山区公路石笼边坡防护应用研究

魏建军 王立新 杨佩鑫

(1.昭通公路局 云南 昭通 657000；2.威信公路分局 云南 昭通 657800)

引言

石笼网防护是一种生态边坡防护，其利用类似于蜂巢形状的石笼网片制作成石笼网单元，在网箱单元中填装块石，用绑扎等手段将各个网箱单元连接成整体的一种防护形式。石笼网防护在河流护岸等边坡工程中应用广泛且取得了较好的效果，近年来公路边坡防护中也逐渐开始使用。

在合适的路段采用石笼网结构的公路防护可以利用项目沿线丰富的石材资源，形成优美的视觉景观，减轻道路对生态环境的破坏程度，使公路边坡防护与自然环境更加协调。

郭永刚[1]对蓄水区堤防各区段防护进行了分析计算，得出了石笼网防护在流速较大区段仍然可以保持稳定的结论，并指出石笼网防护对保持护坡景观形式多样性有正面作用。邢大鹏[2]指出石笼网结构的河流护坡相对传统护坡形式具有柔性和可挠曲性强的优点，应对突发形变和不均匀沉降的能力相对于混凝土刚性构筑物更强。同时石笼网的高渗透性相比在混凝土构筑物中设置排水孔可以更加有效地缓解消除挡土墙的水压力，从而进一步提升构筑物的稳定性。贾虎[3]结合川西南地区某井场道路软土工程实例，运用 FLAC3D建立了数值分析模型，对石笼网加筋粉质粘土进行了数值模拟研究，指出石笼网加筋可以有效降低路面不均匀沉降、减小路堤边坡变形，避免出现应力集中的现象。Bergad D T 等学者[4-7]就双绞合六边形金属网面与墙背不同填土间的界面特性，以粉砂和软粘土为填料采用拉拔试验和直接剪切试验的试验方法展开了很多研究。N R Setiati[8]结合印度尼西亚西爪哇省的Cipamingkis桥加固工程案例，分析了石笼结构基台安全建筑对抵抗桥梁下部结构受到冲刷的作用。

综上所述，学者们对基于天然石料的构筑物进行了广泛的研究，但主要集中在构筑物和材料的力学性能方面。现阶段对山区公路适用的基于天然石料的坡面防护工程研究尚不充分。尤其是考虑到景区公路对美观和经济的要求时不同形式坡面防护工程的比选，及不同形式坡面防护工程的承载能力和各因素影响尚待进一步研究。

一、模型的建立

该试验选取了墙背直立式、墙面直立式和台阶式3种有代表性的石笼网公路边坡防护结构形式。

(一)计算参数的选取

构成石笼网单元的网片由钢丝编织而成，网片的实际形状十分复杂给建模和求解带来困难，为了简化计算将网片视为厚度很小的一维线弹性体，因为网片几乎不能承受轴向压力，因此采用只能受拉不能受压的土工格栅单元进行模拟。

石笼网片在受拉时不仅网片钢丝本身伸长，网孔的形状也发生了改变，只通过钢丝的弹性模量来推导网片的弹性模量会带来巨大的差异。因此根据弹性模量定义，通过抗拉强度试验的结果推导模型中网片的弹性模量。

通过网片抗拉强度试验可得知所用石笼网片破坏荷载为37.44KN/m，破坏时伸长率约为10%，近似地将网片的弹性模量取为100MPa。

填土后未开挖土体和墙后填土采用库伦-摩尔本构模型，其余材料参数按照表1.1选用。

(二)模型的建立

本项试验使用2D建模，墙背直立式石笼网和墙面直立式石笼网底层墙身厚5m，顶层墙厚为1m，每层石笼单元高1m。台阶式石笼网每层墙身厚均为2m。

图1 墙背直立式模型

二、试验结果及分析

对3种结构形式的挡土墙模型进行求解，为了方便观察墙背所受土压力和墙体发生的横向位移，沿墙背提取一维单元结果图。图中位移图单位m，应力图单位kPa。

图2 墙背直立式模型位移及墙背土压力

图3 墙面直立式模型位移及墙背土压力

图4 台阶式模型位移及墙背土压力

从横向位移的一维单元结果图可以看出，墙背直立式结构墙身的变形最小，抵抗变形的能力最强，抗倾覆能力较好，同时该结构具有阶梯式墙面给施工后的覆土绿化环节提供了便利。综合考虑力学性能和景观价值，一般情况下推荐采用墙背直立式结构作为石笼网边坡防护的结构形式。

墙面直立式结构在墙身中部产生了较大变形，抵抗变形的能力较弱于墙背直立式结构，墙身整体向外侧翻转，抗倾覆能力弱。但该结构底部位移最小，是三种结构形式中抗滑移能力最好的形式，这是由于俯斜的墙背使土压力在竖向产生了分力，增大了墙底的摩擦力，推荐用于难以满足抗滑移要求的路段。

台阶式结构在墙身下部产生了较大的变形，抵抗变形的能力较差，这是因为该结构的下层尺寸小于其他两种 ，同时台阶式结构的底部位移较大，抗滑移的能力较弱，但台阶式结构需要的开挖量和回填量要远小于其他两种结构，在土压力较小的路段可以采用台阶式结构，减少填挖方降低成本。因为台阶式结构抗滑移能力较弱，可以采用基坑底部加铺碎石层增大摩擦力的方式增强其抗滑移能力。

表1 石笼网结构模型材料属性

三、施工工艺与质量控制

本项目依托云南省彝良至牛街二级公路建设工程展开研究，在K6+400至K6+422段建设示范工程。

试验段所用石料为挖方路段开采的石灰岩，经过破碎后运至试验段作为原料。石笼网网孔规格为8mm×10mm，网丝直径2.7mm，边丝直径3.4mm，钢丝均采用镀5%铝高尔凡低碳钢丝，镀层质量不小于270g/m2。

(一)施工工艺

施工工艺流程为施工准备→地基清理→碎石层铺设→石笼网箱组装→石笼网箱安装→石笼网石料装箱→石笼网封盖回填。施工工艺要点如下：

1.石笼网箱组装

组装单套网箱时，需要在坚实的地面上或者是在大面积木板上进行，为了减少由于网箱折痕处出现的尺寸偏差，需要将具有网箱折痕的地方人工踩平。

2.石笼网箱安装

在绑扎完单套箱体之后，需要将其搬至到基坑，按照相关的顺序摆放好同层的箱体，并对箱体的位置进行控制。

对于相邻的网箱需要在上下四个角的位置上进行一道绑扎; 对于相邻的网箱的隔片需要在上下中间的位置上进行一道绑扎; 对于相邻的网箱结合面的地方需要在每1m2的位置上穿透网孔进行两道绑扎；对于相邻的网箱隔片的边框需要按照间距每 20 cm 进行绑扎。

3.石笼网石料装箱

石料卸载应尽量靠近基坑边缘，以减少机械二次转运台班及工人的劳动强度，但需避免破坏石笼网箱。

采用机械和人工相配合的施工方法，首先用挖掘机将所需石料放置格宾网旁边，再用人工以干砌的方式将石料码砌填充进格宾网内。

4.石笼网箱封盖

为保证网箱内石料的密实度，非顶层网箱的装填石料高度以超出网箱高度3-5cm为宜。

每个网箱单元装填完毕后，盖上石笼网箱盖片，对于盖片和网身的框线之间的绑扎按照 15cm～20cm 的间距进行，使石笼网箱形成一个整体。上层网箱的底片和下层网箱的盖片每平方米绑扎两刀，绑扎时须穿透网孔进行绑扎，禁止单网片进行绑扎。

(二)质量控制

编制石笼网片所用的钢丝其抗拉强度不应低于350MPa。

所用钢丝表面应镀覆抗腐蚀镀层，钢丝镀层应附着牢固，将钢丝在规定直径的芯棒上以不超过15r/min的速度紧密缠绕8圈，钢丝镀层不应出现开裂或者脱落。

为保证石笼网网面的整体性，网面的边丝和端丝应采用大于网面网丝直径的钢丝。

四、结论

石笼网防护作为一种生态防护，将其运用于山区公路的边坡防护工程中可以有效解决工程与环境的冲突。施工完成后的石笼网结构公路边坡防护还可以通过覆土栽培等措施进行进一步绿化从而提高道路的景观价值。

本文通过建立有限元模型对三种结构形式的石笼网公路边坡防护进行了研究，通过分析每种结构形式在土压力下的横向位移和墙背土压力分布得出以下结论：墙背直立式结构墙身变形最小，抗倾覆能力较好，同时该结构具有阶梯式墙面给施工后的覆土绿化环节提供了便利，一般情况下推荐采用墙背直立式结构作为石笼网边坡防护的结构形式。在土压力较小的路段可以采用台阶式结构，减少填挖方降低成本，但应考虑到该结构抗滑移能力较弱的特点。在抗滑移要求难以满足的路段，可以选用墙面直立式结构。