土工格室生态护坡抗冲刷性能研究

土工格室生态护坡抗冲刷性能研究

钟勇志 徐腾 王奇邦

四川省第一建筑工程有限公司

摘 要：采用简阳空港大道路堑边坡绿化工程中土工格室生态护坡原材料开展降雨冲刷试验。试验结果表明：随着降雨量增加，基质与植被土含水率快速增大，并由软塑状态过渡为流塑状态，土工格室单元格内土体沿坡面缓慢蠕动至上部土体与格式发生分离，雨水流入格式内并来不及排出，进一步软化土体，增加土体自重，增大土工格式内力直至其断裂破坏。根据土工格室护坡降雨冲刷破坏机理，采用ABAQUS数值模拟土工格室边生态护坡降雨入渗过程，对比分析改变土工格室焊距与植被土填充厚度对其抗冲刷性能的影响程度。在相同条件下，当土工格室焊距由1000mm改为330mm时，土工格室承载力提升22.62%；当土工格室内种植土填充厚度由10cm改为5cm时，土工格室承载力提升36.27%；即合理减小土工格室焊距与植被土填充厚度可有效提高土工格室生态护坡的抗冲刷性能。

关键词：土工格室；焊距；植被土；填充厚度；抗冲刷性能

1前言

二十世纪末期，英国首先采用土工格室内填土中喷播植物草种技术，有力的推动植草生态护坡技术的发展。国内最早与1993年引进土工合成材料植草护坡技术，并在此基础上进行改进与完善。

目前，关于土工格室护坡的稳定性分析主要分为极限平衡法与数值仿真分析方法。张季如[1]等基于对格室破坏模式的实践认识和理论分析，提出了格室稳定分析的计算方法，分析了边坡坡度、铆钉间距、格室深度以及土工格栅加筋对格室稳定性的影响。李忠臣[2]基于张季如提出的土工格室稳定分析模型，将其应用于京张高铁坡率为1：0.3的高陡岩质边坡工程中，计算分析了不同坡率和固土深度工况下对土工格室材料强度的要求，并对边坡土工格室表面监测数据进行分析。任敏松[3]基于强度系数折减法和流固耦合理论，利用有限元分析软件ABAQUS对选取的工程边坡进行了三维有限元模拟，通过比较不同降雨强度条件下边坡的安全系数以及72小时的降雨过程中坡体内部的各项参数变化情况得到降雨对工程边坡的整体稳定性的影响情况。左政[4]通过对焊接、插接、铆接3种结点连接方式的土工格室进行单轴拉伸试验，研究了结点连接方式对土工格室条带性能的影响，比较了在不同受力状态下结点的失效模式及抗拉强度。

本文在前人的基础上采用模拟实验研究土工格室护坡在降雨过程中的破坏机理，然后在此基础上，采用数值分析的方式研究土工格室规格与格室深度对护坡抗冲刷性能的影响规律及其程度。

2工程概况

简阳空港大道K0+000~K8+715.509段绿化工程路线两侧路堑边坡采用土工格室生态护坡防护，该地区为四川盆地中亚热带湿润气候，年总降水量平均值 895.6 毫米。

生态护坡采用的土工格室高度为100mm，焊接间距为1000mm，片材厚度为1.3mm。锚杆采用Q235φ20钢筋，坡面锚杆布置见图2.1所示。

图2.1 锚杆布置示意图（单位：cm）

生态护坡的施工顺序为：坡面整理—排水设施施工—坡面锚杆施工—挂土工格室—格室内充填植被土—喷播生态基质—盖无纺布养护。其中植被土与生态基质的基本物理指标见表2.1所示。

3降雨冲刷试验

为研究土工格室护坡与其表层生态基质层在降雨时的破坏机理，本文取一个锚杆间距的土工格室区域边坡开展降雨模拟试验，依次安装锚杆、土工格室、填充填料层、喷播生态基质层，生态基质层养护3天后进行降雨冲刷试验。以土工格室发生断裂或格室内土壤流失能见基岩时为土工格室生态护坡破坏条件。

3.1试验过程

1.安装边坡模型

在降雨箱内安装1：1坡率的2.2m×2.2m×15cm（长×宽×高）边坡模型，在模型边坡的四角与中心位置安装一根U性螺杆模拟U型锚杆，螺杆斜距为1.5m，见图3.1所示。

图3.1 岩质边坡模型

2.安装土工格室

先固定螺杆处土工格室，然后用铁丝固定坡顶、坡度、两个顺坡边界，使模型内土工格室处于安全拉伸状态，见图3.2所示。

图3.2 土工格室安装图

3.粘贴应变片

选择边坡中间上、中、下土工格室连接处，沿连接点四边分别粘贴一个单轴应变片，共计12个应变片，见3.3图所示。

图3.3 土工格室应变片布置图

4.填充植被土并安装位移传感器

当植被土填充厚度5cm时，按图3.4所示依次埋置拉线位移传感器的活动端，在水平固定拉线位移传感器的固定端，然后继续填充植被土直至10cm厚度。

图3.4 拉线位移传感器布置示意图

5.喷播基质层

基质喷播厚度为5cm，基质喷播后养护3天进行降雨冲刷试验，模型见图3.5所示。

图3.5 边坡模型

3.2试验结果

以10mm/min雨强持续降雨10min时，对应降雨量为100mm（大暴雨天气），土工格室未出现断裂现象，也未出现格式内植被土明显流失现象，边坡整体无滑动趋势，坡面无严重冲蚀现象，即在大暴雨天气下，该土工格室与基质边坡处于基本稳定状态。

当继续降雨时，坡面冲蚀情况逐渐较严重，土工格室单元格内土体含水率快速上升，土体由软塑状态逐步过渡到流塑状态，在自重作用下基质层沿边坡逐渐流失，填料层沿边坡向下缓慢滑动，导致单元格内土体与土工格室上侧边界逐渐脱离形成空隙，雨水流入土工格室内且不能及时排出，进一步增加单元格内土体自重。随着降雨量增大，土工格室内土体自重快速增大，土工格室的内力逐渐增大，直至内力超过土工格室焊接点抗拉强度，土工格室发生破坏，内部土体随之发生整体滑移破坏。土工格室断裂后破坏过程见图3.6所示。

图3.6 土工格室断裂后边坡破坏过程图

4抗冲刷性能分析

针对降雨时土工格室生态护坡的破坏模式，可采用降低格室内填料厚度减轻自重或减小土工格室焊距的方式提高土工格室的承载力，进而提升生态护坡的抗冲刷性能。因此，本文设计表4.1中3种工况，采用ABAQUS有限元软件数值分析土工格室边生态护坡降雨入渗过程。

4.1建模流程

工况1~工况3建模流程一致，仅需改变土工格室的焊距及其内部填料的厚度即可分析对应工况，建模流程见图4.1所示。

图4.1 土工格室边坡建模流程图

4.2计算结果

数值仿真计算内容包括土工格室生态护坡的整体位移，锚杆的位移与应力，土工格室的位移与应力。

4.2.1工况1计算结果

本工况的边坡最大位移为1.74mm；锚杆最大应力为111.2MPa，最大位移为0.64mm；土工格室最大应力为0.89MPa，最大位移为1.65mm，节点最大应力为0.504MPa，计算结果见图4.2所示。

图4.2工况1计算结果

4.2.2工况2计算分析

本工况的边坡最大位移为1.47mm；锚杆最大应力为176.1MPa，最大位移为0.76mm；土工格室最大应力为0.62MPa，最大位移为1.38mm，节点最大应力为0.612MPa，总体计算结果见图4.3所示。

图4.3 工况2计算结果

4.2.3工况3计算分析

本工况的边坡最大位移为0.99mm；锚杆最大应力为118.5MPa，最大位移为0.51mm；土工格室最大应力为0.42MPa，最大位移为0.92mm，节点最大应力为0.309MPa，总体计算结果见图4.4所示。

图4.4 工况3计算结果

4.3结果分析

对比工况1与工况3计算结果，在相同条件下，当土工格室的焊距由1000mm减小为330mm时，工况3除锚杆最大应力较工况1略有增大，但仍小于锚杆抗拉强度205MPa，其余各项计算内容的结果均较工况1明显降低，其中土工格室最大节点应力为控制项，工况3较工况1的最大节点应力降低22.62%，即在相同条件下承载力提升22.62%，各项内容计算结果及对比见表4.2所示。

对比工况2与工况3计算结果，在相同条件下，当土工格室内填料层厚度由10cm减小为5cm时，工况3各项计算内容的结果均较工况2有明显降低，其中土工格室的最大节点应力为控制项，工况3较工况2的最大节点应力降低36.27%，即在相同条件下承载力提升36.27%，各项计算内容结果及对比见表4.3。

5结论

（1）本文降雨冲刷试验所述土工格室生态护坡所能承受的极限降雨量为100mm，对应极端条件为大暴雨天气。

（2）在相同条件下，当土工格室焊距由1000mm减小为330mm时，土工格室承载力提升22.62%；当土工格室内种植土厚度由10cm减小为5cm时，土工格室承载力提升36.27%；即减小土工格室焊距与格室内植被土填充厚度可有效提高土工格室的承载力，故综合建议施工时合理选择采土工格室的焊距与植被土厚度，进而提高土工格室生态护坡在极端恶劣天气下的抗冲刷性能。

参考文献

[1]张季如,朱瑞赓,程序桥.土工格室用于岩石边坡植被侵蚀防护的稳定性分析[J].岩土力学,2003(03):359-362.DOI:10.16285/j.rsm.

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[3]任敏松. 基于ABAQUS的土工格室生态边坡稳定性数值模拟研究[D].山东大学,2015.

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