生态袋-玄武岩纤维用于边坡防护的数值模拟研究

沈君 罗小刚 陈学平 李云鹏 程寅＊

（1交通运输部科学研究院，北京 100029；2新疆交通建设管理局，乌鲁木齐 830049）

1 引言

边坡是自然或人工形成的斜坡，是人类工程活动中最基本的地质环境之一，也是工程建设中最常见的工程形式。常见的工程边坡有：露天矿边坡、路堤边坡、路堑边坡以及水利边坡等等。边坡发生失稳滑坡等灾害屡有发生，往往会造成严重的人员伤亡及巨大的财产损失，如：1963年10月9日意大利瓦伊昂水利边坡发生超巨型滑坡体，摧毁了邻近隆加罗市及其数个村镇，造成了2000余人遇难；2005年8月12日陕西省商洛市陕西五洲矿业公司突发山体滑坡，造成宿舍、民房被掩埋，约40～66人遇难。据1986年E.N.Bromhead的统计，用于边坡治理的费用约占地质和自然灾害的25%～50%左右；在我国西部高速高速公路建设中，用于边坡处治的费用占总费用的30%～50%，可见边坡的治理将耗费大量人力、物力、财产等[1]。对于边坡的治理早在上个世纪50年代开始国内外就有防护处治措施，如：地表排水、清方减载、填土反压、抗滑挡墙及浆砌片石等；到60年代末期，在铁路建设中首次采用抗滑桩技术，强调支挡为主、综合整治；我国于80年代末期开始采用锚喷防护技术；90年代至今，压力注浆加固手段及框架锚固结构越来越多地用于边坡处治，植物绿色防护备受青睐[2，3]。

关于边坡稳定理论分析的发展已相当成熟，国内外学者进行了一些列边坡稳定分析方法研究，如：在1916年由Prantle提出了圆弧滑动法，于1954、1955年由Janbu和Bishop提出条分法，到20世纪70年代时由王复来提出王复来条分法，于20世纪90年代时由陈祖煜提出了三维极限平衡法[1，2]。

随着边坡工程的大规模建设与发展，为了响应国家建设生态文明、打造绿色交通的号召以及遵循绿水青山就是金山银山的理念，关于绿色边坡防护的研究备受关注，如：邢建龙[4]等介绍了生态袋这一新材料的边坡防护系统组成以及生态袋应用于边坡防护的设计方法、施工工艺，通过工程实例证实了生态袋具有结构稳定、施工简便、景观优美、节能环保等特点，符合当今环境保护和可持续发展的潮流。江文[5]主要以具体工程案例为依托，详细介绍了生态袋各组件联结方式、生态袋边坡施工工艺及其注意要点，为建设生态性、环保性护坡及其类似工程提供了参考与借鉴。刘冯等[6]以连镇铁路生态袋边坡防护为工程实例，详细阐述生态袋边坡防护施工技术流程及工艺要求，具有坡面绿化效果好、施工简便、速度快、保持水土与改善环境的优势。

通过以上分析可知，采用生态袋进行边坡防护需要联结扣件将相邻生态袋连接、架设土工栅格或打设锚索等，联结扣件紧密程度、锚索打设土体深度等问题均会影响边坡稳定。为解决此类问题，应选取一种新材料来代替，文献[7，8]对玄武岩纤维（布）的力学性能及强度进行了详细研究，玄武岩纤维具有较高的抗拉强度与弹性模量，同时具有耐热性好、耐腐蚀性好、价格低廉、原料易得、低导热性和较好的介电性能等多重优良性能，并且制造过程环保无危害，能直接降解为泥土。关于玄武岩纤维在土木建筑工程领域应用较多，其中：文献[9]主要对路堑边坡玄武岩纤维筋锚杆支护的应用进行研究；文献[10]主要对玄武岩纤维在重载交通沥青路面中的应用进行研究；文献[11]主要对玄武岩纤维增强复合锚杆支护土质边坡设计进行试验研究。以上对玄武岩纤维应用研究主要利用了其具有较高的抗拉强度，提高被加固的边坡或沥青路面的强度。

但是，关于玄武岩纤维与生态袋组合用于路基边坡防护的研究较少。因此，本文依托《利用纤维网与生态袋进行路基边坡柔性防护技术》项目为研究背景，采用有限元数值模拟分析的方法，重点分析路基边坡不同防护结构（生态袋与纤维网布设方式）对边坡整体安全稳定性的影响规律，以期获得既能保证边坡安全又能降低工程造价的生态袋与玄武岩纤维的最大安全裸露土体面积，为类似的边坡生态防护工程提供科学合理的参考与指导。

2 路基坡面柔性防护结构设计

采用生态袋与玄武岩纤维组合的方式进行路基坡面防护，生态袋与纤维网的不同组合方式对其边坡整体安全性有显著影响。因此，需要对路基坡面柔性防护结构进行合理设计，为下文建立数值模型提供依据。

2.1 施工工艺

1）生态袋准备

采用PP材料或其他耐腐蚀的高强材料加工形成的生态袋，填充细砂、粉砂等混合物。装填生态袋规格：60×30×40cm（长×宽×高）。

2）玄武岩纤维准备

在路基路面施工时，在完成路基基层施工后，铺设延伸到路面外侧的高强纤维，路面外侧的高强纤维铺展于坡面上。

3）生态袋铺设

沿坡面等高线铺设生态袋，并夯实生态袋呈扁平状，土壤紧实度以达到多少为宜，借鉴工程经验。

4）纤维柔性框格

图1 玄武岩纤维-生态袋五种不同边坡防护形式

将下端纤维从下到上反卷包裹一条由多层生态袋夯实的条带，每条生态袋包裹的上端用线绳绑扎或用铁丝绑扎上下两层纤维，再顺坡面向上包裹生态袋并绑扎固定，形成多条柔性防护条带格架。

5）框格中填土与坡面种植

在纤维柔性框格中间填充土壤，拍平拍紧拍实。在全坡面播种或栽植植物，进行绿化。

2.2 边坡防护结构

为了得到不同边坡防护结构下边坡的安全性，共设计5种坡面防护工艺情景，这5种坡面防护工艺中玄武岩纤维土工栅格均直接固定生态袋，对整体结构起到稳定作用。

五种土壤固定结构分述如下：

1）全坡面致密生态袋防护方式

为当前玄武岩纤维土工栅格生态袋防护方式下采用的形式，也是当前正在一些区域利用的生态袋植被防护方式，主要利用层层码放生态袋，再在生态袋上挖孔栽植灌木的方式。

2）生态袋方格网框架（纤维包裹固定）和植生袋防护方式

植生袋为带孔的PE网或其他材料组成，其强度及在环境中的持续时间较短，通过其与致密程度较高的生态袋相结合，实现对土壤的固定。

3）生态袋方格网框架（纤维包裹固定）和填充土壤防护方式

采用生态袋作为框架，进一步在框架内填充土壤，实现土壤固定的目的。

4）条带式生态袋（纤维包裹固定）和植生袋防护方式

采用条带式生态袋与条带式植生袋结合，固定土壤为植物生长提供基础。

5）条带式生态袋（纤维包裹固定）和填充土壤防护方式

采用条带式生态袋与在条带间回填土壤结合，固定土壤为植物生长提供基础。

以上五种方式代表了对土壤层的不同的固定程度，在这些固土方式下，土壤在坡面的自由程度不同。五种不同边坡防护形式如图1所示。

3 最大安全裸露土体面积数值计算

3.1 建立模型

根据玄武岩纤维与生态袋边坡生态防护工程项目所处周围地质条件，建立边坡模型选取砂土地层，采用有限元数值模拟软件MIDAS-GTS/NX，建立玄武岩纤维-生态袋边坡防护模型如图2所示。

图2 玄武岩纤维-生态袋边坡防护模型

以边坡坡率为1：1，边坡倾角45°，边坡高度5m为例。按照郑颖人建议设计边坡的尺寸大小，其中：模型X轴方向取25m，Y轴方向取3.6m，Z轴方向取10m。为满足计算精度的要求，采用混合四面体网格生成器，共建立网格数量为64153个。

1）选取本构模型及参数

砂土材料选取莫尔-库仑准则。生态袋装填细砂、粉砂等混合物，亦选取莫尔-库仑准则。玄武岩纤维采用正交各向异性土工栅格结构材料模拟。砂土地层及生态袋力学参数查阅《工程地质手册》选取，详细参数见表1；玄武岩纤维力学参数依据现场实验获取，详细参数见表2。

表1 砂土地层及生态袋物理力学参数

表2 玄武岩纤维物理力学参数

2）确定边界及荷载条件

边界条件：地层边界采用位移自动约束。

荷载条件：自重；考虑玄武岩纤维对生态袋及土层的加固作用，边坡斜坡面上荷载取15kPa，沿X轴正方向，荷载作用点为横纵纤维网交叉点处；考虑路基边坡坡顶面施工影响，在5m范围内作用施工荷载2kPa，沿Z轴负方向。

通过上述路基坡面柔性防护结构设计可知，为准确分析计算出最大裸露土体安全面积，另分别建立了四种不同的边坡防护模型：（1）生态袋-纤维田字形铺设；（2）生态袋-纤维四道栅格铺设；（3）生态袋-纤维两道栅格铺设；（4）生态袋-纤维口字形铺设。四种边坡防护模型如图 3所示。

图3 四种边坡防护模型

3.2 计算结果分析

针对以上五种生态袋与玄武岩纤维不同组合结构形式下的边坡防护模型，分别计算出其对应的边坡安全系数以及布设生态袋与玄武岩纤维的面积和未布设生态袋与玄武岩纤维的面积，统计于表3。

表3 五种不同工况下边坡安全系数

绘制五种生态袋、纤维网铺设方式下边坡安全系数和未布设纤维土体面积柱形图，如图4所示。

图4 不同工况下边坡安全系数和未布设纤维面积柱形图

由表3及图4可知，在砂土地层边坡条件下，全坡面生态袋、玄武岩纤维土工栅格铺设防护模式的边坡安全系数最高、最安全，安全系数值为1.774，其中：田字形生态袋与纤维土工栅格铺设、四道栅格、两道栅格、口字形生态袋与纤维土工栅格铺设模式下边坡的安全系数依次降低；根据《建筑边坡工程技术规范》及相关工程地质手册建议一般路基边坡最小安全系数应大于1.35，则采用口字形生态袋与纤维组合铺设时，边坡安全系数值为1.202，不能满足边坡安全要求，存在工程滑坡等边坡灾害；当采用两道栅格（目字形）生态袋与纤维组合铺设时，其边坡安全系数值为1.451，能够满足边坡安全系数要求，并得出未布设生态袋与纤维面积，即：未铺设生态袋与纤维的最大安全裸露土体面积值为11.52m2，在此种工况下既能保证边坡的安全稳定，又能最大程度的节约工程造价，符合环保经济理念。

4 玄武岩纤维抗拉强度计算

通过上述分析可知，在路基边坡生态防护工程中，采取生态袋与玄武岩纤维组合铺设可以有效的加固边坡，提高边坡整体的安全性，但是需要进一步验证玄武岩纤维是否满足允许抗拉强度值。因此，建立简化的理论模型来验证。

4.1 建立计算简化模型

选取有限元模型中两道栅格生态袋与玄武岩纤维铺设方式下的边坡（工况4），以单位宽度截面边坡为研究对象，绘制简化图进行理论计算分析，如图5所示。

图5 玄武岩纤维理论计算简图

在图 5中，作用于边坡斜坡面生态袋与玄武岩纤维的锚固荷载P1=15kPa，作用于边坡坡顶面施工荷载P2=2kPa，生态袋层层堆叠放置、压平。

4.2 计算分析

假设生态袋荷载全部由玄武岩纤维承担且纤维与边坡摩阻力为0kPa（最不利情况）；玄武岩纤维土工栅格宽度为1m，面密度为260g/m2，单纤直径为13um，抗拉强度为1800MPa；恒荷载分项系数取1.2，活荷载分项系数取1.4，则玄武岩纤维沿斜坡面上、下方向的拉应力计算公式见（1）、（2）：

式中：b—生态袋宽度，单位m；h—生态袋高度，单位m；l—生态袋长度，单位m；nb—边坡单位宽度范围内生态袋数量，取值为2袋；nh—边坡高度范围内生态袋数量，取值为17袋；γ—生态袋重度，取值为17kN/m3；γG—恒荷载分项系数，取值1.2；γQ—活荷载分项系数，取值1.4；m×n—斜坡面锚固荷载作用于生态袋与纤维的面积；hs—玄武岩纤维厚度，取值1mm；θ—边坡倾角，°；P1—作用于斜坡面生态袋与纤维的锚固荷载；P2—作用于坡顶面5m范围内的施工荷载；L—坡顶施工荷载作用长度；B—单位计算宽度，取值1m。

将以上所取数值代入式（1）、（2），可得：

由上述计算可知，在上述假设的最不利情况下，玄武岩纤维抗拉强度计算值约为72.11MPa，小于允许抗拉强度值1800MPa。

因此，上述数值模拟计算的边坡整体安全系数及玄武岩纤维抗拉强度值均满足安全性要求。

5 结论

1）通过文献调研方法，针对目前关于生态袋与玄武岩纤维组合铺设应用于边坡生态防护这一研究不足之处，设计了五种可行的不同路基坡面柔性防护结构，为数值模拟计算提供依据。

2）通过有限元数值模拟计算可知，砂土地层边坡，两道栅格（目字形）生态袋与玄武岩纤维铺设模式下可以满足边坡安全系数的要求，口字形铺设下其安全系数值不满足。因此，得出两道栅格下未铺设生态袋与纤维的裸露土体最大安全面积值为11.52m2，此情况下可最大程度节约工程造价；若生态袋与玄武岩纤维组合铺设方式下裸露的土体大于此值则边坡不安全，易出现滑坡等边坡灾害。

3）通过玄武岩纤维抗拉强度计算可知，边坡在两道栅格生态袋与玄武岩纤维铺设方式下，玄武岩纤维的抗拉强度值为72.11MPa，远小于其允许抗拉强度值1800MPa，在此情况下，既能保证边坡整体的安全性，又满足玄武岩纤维抗拉强度要求。