新型裝配式生態防護邊坡淺層穩定性研究

張述濤 彭君 陳航 王天成

摘要：邊坡生態防護能使邊坡免受雨水侵蝕進而發生失穩，但現有邊坡生態防護結構大多采用現澆混凝土、注漿錨桿等，施工繁瑣、現場作業時間長。為此，提出了一種由小型傘型錨、預制混凝土坡面防護構件以及預制生態植被層組成的新型裝配式生態防護結構，并對其所防護邊坡的淺層穩定性開展了研究。首先開展室內模型試驗，驗證了小型傘型錨的錨固性能；然后根據新型結構的組成和受力特點，推導得到該結構防護下邊坡淺層穩定性系數的計算公式，結合麗江機場改擴建工程某邊坡，分析錨固力和錨間距等關鍵參數對邊坡淺層穩定性的影響規律；最后基于極限平衡法對不同防護條件下邊坡潛在失穩狀態進行了數值分析。結果表明：新型裝配式生態防護結構坡面錨間距的適宜范圍為1.5～2.5 m；相比單純小型傘型錨支護和單純格構支護，新型結構既能強化邊坡淺層穩定性，還可避免局部破壞，發揮下伏土層強度，進而提高邊坡整體穩定性，同時具有施工便捷、安裝后即可發揮效用以及易于局部拆換等優勢。

關 鍵 詞：裝配式生態護坡；淺層穩定性；傘型錨；安全系數

中圖法分類號：TU433

文獻標志碼：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.05.023

0 引 言

目前在交通、水利等基礎設施領域，土質邊坡常用植物防護或植物防護與工程防護相結合的措施對坡面進行生態防護，防止因雨水下滲入侵土層造成邊坡淺層失穩甚至整體失穩，同時改善工程周邊環境，減少因開挖、填筑等造成的土體裸露、水土流失以及植被覆蓋率降低。在高陡邊坡中，工程防護措施往往必不可少，但大多采用現澆混凝土施工、注漿錨桿錨固等，植被層也采用現場鋪設，施工周期長，若在施工過程中遇到降雨，邊坡易發生淺層失穩。

針對邊坡淺層失穩的問題，許多學者從淺層失穩機理、防治措施等方面進行了研究。經典的邊坡淺層穩定性分析方法是建立在無限長斜坡的“順坡平面”破壞模式假定的基礎上的^［1-2］。對于傳統邊坡穩定性分析，采用的是基于圓弧滑裂面假定的剛體極限平衡法，但陳善雄等^［3］指出其很難適用于受雨水軟化作用導致的土質邊坡淺層穩定性分析，因為雨水入滲導致土質邊坡內形成具有顯著差異的土層界面。連繼峰等^［4］的研究也驗證了這一現象。鐘濤等^［5］對成渝線邊坡溜坍情況的調查顯示，邊坡淺層滑裂面平行于原坡面，深度為0.5～1.5 m。吳江鵬等^［6］采用數值方法對降雨導致的實際邊坡滑坡變形破壞機理進行了研究。

對于邊坡失穩的防治措施，一般包括坡面防護^［7］、加筋土擋墻^［8］、預應力錨索、排水截水、淺層開挖卸荷、噴射混凝土等^［9］。連繼峰等^［10］研究了矩形骨架防護路基邊坡的淺層穩定性，郝廷偉等^［11］利用柔性輕型結構梁作為防護骨架構件進行邊坡防護。唐小軍等^［12］提出采用灌木叢植被覆蓋坡面，試驗結果表明植被能顯著減少雨水入侵土層，提高邊坡穩定性作用明顯。王甦宇等^［13］針對毛細阻滯覆蓋層邊坡防護技術的優勢與不足，提出了提高毛細阻滯覆蓋層防護性能的改進措施和途徑。陳飛等^［14］采用草本植物用于贛南地區酸性紅壤邊坡護坡，并進行了環境適應性試驗，對比了不同草本植物的護坡效果。何礬等^［15］探究了加筋網-錨桿防護下的土質邊坡穩定性，結果表明錨桿作用改變了原有邊坡的失效破壞模式，錨桿強度建議采用漸進式設計。吳順川等^［16］對比分析了預應力錨桿、微型抗滑樁及擋土墻等方法的加固效果。郝建斌等^［17］分析了錨桿格構支護在動力作用下的支護效果。然而，現澆混凝土骨架、注漿錨桿等邊坡防護措施存在施工速度慢、運營維護成本高等問題。

針對上述不足，本文結合傳統防護措施優點，提出了新型裝配式生態護坡結構^［18］：由小型傘型錨、預制混凝土坡面防護構件以及預制生態植被層組成。采用室內模型試驗研究小型傘型錨的錨固性能，對其適用性進行驗證，同時基于無限長斜坡淺層順坡平面失穩模式，推導適用于新型裝配式生態防護邊坡的淺層穩定性安全系數公式，并結合數值模型對關鍵影響因素及邊坡淺層穩定性進行分析，以期為新型裝配式邊坡生態防護結構的應用提供一定理論依據。

1 新型裝配式生態護坡結構

本文提出的新型裝配式護坡結構如圖1所示，分為傘型錨錨固結構和裝配式坡面防護結構^［18］。錨固構件采用小型傘型錨，安裝時無需注漿，通過擊入至指定深度后反向張拉，錨板切土張開鎖定后即可對防護結構實現快速錨固。

防護結構沿坡面呈網格式布置，可按照正方形、矩形或菱形拓展布滿整個坡面，如圖2所示，從受力角度出發，一般以矩形為主。

網格由裝配式節點和梁單元組成，節點形狀與網格布置形狀相匹配，小型傘型錨錨固在節點上，其連接安裝如圖3所示。梁采用輕型預制混凝土矩形截面梁，每段長1.0～3.0 m，梁與梁、梁與節點之間均采用裝配式連接。梁的側面預制掛鉤，通過在網格內掛設植被層進行植被種植。節點處設置錨固構件，梁作為主要受力構件直接承擔結構與生態植被層的重力，并將其傳遞給錨固構件。

植被層采用預制形式，用土工格柵包裹土壤和種子，形成具有一定厚度且適應網格形狀尺寸的含土植被層，四周掛在網格梁上，如圖4所示。

2 小型傘型錨錨固結構性能

普通傘型錨在鄂北調水工程及南水北調中線工程得得了良好應用^［19-20］，但與采用普通傘型錨對邊坡進行加固不同，作為新型裝配式護坡的錨固結構，其傘型錨的錨固深度和尺寸均比普通傘型錨要小，其主要作用是為邊坡防護結構提供錨固力。

2.1 模型試驗方案

采用室內模型試驗對小型傘型錨的錨固性能進行研究。

（1） 試件參數。小型傘型錨錨板采用Q345鋼材制作，平面尺寸為200 mm×100 mm，厚度為20 mm。錨板中部開有直徑15 mm的孔，錨桿從中間穿過后在底部通過螺栓與錨板緊密連接，如圖5（a）所示，連接錨桿采用直徑15 mm、等級為HRB335的螺紋鋼筋。

（2） 土體參數。土體采用黏性土，干密度1.76 g/cm³，含水率23.6%，黏聚力為16.4 kPa，內摩擦角為22.5°。

（3） 模型箱設置。模型箱尺寸為80 cm×80 cm×100 cm，一側為足夠厚的亞克力板，錨板與亞克力板接觸一側設有光滑滾珠，并在亞克力板面上涂抹凡士林減小摩擦。

（4） 試驗設置。試驗通過預埋的方式替代傘型錨錨板切土張開后擠壓上部土體的過程，從錨固力開始發揮作用作為起點開始試驗。錨板以下土層厚200 mm，錨板以上土層厚600 mm，模型箱內土體分層填筑，每層厚度為50 mm，每層之間通過拉毛等方法增加相鄰層之間的黏聚力；錨板下土層填筑完成后，根據設計錨固位置安放好錨板，然后再分層填筑錨板以上土層；每層土體填筑時，在透明板一側設置好標志線。

在錨桿和加載裝置之間安裝拉力計和百分表測量拉拔力和位移；同時在土層表面設置液壓千斤頂進行加載，模擬上部土體自重荷載，千斤頂下方設置傳力板以及壓力板使得上覆加載能夠均勻傳遞至土層表面，試驗中小型傘型錨的等效錨固深度取3 m和5 m。試驗整體布置如圖5（b）所示。

（5） 加載方法。試驗采用分級加載，每級荷載為2.5 kN，每級持荷時間為10 min，并記錄位移增量，每級加載時間內連續兩次測讀的位移增量不超過0.1 mm即視為該級錨桿位移穩定，方可進行下一級加載，直到加載后位移始終無法穩定即停止加載，以上一級荷載為最終的極限荷載。

2.2 試驗結果分析

試驗測得的荷載-位移曲線繪制在圖6中。從圖6可知，在錨固深度為3 m和5 m兩種條件下，小型傘型錨的極限抗拔力分別為20 kN和32.5 kN，抗拔力隨著錨固深度的增加而增大，最終破壞模式表現為錨板上部土體受剪屈服破壞，形成上凸的破裂面曲線。在用于新型裝配式生態護坡結構中時，可通過增加錨板面積來提高錨固力，并對極限抗拔力進行安全系數折減后作為設計錨固力。

采用與試驗中相同直徑和等級的螺紋鋼筋作為鋼筋錨桿，采用鉆孔注漿方式提供錨固力，與小型傘型錨進行對比。

對于錨固深度3 m和5 m兩種情況，采用直徑30 mm的鉆孔并在鉆孔內全長注漿，根據GB 50086-2015《巖土錨固劑噴射混凝土支護工程技術規范》^［21］，采用一次重力灌漿，灌漿體與黏性土地層的極限黏結強度標準值取為0.05 MPa，考慮錨固長度對黏結強度的影響系數調整后，計算得到兩種錨固深度下鋼筋錨桿的極限抗拔力分別為22.6 kN和30.6 kN，與同等錨固深度下的小型傘型錨抗拔力相當。但是，傘型錨作為機械錨桿，在反向切割土體完成張開后即可提供錨固力，不需要等漿液凝固，能有效縮短工期，在工效上明顯優于注漿錨桿。

3 邊坡淺層穩定性分析

3.1 防護單元土體淺層穩定性分析

圖7為防護單元土體的受力示意圖。對于矩形防護結構護坡，坡面防護結構對邊坡淺層土體的力學作用主要是橫向格構梁擋土抗力和自重引起的對坡體正壓力。自重在順坡向的分力由下部土體和坡腳共同支撐，且由于采用在網格內掛設植被層，土體與格構梁間的摩擦可以忽略不計。對于坡度為α的邊坡淺層滑動，坡長遠大于雨水軟化深度z_w時，可近似認為是無限長斜坡失穩，其破壞模式為“順坡平面”失穩破壞模式，可以將任意長度土條底部“順坡平面”上產生的剪應力是否達到其抗剪強度作為判據^［4］。

根據文獻［10］的推導，對于無限長斜坡，格構防護單元體邊坡淺層土體的安全系數為

式中：R為滑面下部土體對上部土體的抗滑力，T為土條自重在滑面上產生的下滑分力，l_H是矩形網格的橫向凈間距，L_V為單元體的長度，b為格構梁寬度，V_c為防護單元內橫向與縱向格構梁體積之和，V_s為防護單元內橫向與縱向格構梁進入坡體中格構槽的體積，γ_c和γ分別格構梁重度和土體的重度，E為橫骨架提供的擋土抗力，α為邊坡坡角，φ為淺層土體內摩擦角，G₀為預制植被層重力。其中：

由于本文提出的新型裝配式護坡結構采用預制植被層，且通過防護結構格構梁側面的掛鉤進行安裝，故格構梁進入邊坡土體的深度較淺。植被層采用預制形式，通過土工格柵進行包裹，與邊坡土體表面之間并不連續，這種情況很難發生文獻［4］中提到的骨架框內土體失穩模式，格構橫梁提供的擋土抗力E較小，可在式（1）中忽略該項，使安全系數的計算結果偏保守，同時考慮預制植被層的重力G₀作用，式（1）變為

對于有錨桿作用的情況，錨桿錨固深度要大于滑裂面深度，固定在坡體內部的穩定部分，此時錨固力沿坡面向上的分力直接作為抗滑力抵抗土體下滑，垂直坡面的分力引起對坡體的正應力，增加滑裂面上的抗滑阻力。增加錨桿作用后，式（4）變為

式中：F為錨固力，計算時根據防護單元涉及到的錨桿按照面積平均分攤進行計算；θ為錨桿與水平方向的夾角。

3.2 案例分析

以麗江機場改擴建工程場道某邊坡進行分析，該邊坡共1級，高度為10 m，邊坡坡比為1∶2。

根據勘察報告得知邊坡土體為黏性土，最大埋深23.5 m，其自然狀態和飽和狀態下的物理力學特性相關指標列于表1中。新型裝配式生態防護結構中，防護結構采用矩形格構形式，尺寸為2.5 m×2.5 m，格構梁的寬度b為0.2 m，埋置深度為0.05 m，混凝土格構梁重度為24 kN/m³；傘型錨錨固結構安裝角度θ為15°，錨固深度為5 m，錨固力F為25 kN，錨間距為2.5 m；網格內部掛有預制植被層，厚度為0.15 m，其平面尺寸略小于網格尺寸，為2.4 m×2.4 m，考慮到預制植被層與網格間的間隙以及植被情況，其飽和狀態下重度按照12 kN/m³考慮。

考慮到降雨作用下生態護坡植被層對邊坡的保護作用，假設雨水軟化深度z_w為1.5 m^［5］，而傘型錨錨固深度為5 m，穿透了雨水軟化層，錨固力可靠。根據式（5）可計算得到未進行錨桿錨固和進行錨桿錨固后邊坡淺層穩定安全系數F_s分別為0.94和1.21。

根據安全系數計算結果，單獨采用坡面防護結構和預制植被層時，邊坡淺層會發生“順坡平面”失穩。采用傘型錨錨固后，邊坡淺層穩定安全系數得到大幅提高，說明錨固力對邊坡淺層的抗滑力有明顯提升，能將新型裝配式生態防護結構牢牢固定在邊坡上并保證邊坡穩定。

3.3 關鍵因素影響分析

對于新型裝配式生態防護結構，錨桿錨固在節點位置，錨間距與網格尺寸一致。對于不同的網格尺寸，相應增加格構梁的截面尺寸，在保證梁不會發生開裂的情況下，利用上述案例中的參數計算得到不同錨固力下邊坡淺層穩定安全系數，列于表2中。

從表2的計算結果可以看出，當錨固力一定時，隨著錨間距的增大，邊坡淺層穩定安全系數不斷減小，尤其是當錨間距達到3 m時，需要錨固力大于50 kN才能使得安全系數大于1.20，特別在錨間距為4 m時，錨固力達到75 kN，安全系數才達到能超過1.20。綜合經濟性、運輸和施工便捷性、邊坡淺層穩定性等方面考慮，新型裝配式邊坡防護結構錨間距的適宜范圍為1.5～2.5 m。

3.4 數值分析

采用Geo-Studio數值模擬軟件建立上述邊坡的二維平面數值模型，根據3.2節以及表1中的相關參數設置邊坡土體物理力學參數以及防護結構的力學參數。數值模型中邊坡考慮無任何防護、只進行傘型錨防護、只進行格構式構件防護以及采用新型裝配式生態防護結構防護4種工況。采用極限平衡分析方法對4種工況下的邊坡安全系數以及滑裂面情況進行計算。考慮1.5 m的雨水軟化深度，分別計算圓弧滑面和以雨水軟化層界面為滑面的2種滑裂面形式，將安全系數最低對應的滑裂面形式作為邊坡失穩的模式。

（1） 無任何防護。對于無任何防護的邊坡，其計算結果如圖8所示。沿雨水軟化層界面滑動的邊坡安全系數1.08，低于圓弧滑面對應的安全系數（1.33）。2種安全系數最低的失穩模式對應的滑裂面均位于雨水軟化深度范圍內，表現為淺層失穩模式。

（2） 只進行小型傘型錨防護。沿坡面布置小型傘型錨進行加固，傘型錨的間距為2.5 m，錨固角度為15°，錨固力為25 kN，兩種滑裂面形式下邊坡的安全系數結果如圖9所示。從圖9中可以看出，兩種滑裂面形式下最小安全系數對應的失穩形式仍表現為淺層雨水軟化深度內的土體滑動，相比于無任何防護的邊坡，安全系數顯著增大，表明小型傘型錨加固對邊坡的淺層穩定性具有顯著提升。

（3） 只進行格構式構件防護。在邊坡表面設置一層格構式防護層，將格構式防護構件的重力以及剛度等效施加在這一層上，使得該層對邊坡施加同等的重力荷載，同時對邊坡表層形成一定的約束。只采取格構式構件防護條件下，兩種滑裂面形式下邊坡的安全系數結果如圖10所示。

從圖10可以看出，在只采取格構式構件防護時，對于沿雨水軟化層界面的折線滑裂面失穩模式，格構式構件增加了邊坡滑體的自重以及下滑力，降低了邊坡淺層滑動的安全系數；對于圓弧滑裂面的失穩模式，格構式構件增加了邊坡表層的剛度和整體性，增大了圓弧滑裂面的跨度和直徑，使邊坡的失穩模式從淺層失穩轉變為邊坡深層整體失穩，增加了邊坡整體滑動的安全系數。

（4） 采用新型裝配式生態防護結構防護。新型裝配式生態防護結構同時采用小型傘型錨和坡面格構式構件防護，將兩者結合后進行邊坡的穩定性計算。兩種滑裂面形式下邊坡的安全系數結果如圖11所示。

從圖11可以看出，對于折線滑裂面形式，采用新型裝配式生態防護結構后，邊坡的淺層穩定安全系數為1.25，介于只用傘型錨和只用格構式構件兩種防護形式對應的安全系數中間，與表2中的計算結果接近，數值計算結果偏大的原因主要是理論分析采用的是防護單元，未考慮滑裂面上下兩端的情況，而數值模型中需考慮整個滑裂面的影響。同時，增加小型傘型錨進行固定，對只采用格構式構件防護的邊坡其淺層穩定性和整體穩定性有明顯提高。

4 結 論

本文提出一種采用小型傘型錨作為錨固構件，結合裝配式格構防護構件和預制植被層的新型裝配式護坡結構，然后采用室內物理模型試驗對小型傘型錨的錨固性能進行了研究，并通過理論分析方法推導得到適用于新型裝配式生態護坡結構的邊坡淺層穩定性安全系數計算公式。借鑒實際工程參數及相應的數值分析，對傘型錨錨固力、錨間距、不同防護形式等關鍵因素進行了分析，得到以下結論：

（1） 相比于注漿鋼筋錨桿，小型傘型錨具有施工便捷、錨固力生效快的優勢，能對淺層土體提供有效的錨固力，且錨固力隨著錨固深度的變大而增大。

（2） 綜合考慮技術、經濟、邊坡淺層穩定性等方面，在常用的1∶1.5～1∶2.5坡比參數和小型傘型錨錨固力設計參數范圍內，新型裝配式邊坡防護結構坡面錨間距（網格邊長）的適宜范圍為1.5～2.5 m。

（3） 相比無防護、單純小型傘型錨防護和單純格構構件防護，新型裝配式生態防護結構既能提高邊坡淺層穩定性，還可避免邊坡發生局部破壞，發揮下伏土層強度，進而提高邊坡整體穩定性，保證坡面生態防護系統能安全有效地發揮作用。

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（編輯：胡旭東）

Study on shallow stability of new assembled ecological protection slopes

ZHANG Shutao¹，PENG Jun¹，CHEN Hang²，WANG Tiancheng²

（1.Civil AviationZhongnan Airport Design and Research Institute Guangzhou Co.，Ltd.，Guangzhou 510000，China；2.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Abstract：Slope ecological protection can protect the slope from rainwater erosion which leads to instability failure.However，in the most of the existing slope ecological protection structures，concrete pouring construction and grouting anchor are used，which are relatively cumbersome and require a long on-site operation time.In response to these problems，a new assembled ecological protection structure is proposed，which consists of small umbrella anchors，assembled concrete slope protection components and assembled ecological vegetation layers.And the shallow stability of the soil slope using new assembled ecological protection structure was studied.Firstly，indoor model tests were conducted to verify the anchoring performance of small umbrella anchors.Secondly，based on the composition and mechanical characteristics of the new protection structure，a formula for the safety factor of shallow stability of the protected slope was derived.Combined with a practical slope in reconstruction and extension project of Lijiang airport，the influence of key factors such as anchor force and anchor spacing on the shallow stability of the slope was analyzed.Finally，based on the limit equilibrium method，a numerical analysis was conducted to study the potential instability states of slopes under different protection conditions.The results showed that the suitable range for the anchor spacing of the new assembled slope protection structure was 1.5～2.5 m，and compared to simple small umbrella anchor support and lattice support，the new assembled ecological protection structure can not only strengthen the shallow stability of the slope，but also avoid local damage，give full play of the strength of the underlying soil layers，and improve the overall stability of slopes.Meanwhile，the new structure has the advantages of convenient construction，taking effective immediately after installation，and easy local demolition and replacement.

Key words：assembled ecological protection slope；shallow stability；umbrella anchor；safety factor