山區公路石籠邊坡防護應用研究

魏建軍 王立新 楊佩鑫

(1.昭通公路局 云南 昭通 657000；2.威信公路分局 云南 昭通 657800)

引言

石籠網防護是一種生態邊坡防護，其利用類似于蜂巢形狀的石籠網片制作成石籠網單元，在網箱單元中填裝塊石，用綁扎等手段將各個網箱單元連接成整體的一種防護形式。石籠網防護在河流護岸等邊坡工程中應用廣泛且取得了較好的效果，近年來公路邊坡防護中也逐漸開始使用。

在合適的路段采用石籠網結構的公路防護可以利用項目沿線豐富的石材資源，形成優美的視覺景觀，減輕道路對生態環境的破壞程度，使公路邊坡防護與自然環境更加協調。

郭永剛[1]對蓄水區堤防各區段防護進行了分析計算，得出了石籠網防護在流速較大區段仍然可以保持穩定的結論，并指出石籠網防護對保持護坡景觀形式多樣性有正面作用。邢大鵬[2]指出石籠網結構的河流護坡相對傳統護坡形式具有柔性和可撓曲性強的優點，應對突發形變和不均勻沉降的能力相對于混凝土剛性構筑物更強。同時石籠網的高滲透性相比在混凝土構筑物中設置排水孔可以更加有效地緩解消除擋土墻的水壓力，從而進一步提升構筑物的穩定性。賈虎[3]結合川西南地區某井場道路軟土工程實例，運用 FLAC3D建立了數值分析模型，對石籠網加筋粉質粘土進行了數值模擬研究，指出石籠網加筋可以有效降低路面不均勻沉降、減小路堤邊坡變形，避免出現應力集中的現象。Bergad D T 等學者[4-7]就雙絞合六邊形金屬網面與墻背不同填土間的界面特性，以粉砂和軟粘土為填料采用拉拔試驗和直接剪切試驗的試驗方法展開了很多研究。N R Setiati[8]結合印度尼西亞西爪哇省的Cipamingkis橋加固工程案例，分析了石籠結構基臺安全建筑對抵抗橋梁下部結構受到沖刷的作用。

綜上所述，學者們對基于天然石料的構筑物進行了廣泛的研究，但主要集中在構筑物和材料的力學性能方面。現階段對山區公路適用的基于天然石料的坡面防護工程研究尚不充分。尤其是考慮到景區公路對美觀和經濟的要求時不同形式坡面防護工程的比選，及不同形式坡面防護工程的承載能力和各因素影響尚待進一步研究。

一、模型的建立

該試驗選取了墻背直立式、墻面直立式和臺階式3種有代表性的石籠網公路邊坡防護結構形式。

(一)計算參數的選取

構成石籠網單元的網片由鋼絲編織而成，網片的實際形狀十分復雜給建模和求解帶來困難，為了簡化計算將網片視為厚度很小的一維線彈性體，因為網片幾乎不能承受軸向壓力，因此采用只能受拉不能受壓的土工格柵單元進行模擬。

石籠網片在受拉時不僅網片鋼絲本身伸長，網孔的形狀也發生了改變，只通過鋼絲的彈性模量來推導網片的彈性模量會帶來巨大的差異。因此根據彈性模量定義，通過抗拉強度試驗的結果推導模型中網片的彈性模量。

通過網片抗拉強度試驗可得知所用石籠網片破壞荷載為37.44KN/m，破壞時伸長率約為10%，近似地將網片的彈性模量取為100MPa。

填土后未開挖土體和墻后填土采用庫倫-摩爾本構模型，其余材料參數按照表1.1選用。

(二)模型的建立

本項試驗使用2D建模，墻背直立式石籠網和墻面直立式石籠網底層墻身厚5m，頂層墻厚為1m，每層石籠單元高1m。臺階式石籠網每層墻身厚均為2m。

圖1 墻背直立式模型

二、試驗結果及分析

對3種結構形式的擋土墻模型進行求解，為了方便觀察墻背所受土壓力和墻體發生的橫向位移，沿墻背提取一維單元結果圖。圖中位移圖單位m，應力圖單位kPa。

圖2 墻背直立式模型位移及墻背土壓力

圖3 墻面直立式模型位移及墻背土壓力

圖4 臺階式模型位移及墻背土壓力

從橫向位移的一維單元結果圖可以看出，墻背直立式結構墻身的變形最小，抵抗變形的能力最強，抗傾覆能力較好，同時該結構具有階梯式墻面給施工后的覆土綠化環節提供了便利。綜合考慮力學性能和景觀價值，一般情況下推薦采用墻背直立式結構作為石籠網邊坡防護的結構形式。

墻面直立式結構在墻身中部產生了較大變形，抵抗變形的能力較弱于墻背直立式結構，墻身整體向外側翻轉，抗傾覆能力弱。但該結構底部位移最小，是三種結構形式中抗滑移能力最好的形式，這是由于俯斜的墻背使土壓力在豎向產生了分力，增大了墻底的摩擦力，推薦用于難以滿足抗滑移要求的路段。

臺階式結構在墻身下部產生了較大的變形，抵抗變形的能力較差，這是因為該結構的下層尺寸小于其他兩種 ，同時臺階式結構的底部位移較大，抗滑移的能力較弱，但臺階式結構需要的開挖量和回填量要遠小于其他兩種結構，在土壓力較小的路段可以采用臺階式結構，減少填挖方降低成本。因為臺階式結構抗滑移能力較弱，可以采用基坑底部加鋪碎石層增大摩擦力的方式增強其抗滑移能力。

表1 石籠網結構模型材料屬性

三、施工工藝與質量控制

本項目依托云南省彝良至牛街二級公路建設工程展開研究，在K6+400至K6+422段建設示范工程。

試驗段所用石料為挖方路段開采的石灰巖，經過破碎后運至試驗段作為原料。石籠網網孔規格為8mm×10mm，網絲直徑2.7mm，邊絲直徑3.4mm，鋼絲均采用鍍5%鋁高爾凡低碳鋼絲，鍍層質量不小于270g/m2。

(一)施工工藝

施工工藝流程為施工準備→地基清理→碎石層鋪設→石籠網箱組裝→石籠網箱安裝→石籠網石料裝箱→石籠網封蓋回填。施工工藝要點如下：

1.石籠網箱組裝

組裝單套網箱時，需要在堅實的地面上或者是在大面積木板上進行，為了減少由于網箱折痕處出現的尺寸偏差，需要將具有網箱折痕的地方人工踩平。

2.石籠網箱安裝

在綁扎完單套箱體之后，需要將其搬至到基坑，按照相關的順序擺放好同層的箱體，并對箱體的位置進行控制。

對于相鄰的網箱需要在上下四個角的位置上進行一道綁扎; 對于相鄰的網箱的隔片需要在上下中間的位置上進行一道綁扎; 對于相鄰的網箱結合面的地方需要在每1m2的位置上穿透網孔進行兩道綁扎；對于相鄰的網箱隔片的邊框需要按照間距每 20 cm 進行綁扎。

3.石籠網石料裝箱

石料卸載應盡量靠近基坑邊緣，以減少機械二次轉運臺班及工人的勞動強度，但需避免破壞石籠網箱。

采用機械和人工相配合的施工方法，首先用挖掘機將所需石料放置格賓網旁邊，再用人工以干砌的方式將石料碼砌填充進格賓網內。

4.石籠網箱封蓋

為保證網箱內石料的密實度，非頂層網箱的裝填石料高度以超出網箱高度3-5cm為宜。

每個網箱單元裝填完畢后，蓋上石籠網箱蓋片，對于蓋片和網身的框線之間的綁扎按照 15cm～20cm 的間距進行，使石籠網箱形成一個整體。上層網箱的底片和下層網箱的蓋片每平方米綁扎兩刀，綁扎時須穿透網孔進行綁扎，禁止單網片進行綁扎。

(二)質量控制

編制石籠網片所用的鋼絲其抗拉強度不應低于350MPa。

所用鋼絲表面應鍍覆抗腐蝕鍍層，鋼絲鍍層應附著牢固，將鋼絲在規定直徑的芯棒上以不超過15r/min的速度緊密纏繞8圈，鋼絲鍍層不應出現開裂或者脫落。

為保證石籠網網面的整體性，網面的邊絲和端絲應采用大于網面網絲直徑的鋼絲。

四、結論

石籠網防護作為一種生態防護，將其運用于山區公路的邊坡防護工程中可以有效解決工程與環境的沖突。施工完成后的石籠網結構公路邊坡防護還可以通過覆土栽培等措施進行進一步綠化從而提高道路的景觀價值。

本文通過建立有限元模型對三種結構形式的石籠網公路邊坡防護進行了研究，通過分析每種結構形式在土壓力下的橫向位移和墻背土壓力分布得出以下結論：墻背直立式結構墻身變形最小，抗傾覆能力較好，同時該結構具有階梯式墻面給施工后的覆土綠化環節提供了便利，一般情況下推薦采用墻背直立式結構作為石籠網邊坡防護的結構形式。在土壓力較小的路段可以采用臺階式結構，減少填挖方降低成本，但應考慮到該結構抗滑移能力較弱的特點。在抗滑移要求難以滿足的路段，可以選用墻面直立式結構。