柔性被動防護系統在公路既有邊坡拓寬中的應用

朱均悅 邊雪倩 孫超 毛文月 劉勇

（山東交通學院交通土建工程學院，山東 濟南 250357）

一、引言

邊坡防護方法主要包含工程防護與生態防護，其中工程防護最為常用。但隨著綠色施工及如期實現“雙碳”目標的發展要求，生態防護或者工程防護結合生態防護的方法應用越來越多。柔性防護系統結合了工程防護與生態防護，具有施工簡便、防護效果顯著、造價較低的優點，已在公路、鐵路、水電站、礦山、市政等邊坡防護中得到廣泛應用。柔性防護系統根據功能和防護要求分為：主動覆蓋防護系統和被動攔截防護系統。主動防護系統覆蓋或包裹在需防護的斜坡及危巖體上，以限制坡面巖土體的風化剝落、破壞及危巖崩塌，或將落石限制在一定范圍內運動。不中斷交通的既有邊坡拓寬過程中，施工作業產生的落石可能會因其在坡面上滾動導致無法采用主動防護系統。被動防護系統主要用于攔截滾石、落物及爆破飛石等，主要由鋼柱、減壓環、拉錨系統、支撐繩及鋼絲繩網組成柔性結構，承受并擴散落石沖擊力，形成攔截屏障，利用系統的變形能力，延長落石對攔截系統的作用時間，大大削弱沖擊力，同時不斷吸收和消化沖擊動能，達到防護落石的目的。

邊坡被動柔性防護系統設計攔截撞擊能量3000kJ以內的落石[1]，適用于地形復雜的邊坡條件，布置靈活、施工方便，具有安全、適用、經濟與環保等方面的顯著優勢。在京滬高速公路萊蕪至臨沂（魯蘇界）段改擴建工程中要求不中斷交通實施拓寬施工，高大邊坡開挖過程中的落石對高速公路運營造成巨大威脅。為保證通行車輛安全，采用了被動柔性防護系統等多級防護體系，達到了完成既有邊坡拓寬并保證車輛通行安全的目的。但被動防護系統作為既有邊坡拓寬過程中的臨時防護措施，其分級設置高度、沖擊動力響應等相關問題研究較少[2]，設計主要依據大量實踐經驗和建立在經驗基礎上的相關規范[3，4]。因此，本文依托京滬高速公路萊蕪至臨沂（魯蘇界）段改擴建工程，采用ABAQUS有限元分析軟件分析防護網沖擊性能，結合施工現場應用效果驗證，分析柔性被動防護網的沖擊動力響應和能量轉換過程，以及設計與施工中的薄弱環節。

二、工程概況

京滬高速公路臨沂改擴建工程第3 標段挖方主要集中在k546+200～k547+800段、k548+810～k549+650段、k551+714～k552+116段左側，總計開挖長度7512m，挖石方總量1496km3，其中k551+714～k552+116段最大挖深39.7m，開挖巖石性質為石灰巖。為保證邊坡拓寬開挖過程中不中斷交通和通行車輛的安全，路塹邊坡拓寬施工采用5000t劈裂機靜態爆破配合液壓破碎錘開挖，并采用柔性被動防護系統，被動網內覆蓋密目網，攔截了大塊落石及小塊飛石，如圖1所示。

圖1 石質邊坡拓寬中柔性被動防護系統設置現場

三、分析模型及計算參數

結合施工現場實際條件，以RXI-050型被動防護網為對象，在ABAQUS中取一個防護單元建立彈性模型，開展explicit動力學分析，分析時間步設置為0.3s。

（一）計算模型

RXI-050型被動防護系統柱間距b=10m，工字型鋼柱高度h=4m；環形網規格為R7/3/300（直徑3mm的鋼絲、盤結7圈，按網孔內切圓直徑300mm編織），系統可攔截撞擊能500kJ以內的落石，鋼絲強度不低于1770MPa。工字型鋼柱型號為18#，上、下支撐繩采用φ22單繩，上拉錨繩為φ18單繩，側拉錨繩為φ18雙繩。上拉錨繩、側拉錨繩與邊坡之間的連接設為剛接，鋼柱與邊坡之間的連接設為鉸接，上拉錨繩、側拉錨繩與鋼柱之間的連接設為鉸接，如圖2所示。

圖2 RXI-050型被動防護系統沖擊動力分析模型

鋼絲繩網、拉錨繩、支撐繩、鋼柱均采用T3D2桁架單元，只考慮構件軸力作用而不考慮彎矩作用；落石采用C3D4實體單元，假設落石是直徑為800mm的彈性球體。為模擬球體從距離防護網15m高度處，以96.5kJ的能量沖擊防護網，依據式設置球體初始速度v0計算方法如公式（1）所示：

球體與防護網之間在切向設置面面光滑接觸，法向設置“硬”接觸。減壓環采用彈簧和粘壺單元并聯形成Kelvin模型等效模擬其阻尼器作用[5]，如圖3所示。

圖3 減壓環Kelvin模型

（二）計算參數

模型計算參數如表1所示。

表1 模型計算參數

四、結果分析

（一）速度、位移分析

落石（彈性球體）沖擊被動柔性防護網在0.18s時的位移云圖如圖4所示；落石垂直于環網方向的速度時程變化如圖5所示；位移時程變化如圖6所示。

圖4 落石沖擊柔性被動防護網位移云圖

圖5 落石沖擊柔性被動防護網速度變化時程圖

圖6 落石沖擊柔性被動防護網位移變化時程圖

由圖5、圖6可知，在0.18s時落石在繩網中位移2.435m，此時落石速度為0、位移最大，落石的沖擊動能轉化為防護系統的應變能、動能及減壓環的熱能。

（二）mises應力分析

鋼柱mises應力在落石達到最大位移時（0.18s）的云圖如圖7所示。

圖7 鋼柱mises應力云圖

在彈性球體的速度為0時（0.18s），落石在繩網中達到最大位移，此時支撐鋼柱的最大mises應力為245.5MPa，產生在支撐鋼柱中下部，小于其屈服強度345MPa；設置工字鋼支撐柱時，注意其翼面與柔性網垂直，充分發揮工字鋼梁的抗彎性能。柔性網沖擊點繩網的mises應力時程曲線如圖8所示。

圖8 柔性網沖擊點mises應力里程曲線

柔性網沖擊點繩網的mises應力先急速增大，后迅速減小，最大mises應力1317MPa，小于其抗拉強度1770MPa。繩網可以抵抗住落石的沖擊。Mises應力綜合等效反應了各個方向上應力值的大小，其計算方法如公式（2）所示。

（三）能量分析

落石沖擊動能與系統應變能轉換時程曲線如圖9所示。E1為繩網應變能的里程變化曲線，E2為落石沖擊動能的時程變化曲線。

圖9 動能與應變能時程曲線

落石的沖擊動能E2(96.5kJ)轉化為防護網的應變能E1(75.3kJ)、動能與阻尼器的熱能耗散。在0.18s時達到能量交換的最大值，而后再次交換，落石回彈，但其動能比初始值有所減小，設置的模擬減壓環彈簧-粘壺阻尼器發揮了作用。

（四）現場效果

施工現場柔性網設置如圖10所示，在環形網內放置了密目網，從而有效攔截了大小各類飛石、落石，保證了施工期間的正常行車運營安全，至工程竣工通車沒有發生因飛、落石引發的交通安全事故。

圖10 現場設置的柔性被動防護系統

五、結語

本文模擬了直徑800mm、高度15m的落石以96.5kJ的能量沖擊防護網，采用彈簧-粘壺阻尼器模擬了減壓環的作用，分析結果表明柔性被動防護網結構體系滿足設計要求。京滬高速公路臨沂改擴建工程第3標段在公路既有邊坡拓寬中應用了RXI-050型被動防護系統，結果表明其有效攔截了落石、飛石，達到了預期效果，為同類工程的設計與施工提供了參考。