生態袋-玄武巖纖維用于邊坡防護的數值模擬研究

沈君 羅小剛 陳學平 李云鵬 程寅＊

（1交通運輸部科學研究院，北京 100029；2新疆交通建設管理局，烏魯木齊 830049）

1 引言

邊坡是自然或人工形成的斜坡，是人類工程活動中最基本的地質環境之一，也是工程建設中最常見的工程形式。常見的工程邊坡有：露天礦邊坡、路堤邊坡、路塹邊坡以及水利邊坡等等。邊坡發生失穩滑坡等災害屢有發生，往往會造成嚴重的人員傷亡及巨大的財產損失，如：1963年10月9日意大利瓦伊昂水利邊坡發生超巨型滑坡體，摧毀了鄰近隆加羅市及其數個村鎮，造成了2000余人遇難；2005年8月12日陜西省商洛市陜西五洲礦業公司突發山體滑坡，造成宿舍、民房被掩埋，約40～66人遇難。據1986年E.N.Bromhead的統計，用于邊坡治理的費用約占地質和自然災害的25%～50%左右；在我國西部高速高速公路建設中，用于邊坡處治的費用占總費用的30%～50%，可見邊坡的治理將耗費大量人力、物力、財產等[1]。對于邊坡的治理早在上個世紀50年代開始國內外就有防護處治措施，如：地表排水、清方減載、填土反壓、抗滑擋墻及漿砌片石等；到60年代末期，在鐵路建設中首次采用抗滑樁技術，強調支擋為主、綜合整治；我國于80年代末期開始采用錨噴防護技術；90年代至今，壓力注漿加固手段及框架錨固結構越來越多地用于邊坡處治，植物綠色防護備受青睞[2，3]。

關于邊坡穩定理論分析的發展已相當成熟，國內外學者進行了一些列邊坡穩定分析方法研究，如：在1916年由Prantle提出了圓弧滑動法，于1954、1955年由Janbu和Bishop提出條分法，到20世紀70年代時由王復來提出王復來條分法，于20世紀90年代時由陳祖煜提出了三維極限平衡法[1，2]。

隨著邊坡工程的大規模建設與發展，為了響應國家建設生態文明、打造綠色交通的號召以及遵循綠水青山就是金山銀山的理念，關于綠色邊坡防護的研究備受關注，如：邢建龍[4]等介紹了生態袋這一新材料的邊坡防護系統組成以及生態袋應用于邊坡防護的設計方法、施工工藝，通過工程實例證實了生態袋具有結構穩定、施工簡便、景觀優美、節能環保等特點，符合當今環境保護和可持續發展的潮流。江文[5]主要以具體工程案例為依托，詳細介紹了生態袋各組件聯結方式、生態袋邊坡施工工藝及其注意要點，為建設生態性、環保性護坡及其類似工程提供了參考與借鑒。劉馮等[6]以連鎮鐵路生態袋邊坡防護為工程實例，詳細闡述生態袋邊坡防護施工技術流程及工藝要求，具有坡面綠化效果好、施工簡便、速度快、保持水土與改善環境的優勢。

通過以上分析可知，采用生態袋進行邊坡防護需要聯結扣件將相鄰生態袋連接、架設土工柵格或打設錨索等，聯結扣件緊密程度、錨索打設土體深度等問題均會影響邊坡穩定。為解決此類問題，應選取一種新材料來代替，文獻[7，8]對玄武巖纖維（布）的力學性能及強度進行了詳細研究，玄武巖纖維具有較高的抗拉強度與彈性模量，同時具有耐熱性好、耐腐蝕性好、價格低廉、原料易得、低導熱性和較好的介電性能等多重優良性能，并且制造過程環保無危害，能直接降解為泥土。關于玄武巖纖維在土木建筑工程領域應用較多，其中：文獻[9]主要對路塹邊坡玄武巖纖維筋錨桿支護的應用進行研究；文獻[10]主要對玄武巖纖維在重載交通瀝青路面中的應用進行研究；文獻[11]主要對玄武巖纖維增強復合錨桿支護土質邊坡設計進行試驗研究。以上對玄武巖纖維應用研究主要利用了其具有較高的抗拉強度，提高被加固的邊坡或瀝青路面的強度。

但是，關于玄武巖纖維與生態袋組合用于路基邊坡防護的研究較少。因此，本文依托《利用纖維網與生態袋進行路基邊坡柔性防護技術》項目為研究背景，采用有限元數值模擬分析的方法，重點分析路基邊坡不同防護結構（生態袋與纖維網布設方式）對邊坡整體安全穩定性的影響規律，以期獲得既能保證邊坡安全又能降低工程造價的生態袋與玄武巖纖維的最大安全裸露土體面積，為類似的邊坡生態防護工程提供科學合理的參考與指導。

2 路基坡面柔性防護結構設計

采用生態袋與玄武巖纖維組合的方式進行路基坡面防護，生態袋與纖維網的不同組合方式對其邊坡整體安全性有顯著影響。因此，需要對路基坡面柔性防護結構進行合理設計，為下文建立數值模型提供依據。

2.1 施工工藝

1）生態袋準備

采用PP材料或其他耐腐蝕的高強材料加工形成的生態袋，填充細砂、粉砂等混合物。裝填生態袋規格：60×30×40cm（長×寬×高）。

2）玄武巖纖維準備

在路基路面施工時，在完成路基基層施工后，鋪設延伸到路面外側的高強纖維，路面外側的高強纖維鋪展于坡面上。

3）生態袋鋪設

沿坡面等高線鋪設生態袋，并夯實生態袋呈扁平狀，土壤緊實度以達到多少為宜，借鑒工程經驗。

4）纖維柔性框格

圖1 玄武巖纖維-生態袋五種不同邊坡防護形式

將下端纖維從下到上反卷包裹一條由多層生態袋夯實的條帶，每條生態袋包裹的上端用線繩綁扎或用鐵絲綁扎上下兩層纖維，再順坡面向上包裹生態袋并綁扎固定，形成多條柔性防護條帶格架。

5）框格中填土與坡面種植

在纖維柔性框格中間填充土壤，拍平拍緊拍實。在全坡面播種或栽植植物，進行綠化。

2.2 邊坡防護結構

為了得到不同邊坡防護結構下邊坡的安全性，共設計5種坡面防護工藝情景，這5種坡面防護工藝中玄武巖纖維土工柵格均直接固定生態袋，對整體結構起到穩定作用。

五種土壤固定結構分述如下：

1）全坡面致密生態袋防護方式

為當前玄武巖纖維土工柵格生態袋防護方式下采用的形式，也是當前正在一些區域利用的生態袋植被防護方式，主要利用層層碼放生態袋，再在生態袋上挖孔栽植灌木的方式。

2）生態袋方格網框架（纖維包裹固定）和植生袋防護方式

植生袋為帶孔的PE網或其他材料組成，其強度及在環境中的持續時間較短，通過其與致密程度較高的生態袋相結合，實現對土壤的固定。

3）生態袋方格網框架（纖維包裹固定）和填充土壤防護方式

采用生態袋作為框架，進一步在框架內填充土壤，實現土壤固定的目的。

4）條帶式生態袋（纖維包裹固定）和植生袋防護方式

采用條帶式生態袋與條帶式植生袋結合，固定土壤為植物生長提供基礎。

5）條帶式生態袋（纖維包裹固定）和填充土壤防護方式

采用條帶式生態袋與在條帶間回填土壤結合，固定土壤為植物生長提供基礎。

以上五種方式代表了對土壤層的不同的固定程度，在這些固土方式下，土壤在坡面的自由程度不同。五種不同邊坡防護形式如圖1所示。

3 最大安全裸露土體面積數值計算

3.1 建立模型

根據玄武巖纖維與生態袋邊坡生態防護工程項目所處周圍地質條件，建立邊坡模型選取砂土地層，采用有限元數值模擬軟件MIDAS-GTS/NX，建立玄武巖纖維-生態袋邊坡防護模型如圖2所示。

圖2 玄武巖纖維-生態袋邊坡防護模型

以邊坡坡率為1：1，邊坡傾角45°，邊坡高度5m為例。按照鄭穎人建議設計邊坡的尺寸大小，其中：模型X軸方向取25m，Y軸方向取3.6m，Z軸方向取10m。為滿足計算精度的要求，采用混合四面體網格生成器，共建立網格數量為64153個。

1）選取本構模型及參數

砂土材料選取莫爾-庫侖準則。生態袋裝填細砂、粉砂等混合物，亦選取莫爾-庫侖準則。玄武巖纖維采用正交各向異性土工柵格結構材料模擬。砂土地層及生態袋力學參數查閱《工程地質手冊》選取，詳細參數見表1；玄武巖纖維力學參數依據現場實驗獲取，詳細參數見表2。

表1 砂土地層及生態袋物理力學參數

表2 玄武巖纖維物理力學參數

2）確定邊界及荷載條件

邊界條件：地層邊界采用位移自動約束。

荷載條件：自重；考慮玄武巖纖維對生態袋及土層的加固作用，邊坡斜坡面上荷載取15kPa，沿X軸正方向，荷載作用點為橫縱纖維網交叉點處；考慮路基邊坡坡頂面施工影響，在5m范圍內作用施工荷載2kPa，沿Z軸負方向。

通過上述路基坡面柔性防護結構設計可知，為準確分析計算出最大裸露土體安全面積，另分別建立了四種不同的邊坡防護模型：（1）生態袋-纖維田字形鋪設；（2）生態袋-纖維四道柵格鋪設；（3）生態袋-纖維兩道柵格鋪設；（4）生態袋-纖維口字形鋪設。四種邊坡防護模型如圖 3所示。

圖3 四種邊坡防護模型

3.2 計算結果分析

針對以上五種生態袋與玄武巖纖維不同組合結構形式下的邊坡防護模型，分別計算出其對應的邊坡安全系數以及布設生態袋與玄武巖纖維的面積和未布設生態袋與玄武巖纖維的面積，統計于表3。

表3 五種不同工況下邊坡安全系數

繪制五種生態袋、纖維網鋪設方式下邊坡安全系數和未布設纖維土體面積柱形圖，如圖4所示。

圖4 不同工況下邊坡安全系數和未布設纖維面積柱形圖

由表3及圖4可知，在砂土地層邊坡條件下，全坡面生態袋、玄武巖纖維土工柵格鋪設防護模式的邊坡安全系數最高、最安全，安全系數值為1.774，其中：田字形生態袋與纖維土工柵格鋪設、四道柵格、兩道柵格、口字形生態袋與纖維土工柵格鋪設模式下邊坡的安全系數依次降低；根據《建筑邊坡工程技術規范》及相關工程地質手冊建議一般路基邊坡最小安全系數應大于1.35，則采用口字形生態袋與纖維組合鋪設時，邊坡安全系數值為1.202，不能滿足邊坡安全要求，存在工程滑坡等邊坡災害；當采用兩道柵格（目字形）生態袋與纖維組合鋪設時，其邊坡安全系數值為1.451，能夠滿足邊坡安全系數要求，并得出未布設生態袋與纖維面積，即：未鋪設生態袋與纖維的最大安全裸露土體面積值為11.52m2，在此種工況下既能保證邊坡的安全穩定，又能最大程度的節約工程造價，符合環保經濟理念。

4 玄武巖纖維抗拉強度計算

通過上述分析可知，在路基邊坡生態防護工程中，采取生態袋與玄武巖纖維組合鋪設可以有效的加固邊坡，提高邊坡整體的安全性，但是需要進一步驗證玄武巖纖維是否滿足允許抗拉強度值。因此，建立簡化的理論模型來驗證。

4.1 建立計算簡化模型

選取有限元模型中兩道柵格生態袋與玄武巖纖維鋪設方式下的邊坡（工況4），以單位寬度截面邊坡為研究對象，繪制簡化圖進行理論計算分析，如圖5所示。

圖5 玄武巖纖維理論計算簡圖

在圖 5中，作用于邊坡斜坡面生態袋與玄武巖纖維的錨固荷載P1=15kPa，作用于邊坡坡頂面施工荷載P2=2kPa，生態袋層層堆疊放置、壓平。

4.2 計算分析

假設生態袋荷載全部由玄武巖纖維承擔且纖維與邊坡摩阻力為0kPa（最不利情況）；玄武巖纖維土工柵格寬度為1m，面密度為260g/m2，單纖直徑為13um，抗拉強度為1800MPa；恒荷載分項系數取1.2，活荷載分項系數取1.4，則玄武巖纖維沿斜坡面上、下方向的拉應力計算公式見（1）、（2）：

式中：b—生態袋寬度，單位m；h—生態袋高度，單位m；l—生態袋長度，單位m；nb—邊坡單位寬度范圍內生態袋數量，取值為2袋；nh—邊坡高度范圍內生態袋數量，取值為17袋；γ—生態袋重度，取值為17kN/m3；γG—恒荷載分項系數，取值1.2；γQ—活荷載分項系數，取值1.4；m×n—斜坡面錨固荷載作用于生態袋與纖維的面積；hs—玄武巖纖維厚度，取值1mm；θ—邊坡傾角，°；P1—作用于斜坡面生態袋與纖維的錨固荷載；P2—作用于坡頂面5m范圍內的施工荷載；L—坡頂施工荷載作用長度；B—單位計算寬度，取值1m。

將以上所取數值代入式（1）、（2），可得：

由上述計算可知，在上述假設的最不利情況下，玄武巖纖維抗拉強度計算值約為72.11MPa，小于允許抗拉強度值1800MPa。

因此，上述數值模擬計算的邊坡整體安全系數及玄武巖纖維抗拉強度值均滿足安全性要求。

5 結論

1）通過文獻調研方法，針對目前關于生態袋與玄武巖纖維組合鋪設應用于邊坡生態防護這一研究不足之處，設計了五種可行的不同路基坡面柔性防護結構，為數值模擬計算提供依據。

2）通過有限元數值模擬計算可知，砂土地層邊坡，兩道柵格（目字形）生態袋與玄武巖纖維鋪設模式下可以滿足邊坡安全系數的要求，口字形鋪設下其安全系數值不滿足。因此，得出兩道柵格下未鋪設生態袋與纖維的裸露土體最大安全面積值為11.52m2，此情況下可最大程度節約工程造價；若生態袋與玄武巖纖維組合鋪設方式下裸露的土體大于此值則邊坡不安全，易出現滑坡等邊坡災害。

3）通過玄武巖纖維抗拉強度計算可知，邊坡在兩道柵格生態袋與玄武巖纖維鋪設方式下，玄武巖纖維的抗拉強度值為72.11MPa，遠小于其允許抗拉強度值1800MPa，在此情況下，既能保證邊坡整體的安全性，又滿足玄武巖纖維抗拉強度要求。