厚层基材喷射植被护坡技术中锚杆力学行为分析与研究

郭春丽，朱德滨

(西南林业大学交通机械与土木工程学院，昆明650224)

植被护坡是利用植被涵水固土的原理稳定岩土边坡同时美化生态环境的一种新技术，是涉及岩土工程、恢复生态学、植物学、土壤肥料学等多学科于一体的综合工程技术［1］。该技术应用于实践的历史久远，早期主要用于河堤护岸及荒山治理，近十多年才广泛应用于道路的边坡防护。

植被护坡方法种类繁多，厚层基材喷射植被护坡技术主要用于如散播、植生带、框格植被、三维植被网等无法应用的岩石边坡防护［2］。

1 基本组成

厚层基材喷射植被护坡是采用混凝土喷射机把基材与植被种子的混合物按设计厚度均匀喷射到需要防护的边坡坡面的绿色护坡技术［1］。基层材料结构类似于自然土壤且能够贮存水分和养分，解决了岩石边坡无法生长植物的困境。由于喷射的基材厚度较大，一般为5～15cm，有脱落、崩塌危险，为使喷射的基材稳固在岩石坡面上，需要在基材喷射前在坡面预铺钢丝绳网或铁丝格栅来加固喷射的基层材料。

厚层基材喷射植被护坡技术除了对边坡起到稳定和加固作用外，同时还能避免边坡受到冲刷剥蚀和风化的威胁，而且对坡面形态无特殊要求，可用于稳定岩体或工程措施处理过的不稳定岩体边坡［3－4］。其构造示意图如图1所示，主要由钢筋锚杆、铁丝格栅和基层材料三部分组成。

钢筋锚杆和铁丝格栅通过锚垫螺栓连接成一个整体结构，使基层材料和岩体坡面紧贴在一起，提供给绿色植物一个开放的自由的生长空间。钢筋锚杆可以增加边坡及基层材料间的抗拉、抗剪性能，还可以阻止和减缓护坡体的滑移和滑塌。坡面上通过锚垫螺栓连接在钢筋锚杆上的铁丝格栅是发挥钢筋锚杆有效作用的重要组成部分。

在坡面护坡体系中，钢筋锚杆、铁丝格栅与边坡岩土体共同承担风、雨、雪等附加应力及基层材料的自重应力，岩体结构类型、边坡高度不同，钢筋锚杆的锚固深度和纵横间距亦不相同。

图1 厚层基材喷射植被护坡基本组成Fig.1 Basic components of thick layer base material praying bio－slope－engineering

2 适用条件

厚层基材喷射植被护坡技术主要适用于以下条件［5］。

(1)年平均降水量600～3000mm，连续干旱的天数在50d以内，且为非严寒地区;

(2)边坡坡面在1∶0.3范围内的坚硬岩石边坡和工程措施处理后的稳定坡面，如混凝土面、浆砌片石护坡坡面等。

(3)植物无法生长的软质岩石边坡、土夹石边坡及土质边坡等。

3 工程概况及原材料相关技术指标

云南省安楚高速公路位于滇中高原中部，地形复杂，盆岭相间，起伏明显，属高原构造，以中山，低中丘陵为主。公路沿线干湿季节明显，降雨量受地形影响大，年平均降雨量为2 914～1 533mm，且降雨多集中在6～10月，占全年降雨量80%以上。该公路是昆明通往滇西北、滇西南的重要通道，是关系云南旅游业发展的重要道路，其边坡防护在考虑水土保持、恢复生态环境的同时，强调景观效果。通过对沿线植物资源调查及沿线气候、土壤等综合环境条件分析，厚层基材喷射植被护坡技术可用于大部分路段的稳定岩石边坡防护。

主要原材料技术指标如下:锚杆为Ⅱ级Φ16钢筋;铁丝格栅由12号镀锌铁丝组成，孔眼大小为5cm×5cm，相邻两卷铁丝格栅需用细铁丝连接;基层材料喷射厚度约为10cm，主要由粘土、植物种子、保水剂、高分子凝结剂、植物生长剂、长效复合绿化专用肥料和木质纤维等组成。

4 钢筋锚杆受力状况分析

安楚高速公路厚层基材喷射植被护坡路段岩石边坡主要有1∶0.5、1∶0.75和1∶1几种不同形式，本文对上述不同坡比的石灰岩深层稳定边坡中钢筋锚杆受力进行了分析计算。

4.1 确定护坡体系不稳定滑动面

考虑到坡体为深层稳定岩石边坡，则岩石坡面与基层材料的接触面OA应为可能存在的不稳定滑动面，如图2(a)所示。

图2 厚层基材喷射植被护坡的作用力Fig.2 Applied forces of thick layer base material spraying bio－slope－engineering

4.2 计算坡面上钢筋锚杆实际总拉力Tk

钢筋锚杆是锚固于岩石边坡体系深处的受拉构件，它一端与铁丝格栅通过锚垫螺栓连接成整体加强坡面上基层材料的稳定性，另一端锚固在稳定的岩层内，整根锚杆长度可分为自由段和锚固段。自由段是指不稳定滑动面以上露出坡面的区段，锚固段是指通过注浆将钢筋锚杆与边坡体系粘结的那部分区段，通过锚固段与边坡体系间的粘结摩阻力作用可将自由段收到的拉力传至稳定岩体内部。锚杆自由段长度lf约为15cm。锚固段长度即为锚固深度la一般根据设计拉力来估算。

钢筋锚杆承受的总拉力T主要是由基层材料的自重应力产生。为了进行理论分析，需对岩石边坡体系进行相应的假设:

(1)边坡体系和钢筋锚杆均为为连续、均质、各向同性的弹性介质体系，锚杆沿边坡坡面均匀分布在岩石边坡体系之中;

(2)钢筋锚杆固定的基层材料为两向等压均匀分布的条形平面，即应考虑为平面应变问题;

(3)钢筋锚杆系杆件体，其上各断面的轴向应力是均匀分布的。

根据以上三方面的假定条件，以高H宽s的坡面上的铁丝格栅和基层材料共同体为研究对象。作用在共同体上的作用力如图2(b)所示。

(1)基层材料和铁丝格栅的自重G:

式中:s为钢筋锚杆纵横间离 (m);ρ为基层材料与铁丝格栅的总密度，由试验数据可知ρ≈1.8×103kg/m3;g为重力加速度，一般取9.8N/kg，在计算时为了方便取g=10N/kg;h为基层材料的厚度h≈10cm;H为边坡的高度 (m)。

(2)坡体对共同体的作用力N':

坡体对共同体的沿滑动面OA向上的摩擦力f'和坡体对共同体沿滑动面OA法向的支撑力N的合力。N'与滑动面OA的法线间的夹角应等于基层材料的内摩擦角φ，由试验数据可知φ=23.4°。

(3)坡面上所有钢筋锚杆对共同体的拉力T:

拉力T与滑动面OA垂直，大小需通过计算确定。

当护坡体系处于稳定状态时，铁丝格栅和基层材料共同体应处于静力平衡状态，则:

由(1)、(2)(3)式得:

当护坡体高H宽s时，坡面上所有钢筋锚杆总的拉力T(N):

考虑到风、雨、雪自然条件变化和冲刷沉积造成的外来荷载等的影响，钢筋锚杆实际总拉力Tk，应考虑乘以一个安全系数K。一般情况下K=1.7～2.5，对永久工程需取较大值，可取K=2.5。则，

4.3 钢筋锚杆整体稳定性分析与计算

钢筋锚杆受力稳定性既受到钢筋轴向抗拉强度限制，同时还受到锚固段的抗拔力影响。而钢筋轴向抗拉强度容易确定且可满足使用要求;但锚固段的抗拔力的影响因素较复杂，将是影响单根锚杆极限承载力的关键所在。

4.3.1 钢筋锚杆轴向抗拉强度计算钢筋锚杆的抗拉力可按(7)式计算［6］:

式中:E为钢筋锚杆的抗拉力(kN);d为钢筋锚杆的直径(mm);fy为钢筋锚杆抗拉强度设计值，fy=0.335 kN/mm2;

钢筋锚杆的抗拉断稳定性按(9)式验算［5］:

式中，:Ti为单根钢筋锚杆的拉力(kN);Kl为抗拉安全系数，Kl=1.8。

4.3.2 钢筋锚杆的抗拔出分析与计算

阻止钢筋锚杆锚固段从坡体中拔出的抗力一方面受到于坡体与锚固砂浆之间的粘结摩阻力限制，另一方面也受到钢筋锚杆与砂浆间的粘结强度控制。

(1)坡体与锚固砂浆之间的粘结摩阻力由两者间的结合强度确定。则单根钢筋锚杆的锚固力R1可按(10)式计算［5］:

式中:dh为锚杆成孔直径(mm)，对φ16钢筋锚杆dh=25mm;la为锚杆的锚固长度(m);τ为锚固砂浆与石灰岩的结合强度(kN/m2)，τ=1000 kN/m2。因此:

(2)钢筋锚杆与锚固砂浆间粘结强度控制的单根钢筋锚杆锚固力R2，可按(12)式计算［5］:

式中:τg为钢筋锚杆与锚固砂浆间的粘结强度(kN/m2)，τg=2400 kN/m2。因此:单根钢筋锚杆的抗拔力R由R1和R2中的小值来控制。则，R=R1=78.5lα。

钢筋锚杆抗拔出稳定性可由(14)式验算:

式中:Kn为锚杆的抗拔安全系数，Kn=1.8。

4.4 钢筋锚杆锚固段长度确定

当钢筋锚杆刚好满足抗拉断稳定性设计时单根锚杆所能承受的最大拉力为Ta:

式中:Ta为刚好满足抗拉断稳定性设计时单根钢筋锚杆所能承受的最大拉力(kN)。

当钢筋锚杆刚好满足抗拔出稳定性设计时，单根锚杆所能承受的最大拉力为Tb:

式中:Tb为刚好满足抗拔出稳定性设计时单根钢筋锚杆所能承受的最大拉力(kN)。

当钢筋锚杆同时满足抗拉断和抗拔出稳定性要求时是既经济又安全的，锚杆所能承受的最大拉力T0应由Ta和Tb中的小值确定，则:

Ta为一个确定值，Tb随la成正比例变化。当 Ta=Tb时，钢筋锚杆既能充分发挥作用又能满足安全经济性要求。此时

式中:T0为满足安全经济性要求时单根钢筋锚杆所受的最大拉力(kN)。

考虑到坡体风化、破碎程度等因素的影响素，实际最佳锚固段长度需适当增加，即:

式中:μ为坡体风化、破碎等因素的影响系数。

4.5 钢筋锚杆纵横间距计算与确定

护坡体系高为H宽为s时，坡面上钢筋锚杆呈矩形布置时会有以下分布规律:

式中:n为钢筋锚杆的根数;H为边坡高度(m);α为边坡体的倾角(°);s为锚杆纵横间距(m)。

由公式(5)和公式(6)可得:

将公式(20)代入公式(21)得:

由此可知，锚杆纵横间距会受到边坡坡度和高度的影响，考虑到施工质量、自然条件变化等影响因素，锚杆的实际最佳纵横间距应适当减少。

式中:η为施工质量和自然条件变化的影响系数。

将不同坡度和不同高度的限制条件代入公式(22)和公式(23)可得出钢筋锚杆实际最佳纵横间距ss见表1。

表1 不同坡度和高度岩体中锚杆的实际最佳间距Tab.1 Optimal span of anchor in the rocks with different slopes and heights

5 结 论

(1)通过对基层材料进行受力分析，根据静力平衡条件及自然因素、外荷载等因素的影响，可求出宽s、高H的边坡坡面上布置的所有钢筋锚杆受到的总的实际拉力Tk。

(2)通过对钢筋锚杆轴向抗拉和抗拔出的分析与计算可知，当锚杆同时满足抗拉断和抗拔出稳定性要求时是既经济又安全的，锚杆所能承受的最大拉力T0达到最理想状态，此时锚杆既能充分发挥作用，又能满足安全经济性要求。在石灰岩边坡体系中锚固段的长度la=0.95m，不受边坡坡度和高度的限制，且与实践中的锚固深度基本相吻合。

(3)根据岩体边坡坡面上所布置锚杆的根数规律以及在抗拉断稳定性和抗拔稳定性之间寻求到的最佳平衡点，即可得出锚杆实际纵横间距ss。但是ss会受到边坡坡度和高度的影响，这也与实际施工中设置的锚杆间距基本吻合。

［1］周德培，张俊云.植被护坡工程技术［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［2］刘本同，钱 华，何志华，等.我国岩石边坡植被修复技术现状和展望［J］.浙江林业科技，2004(3):48－55.

［3］沈建海，丁 坚，秦燕华，等.客土喷播技术在边坡生态防护中的应用［J］.绍兴文理学院学报(自然科学版)，2009(1):76－78.

［4］杨 林，佴 磊，刘永平.滑波稳定性分析及削坡减载在工程中的应用［J］.森林工程，2005，21(4):24－26.

［5］马业禹，艾国栋.节理岩边坡长短相间锚杆支护系统分析［J］.工路工程，2007，32(6):65 －69.

［6］郭春丽，李利明.锚杆在客土喷播技术中的受力状况分析［J］.林业建设，2008(5):44－48.