加載設(shè)備

考慮到防護(hù)單元在法向集中荷載作用下的位移較大，對加載設(shè)備提出了變形距離的要求。試驗中用兩個自行設(shè)計的帶有傳感器裝置的手動葫蘆進(jìn)行加載，以滿足試驗所需變形距離的要求。在加載中將手動葫蘆的一端固定在地溝上，另一端掛在與鋼板相連的鋼絲繩上，以保證兩個手動葫蘆在同一高度（見圖5），且在加載中應(yīng)使兩者盡量的同步，以使鋼板能夠平均受力。鋼板周圍采用切割機(jī)打磨，避免鋼板與鋼絲繩交接處首先發(fā)生破壞。

2）位移的測量方法

為了保證試驗安全，試驗中通過將直尺固定在鋼板的邊緣，用水準(zhǔn)儀讀取直尺上的數(shù)值，利用加載前后2次讀數(shù)的差值來確定位移。

3）試驗加載方案

采用分級加載的方案進(jìn)行加載，開始時每級加荷載2kN，當(dāng)位移超過100mm后，每級加荷載5kN，每次加荷載完成后持荷2min，并讀取荷載前后2次位移值的大小。

2.2 試驗結(jié)果

試驗共進(jìn)行了5次，得到了防護(hù)單元在法向集中荷載作用下的荷載—位移曲線如圖8所示。前3次試驗在角部縫合繩與鋼絲繩網(wǎng)連接節(jié)點處未設(shè)置繩卡，防護(hù)單元的破壞形式一致，均是防護(hù)單元的角部縫合繩與鋼絲繩網(wǎng)連接節(jié)點處發(fā)生斷裂破壞（見圖9）。后2次試驗在角部縫合繩與鋼絲繩網(wǎng)連接節(jié)點處設(shè)置了繩卡，防護(hù)單元的破壞主要是由鋼絲繩網(wǎng)內(nèi)部交叉處鋼絲繩發(fā)生斷裂引起；此時角部縫合繩與鋼絲繩網(wǎng)連接節(jié)點處由于繩卡的作用，未發(fā)生破壞，但局部存在破損現(xiàn)象（見圖10）。后2次試驗得到的防護(hù)單元的最大豎向荷載比前3次得到的荷載值大。

圖8 試驗得到的荷載－位移曲線

圖9 角部鋼絲繩網(wǎng)與縫合繩交接處斷裂

圖10 角部鋼絲繩網(wǎng)與縫合繩交接處采用繩卡連接

3 防護(hù)單元集中荷載作用下數(shù)值分析

數(shù)值分析的兩個假設(shè)條件為：①鋼絲繩網(wǎng)與縫合繩組成的防護(hù)單元在初始受荷載條件下處于張緊狀態(tài)；②鋼絲繩網(wǎng)間的卡扣、鋼絲繩網(wǎng)與縫合繩連接節(jié)點均作為一個節(jié)點考慮，不先于其他構(gòu)件發(fā)生破壞。根據(jù)上面兩個假設(shè)條件，建立防護(hù)單元的有限元模型，如圖11所示。有限元模型中：選用link10單元來模擬鋼絲繩，該單元具有特有的雙線性剛度矩陣，可以承受單向拉伸或單向壓縮[13]；鋼絲繩的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線見圖12[9]，數(shù)值分析中采用Von miso屈服準(zhǔn)則，雙線性等向強(qiáng)化模型來模擬鋼絲繩的材料特性。

圖11 有限元分析模型

圖12 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

圖13 試驗中防護(hù)單元在鋼板作用下變形圖

圖13為防護(hù)單元在鋼板作用下的變形圖。由圖13可知，當(dāng)荷載在一定范圍內(nèi)時，由于鋼板的剛度較大，與鋼板直接接觸的鋼絲繩的豎向位移相同。因此，為了模擬試驗中采用鋼板施加荷載的過程，將豎向荷載平均施加到試驗防護(hù)單元的有限元模型中鋼板作用范圍內(nèi)的節(jié)點上，同時耦合了節(jié)點的豎向位移自由度。圖14為數(shù)值分析中防護(hù)單元在鋼板作用下的變形，與試驗中防護(hù)單元的變形較一致。

圖14 數(shù)值計算的防護(hù)單元在鋼板作用下的變形圖

圖15 試驗與數(shù)值計算得出的荷載—位移曲線

圖16 數(shù)值計算與修正試驗得到的荷載—位移曲線

圖15為試驗與數(shù)值分析得到的荷載—位移曲線。由圖15可知：由于在安裝過程中，鋼絲繩網(wǎng)與縫合繩之間存在摩擦作用，施工現(xiàn)場很難將鋼絲繩網(wǎng)張拉到預(yù)緊狀態(tài)；防護(hù)單元在受到很小的荷載作用下即發(fā)生較大位移，而數(shù)值分析中假設(shè)試驗防護(hù)單元處于預(yù)張緊狀態(tài)，因此在相同的荷載作用下，試驗得出的防護(hù)單元在法向集中荷載作用下的位移比數(shù)值分析結(jié)果偏大?？紤]到在加載初期當(dāng)荷載很小時，防護(hù)單元存在一部分彈性變形前的非彈性變形位移，因此在試驗結(jié)果中需要扣除這一部分位移值的影響，通過試驗觀測近似可取這部分值為30mm，得到了修正后防護(hù)單元在法向集中荷載作用下試驗四、試驗五和數(shù)值模擬得到的荷載—位移曲線（見圖16）。從圖16中可以看出：當(dāng)將試驗開始階段防護(hù)單元發(fā)生彈性變形前的一部分非彈性變形扣除掉后，數(shù)值計算得到的防護(hù)單元在法向集中荷載作用下的荷載—位移曲線與試驗結(jié)果吻合好，數(shù)值分析方法能夠較好的預(yù)測防護(hù)單元在法向集中荷載作用下的力學(xué)性能。

4 結(jié) 論

對起加固作用的主動防護(hù)網(wǎng)的工作原理進(jìn)行了歸納，設(shè)計了由縫合繩及鋼絲繩網(wǎng)組成的防護(hù)單元在法向荷載作用下的試驗?zāi)Ｐ?，進(jìn)行了試驗及數(shù)值分析研究，得到了2點有意義的結(jié)論：

1）縫合繩對防護(hù)單元法向集中荷載作用下的力學(xué)性能有影響。當(dāng)未在角部縫合繩與鋼絲繩網(wǎng)連接節(jié)點處設(shè)置繩卡時，由于防護(hù)單元角部縫合繩與鋼絲繩網(wǎng)之間相互錯動摩擦作用，引起角部鋼絲繩網(wǎng)與縫合繩連接節(jié)點處最先發(fā)生破壞，影響了防護(hù)單元整體受力性能；當(dāng)在角部縫合繩與鋼絲繩網(wǎng)連接節(jié)點處設(shè)置繩卡時，由于繩卡能在一定程度上限制縫合繩與鋼絲繩之間的相互錯動，提高了防護(hù)單元在法向荷載作用下的承載力。因此，建議在工程應(yīng)用中，將角部縫合繩與鋼絲繩網(wǎng)連接節(jié)點處采用繩卡進(jìn)行連接，防止縫合繩與鋼絲繩網(wǎng)間在受到荷載作用時發(fā)生錯動摩擦引起破壞，影響其整體受力性能；

2）采用數(shù)值分析的方法對防護(hù)單元在法向集中荷載作用下的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，分析了數(shù)值計算結(jié)果與試驗結(jié)果產(chǎn)生偏差的原因。當(dāng)對試驗結(jié)果進(jìn)行修正后，數(shù)值分析結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好，數(shù)值分析方法能較好的預(yù)測防護(hù)單元在法向荷載作用下力學(xué)性能。

[1]陽友奎，周迎慶，姜瑞琪，等.坡面地質(zhì)災(zāi)害乘性防護(hù)技術(shù)的理論與實踐[M].北京：科學(xué)出版社，2005.YANG YOU－KUI，ZHOU YING－QING，JIANG RUI－QI，et a1.The theory and practice of flexible protection for the geological hazard of slope[M].Beijing：Science Press，2005.

[2]賀詠梅，彭偉，陽友奎.邊坡柔性防護(hù)系統(tǒng)的典型工程應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2006，25（2）：323－328.HE YONG－MEI，PENG WEI，YANG YOU－KUI.Typical cases of slope flexible protection system[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006，25（2）：323－328.

[3]中華人民共和國鐵道部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).鐵路沿線斜坡柔性安全防護(hù)網(wǎng)[S].北京：2004.The Railway Industry Standard of People's Republic of China.The flexiable safety net for protection of slope along the line[S].Beijing：China Railway Publishing House.

[4]SASIHARAN N，MUHUNTHAN B，SHU S，et al.Analysis of global stability，anchor spacing，and support cable loads in wire mesh and cable net slope protection systems[J].Transportation Research Record：Journal of the Transportation Research Board 1913，2005：205–213.

[5]SASIHARAN N，MUHUNTHAN B，BADGER T C.Numerical analysis of the performance of wire mesh and cable net rockfall protection systems[J].Engineering Geology，2006，88：121－132.

[6]MUHUNTHAN B，SHU S，SASIHARAN N，et al.Analysis and design of wire meshcable net slope protection[R].Washington State Transportation Center Report，2005.

[7]PAOLA BERTOLO，CLAUDIO OGGERI，DANIELE PEILA.Full－scale testing of draped nets for rock fall protection[J].Can.Geotech.J.，2009，（46）：306－317.

[8]DANIEL C F，LUIS L Q，ELENA B F，et al.Design and evaluation of two laboratory tests for the nets of a flexible anchored slope stabilization system[J].Geotechnical Testing Journal，2009，32（4）：1－10.

[9]CASTRO－FRESNO D，DEL COZ DIAZ J.J.LóPEZ L.A，et al.Evaluation of the resistant capacity of cable nets using the finite element method and experimental validation[J].Engineering Geology，2008，（100），1–10.

[10]del COZ DíAZ J J，GARCíA NIETO P J，CASTRO F D，et al.Non－linear analysis of cable networks by FEM and experimental validation[J].International Journal of Computer Mathematics，2009，86（2）：301–313.

[11]楊濤，周德培，雷承第，等，柔性防護(hù)邊坡的穩(wěn)定性分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2006，25（2）：294－298.YANG Tao，ZHOU DE－PEI，LEI CHENG－DI，et al.Stakility evaluation of slope protected by flexible system[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006，25（2）：294－298.

[12]汪敏，石少卿，陽友奎，等.主動防護(hù)系統(tǒng)中鋼絲繩網(wǎng)抗頂破力計算方法研究[J].后勤工程學(xué)院學(xué)報，2010，26（2）：6－9.WANG MIN，SHI SHAO－QING，YANG YOU－KUI，et al.Mechanical Analysis of the resistant capacity of Cable Nets in the active protection systems[J].Journal of Logistical Engineering university，2010，26（3）：8－10.

[13]石少卿，汪敏，劉穎芳，等.建筑結(jié)構(gòu)有限元ANSYS范例詳解[M].北京 建筑建筑科學(xué)出版社出版，2008.