王秋炎 易紅仔

收稿日期：2023-09-21

基金項(xiàng)目：2022年度江西省住房城鄉(xiāng)建設(shè)領(lǐng)域科技項(xiàng)目（贛建科設(shè)[2022]5號）。

作者簡介：王秋炎（1983-），男，碩士，高級工程師，主要從事生態(tài)修復(fù)與地質(zhì)環(huán)境綜合治理方面的研究。

摘 要：通過分析傳統(tǒng)漿砌石邊坡?lián)鯄υ陧?xiàng)目應(yīng)用中的不足，設(shè)計改良一種適用范圍廣、生態(tài)效益好、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、兼具安全輔助功能的自嵌式生態(tài)復(fù)合擋土墻。采用plaxis有限元軟件，對生態(tài)擋墻加筋體的布設(shè)位置、間距、長度及抗拉強(qiáng)度等進(jìn)行分析優(yōu)化，確定最佳的生態(tài)擋墻設(shè)計方案，推廣應(yīng)用到工程項(xiàng)目中，使邊坡的治理成為可持續(xù)發(fā)展的綠色、生態(tài)、安全工程。

關(guān)鍵詞：邊坡；生態(tài)擋墻；數(shù)值分析；設(shè)計優(yōu)化

中圖分類號：X171.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1673-9655（2024）03-00-07

0 引言

邊坡防護(hù)和修復(fù)工程作為礦山、河湖、公路等工程的重要組成部分，其安全功能、觀賞功能及生態(tài)功能等與百姓生活息息相關(guān)。邊坡土體一般具有較強(qiáng)的抗壓性，而其抗拉和抗剪性能較差，實(shí)際工程中多以擋墻支護(hù)[1]。傳統(tǒng)擋墻除其安全功能外，已不滿足現(xiàn)在低碳、綠色的發(fā)展要求，生態(tài)擋墻正被大力推廣應(yīng)用[2-6]。

隨著科技的發(fā)展，生態(tài)擋墻的材料、樣式種類繁多，具有特定功能的砌筑材料和加筋材料被廣泛應(yīng)用于邊坡的加固防護(hù)和生態(tài)修復(fù)中[7-11]。ANSYS、Plaxis、GeoStudio等數(shù)值分析軟件，為邊坡?lián)鯄Ψ桨傅目尚行苑治鎏峁┲匾獢?shù)據(jù)支撐[12-14]。本文通過分析實(shí)際工程中的漿砌塊石邊坡?lián)跬翂Υ嬖诘膯栴}，針對性地設(shè)計出自嵌式生態(tài)復(fù)合式擋墻，并利用Plaxis數(shù)值分析軟件對自嵌式生態(tài)復(fù)合式擋墻設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化分析，確定最佳的設(shè)計方案。

1 項(xiàng)目方案分析

1.1 漿砌石邊坡?lián)鯄Φ脑O(shè)計

根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計單位提供的方案，龍南縣足洞河流域廢棄稀土礦山地質(zhì)環(huán)境綜合治理工程中邊坡?lián)鯄闈{砌塊石擋墻，是傳統(tǒng)的重力式擋土墻，結(jié)構(gòu)樣式如圖1所示。擋土墻采用座漿法砌筑，塊石強(qiáng)度等級為20 Mpa以上；水泥砂漿強(qiáng)度等級為M7.5，中粗砂；砌筑時分層臥砌，且上下錯縫，內(nèi)外搭接。石塊間豎向縫隙應(yīng)灌漿飽滿，灰縫厚度為30 mm；墻頂采用1：2水泥砂漿抹面，厚50 mm；墻面采用M10水泥砂漿勾縫；墻體內(nèi)采用PVC管作泄水孔，泄水孔設(shè)置兩排，上排距墻頂1.0 m、距地面2.0 m，下排距墻頂2.0 m、距地面1.0 m，傾斜13°，其水平間距為2.4 m，墻內(nèi)每隔15 m或轉(zhuǎn)折處設(shè)置一條寬30 mm沉降縫，并采用瀝青木板填縫。

圖1 漿砌石擋墻結(jié)構(gòu)樣式圖

1.2 邊坡生態(tài)擋墻設(shè)計

針對傳統(tǒng)的漿砌石邊坡?lián)鯄?，結(jié)合項(xiàng)目邊坡的現(xiàn)狀，設(shè)計變更采用一種互嵌式生態(tài)砌塊作為擋墻主要砌體材料，其采用高強(qiáng)透水的生態(tài)混凝土預(yù)制，由后面下部的引導(dǎo)阻滑埂、中部的錨固孔、頂部的種植槽及錨固鋼筋等組成[15]，其結(jié)構(gòu)樣式如圖2所示。砌塊后部主要起支護(hù)擋土作用，前部則兼具景觀復(fù)綠、動物微生物棲息和攀爬救援等功能?；デ妒缴鷳B(tài)砌塊與土工格柵、土工布等加筋材料組合設(shè)計出一種自嵌式生態(tài)復(fù)合擋土墻，結(jié)構(gòu)樣式如圖3所示。

圖2 互嵌式生態(tài)砌塊結(jié)構(gòu)樣式圖

圖3 自嵌式生態(tài)復(fù)合擋土墻結(jié)構(gòu)樣式圖

自嵌式生態(tài)復(fù)合擋土墻中的引導(dǎo)阻滑埂不僅能使引導(dǎo)上次砌塊快速準(zhǔn)確疊砌，而且使兩塊砌塊疊加后更加牢固，整體性更好，且引導(dǎo)體阻滑坎的獨(dú)特設(shè)計，使擋墻在安砌時可形成65°（引導(dǎo)體阻滑坎厚薄不同，坡度不同）左右的自然斜坡，可使擋墻重心向墻內(nèi)偏斜，增強(qiáng)了擋墻的抗傾覆能力，提高了擋墻的安全穩(wěn)定性；錨固孔和錨固鋼筋加強(qiáng)砌體、土工格柵和土工布間連接整體性。利用土工格柵在泥土端與砌塊一端由于摩擦力的關(guān)系形成了一種強(qiáng)大的拉力，可以牢牢拉住擋墻。泥土壓得越高則土工格柵就壓得越牢固，摩擦力越大。土工布不僅可以有效調(diào)節(jié)土體內(nèi)水力分布，截留沙土流失，還可以保證土工格柵均勻受力，同時大大增加了向內(nèi)的拉應(yīng)力。生態(tài)砌塊后部的楔形側(cè)面能使砌塊間形成互鎖結(jié)構(gòu)，增加水平橫向整體性。種植槽可以種植邊坡復(fù)綠植物，增加邊坡的美觀度，改善邊坡生態(tài)微環(huán)境。

1.3 兩方案對比分析

依據(jù)上述兩方案的描述，經(jīng)綜合分析測算，漿砌石邊坡?lián)鯄妥郧妒缴鷳B(tài)復(fù)合擋墻在實(shí)際工程應(yīng)用中的主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)對比如表1所示。其優(yōu)劣主要體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）體量小，造價低：擋墻每米工程量降低42.86%，每米造價降低38.78%。

（2）節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境：開挖廢棄余土利用率提高80%，提高廢棄資源利用，減少對環(huán)境污染破壞。

（3）施工速度快，工期短：以機(jī)械施工為主、人工為輔，施工速度提高71.43%。

（4）應(yīng)用范圍廣，適應(yīng)性強(qiáng)：柔性墻體適應(yīng)變形能力強(qiáng)，不易損壞，排水性好。

（5）生境好，利于生物多樣性恢復(fù)：植生槽不僅可種植各適宜的植物，還為其他生物和微生物提供了棲息空間。

（6）具景觀美化和安全輔助功能：植生槽配置美化亮化的植物，具有較好的景觀效果。用于河湖岸坡時，可成為落水者攀爬踩踏的安全救援輔助設(shè)施。

（7）墻面較抗沖刷：前部種植槽土體易受水流沖刷，較漿砌石剛性墻面抗沖刷性能差。

2 邊坡生態(tài)擋墻的設(shè)計優(yōu)化

自嵌式生態(tài)復(fù)合擋土墻的施工是分層填筑、分層鋪設(shè)、分層壓實(shí)的循環(huán)過程，其工序一般為：首層生態(tài)砌塊面板砌筑，再回填土體、鋪設(shè)土工格柵等首層加筋材料，然后砌筑第二層生態(tài)砌塊面板，并回填土體、壓實(shí)，如此循環(huán)施工至擋墻頂。Plaxis是一款可以自動進(jìn)行塑性分析、強(qiáng)度折減計算，并單獨(dú)含有土工格柵模擬本構(gòu)模型的有限元分析軟件。用plaxis軟件可以模擬擋墻逐層壓填的過程，把每個工序的填土視為一次荷載，計算分析該施工邊界內(nèi)面板砌塊、筋帶土工格柵和回填土等部位的變形和應(yīng)力，上一工序?qū)е碌淖冃魏蛻?yīng)力會分別迭加到先前值中，直至所有工序完成，最后得出更加切合實(shí)際的墻體受力和變形數(shù)據(jù)。

用plaxis進(jìn)行有限元極限分析，對自嵌式生態(tài)復(fù)合擋土墻優(yōu)化設(shè)計的流程如圖4所示[16]。

圖4 有限元極限分析流程圖

2.1 建立有限元模型

設(shè)計模擬分析的對象是自嵌式生態(tài)復(fù)合擋土墻，墻高為3 m，墻背為回填土。根據(jù)項(xiàng)目勘察設(shè)計報告及實(shí)驗(yàn)分析，有限元模型各材料特性參數(shù)詳見表2～表4。

假定土工格柵僅受拉應(yīng)力，不考慮壓應(yīng)力，其為一維的結(jié)構(gòu)單元；生態(tài)砌塊間連接穩(wěn)固，析出應(yīng)力視為面板結(jié)構(gòu)單元；土工格柵與面板單元的連接定義為剛性的；土工格柵網(wǎng)格尺寸挺大，土工格柵與填土間通過網(wǎng)格與土層的相互咬合、摩擦嵌固形成完整統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)單元，視二者間無滑移。不分析孔隙水壓力以及各邊界的滲透情況，不考慮擋墻實(shí)施分析過程中的外部荷載作用，只對擋墻土體自重荷載情況下的分析計算。通過Plaxis軟件建立平面應(yīng)變建模，并在材料組輸入以上材料特性參數(shù)，生成如圖5所示的有限元計算模型。

2.2 無筋擋墻的穩(wěn)定性分析

（1）當(dāng)邊坡無生態(tài)砌塊砌筑，也無土工格柵鋪設(shè)，直接按設(shè)計坡度填筑，通過plaxis強(qiáng)度折減phi/c 計算，坡體的安全穩(wěn)定性系數(shù)為1.071。其水平增量位移（dux）和剪切破壞滑動面分別如

圖6、圖7所示。

（2）當(dāng)邊坡只進(jìn)行生態(tài)砌塊砌筑，而不鋪設(shè)土工格柵，直接按設(shè)計坡度填筑，通過plaxis強(qiáng)度折減phi/c 計算，坡體的安全穩(wěn)定性系數(shù)為1.196。其水平增量位移（dux）和剪切破壞滑動面分別如圖8、圖9所示。

依據(jù)規(guī)范，邊坡防護(hù)后的穩(wěn)定性系數(shù)應(yīng)符合

表5的要求[17]，若低于該標(biāo)準(zhǔn)時應(yīng)對邊坡加固處理。

由上可知素土填筑坡體，穩(wěn)定性差，滑動破裂面大。只有生態(tài)砌塊砌筑而不加筋直接填筑坡體的穩(wěn)定性有所提高，滑動破裂面也有所減少，但安全穩(wěn)定性系數(shù)仍不滿足規(guī)范設(shè)計要求，所以應(yīng)在生態(tài)砌塊擋墻填筑的土體中加設(shè)土工格柵，以提高擋土墻的安全穩(wěn)定性。

2.3 初步方案的穩(wěn)定性分析

自嵌式生態(tài)復(fù)合擋土墻初步方案設(shè)計土工格柵從上到下每層的長度為：3.0 m、3.3 m、3.6 m、3.9 m和4.2 m，鋪設(shè)于每層從下到上1/3厚的部位，格柵間距設(shè)為0.6 m。通過plaxis強(qiáng)度折減phi/c 計算，初步方案墻體的安全穩(wěn)定性系數(shù)為1.326，其水平增量位移（dux）和剪切破壞滑動面分別如

圖10、圖11所示。

圖10 初步方案水平增量位移圖

圖11 初步方案剪切破壞滑動面圖

由上可知初步設(shè)計方案的擋墻穩(wěn)定性能滿足規(guī)范設(shè)計要求。筋帶的布設(shè)需繼續(xù)優(yōu)化。

2.4 筋帶布設(shè)位置的優(yōu)化

初步方案的土工格柵鋪設(shè)每層從下到上1/3厚的部位，設(shè)計一對比方案，將土工格柵鋪設(shè)的部位調(diào)整為每層從下到上2/3厚處，其他參數(shù)不變。通過plaxis強(qiáng)度折減phi/c 計算，對比方案墻體的安全穩(wěn)定性系數(shù)為1.292，其水平增量位移（dux）和剪切破壞滑動面分別如圖12、圖13所示。

通過兩方案的對比，可知土工格柵鋪設(shè)部位靠近每層的下半部分，墻體更加安全穩(wěn)定。這是因?yàn)槊繉油凉じ駯旁娇拷虏?，其所受的土體自重荷載加大，其抗拉出強(qiáng)度增大。

2.5 筋帶布設(shè)間距的優(yōu)化

將有限元模型中各層的土工格柵長度定為

3 m，在分析計算時保持不變，通過plaxis強(qiáng)度折減phi/c 計算，分析土工格柵間距分別為0.4 m、

0.5 m、0.6 m、0.7 m時擋墻的安全穩(wěn)定性。計算分析結(jié)果詳見表6。

從計算分析結(jié)果可知，擋土墻的安全穩(wěn)定性系數(shù)若要達(dá)到1.3，則土工格柵的鋪設(shè)間距取值為0.6 m較經(jīng)濟(jì)合理。

2.6 筋帶布設(shè)長度的優(yōu)化

將有限元模型中土工格柵的鋪設(shè)間距設(shè)定為0.6 m，并在此條件上分析確定各層土工格柵的最優(yōu)鋪設(shè)長度。通過plaxis強(qiáng)度折減phi/c 計算，進(jìn)行土工格柵各層不同鋪設(shè)長度擋墻安全穩(wěn)定性計算分析。計算分析結(jié)果詳見表7。

從計算分析結(jié)果可知，擋土墻的安全穩(wěn)定性系數(shù)若要達(dá)到1.3，只有方案一、初步方案和方案三的土工格柵設(shè)計長度滿足設(shè)計穩(wěn)定性要求。方案一和方案三的剪切破壞滑動面分別如圖14、

圖15所示。

2.7 筋帶拉力驗(yàn)算

土工格柵的設(shè)計拉力可按公式（1）計算得到[18]。

（1）

式中：TD—土工格柵的設(shè)計拉力；TM—土工格柵的極限拉力；γf—分項(xiàng)系數(shù)，一般取值1.25；—調(diào)節(jié)系數(shù)，一般取值1.8～2.5；γ0—結(jié)構(gòu)體的重要性系數(shù)，一般取值1.0～1.1。

本模型土工格柵的設(shè)計拉力 =16 kN/m。

當(dāng)擋墻中的土工格柵最大拉力T小于設(shè)計拉力TD時，土工格柵滿足設(shè)計要求。通過plaxis計算分析，輸出查詢每根土工格柵的拉力情況，確定土工格柵的最大拉力。

初步方案的土工格柵最大拉力T=10.67 kN/m，方案一的土工格柵最大拉力T=10.99 kN/m，方案三的土工格柵最大拉力T=10.77 kN/m，三個方案的土工格柵最大拉力都小于土工格柵的設(shè)計拉力16 kN/m，

均滿足設(shè)計要求。

2.8 確定最佳設(shè)計方案

通過表8的對比分析可知，方案三使擋墻達(dá)到的安全穩(wěn)定性和使用的土工格柵總長度最合理經(jīng)濟(jì)。

綜上，本項(xiàng)目自嵌式生態(tài)復(fù)合擋土墻的最佳設(shè)計方案如圖16所示。

3 結(jié)語

傳統(tǒng)的重力式擋墻護(hù)坡，費(fèi)工、耗料、造價高，且不利于邊坡的植被恢復(fù)，對坡面生物多樣性恢復(fù)收效甚微。綠色生態(tài)的擋墻護(hù)坡是綠色低碳發(fā)展的重要組成部分，其對邊坡的安全穩(wěn)定、植被恢復(fù)、生態(tài)修復(fù)、水土保持等具有積極的防護(hù)作用，是修復(fù)“綠水青山”的重要舉措，實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展的必然選擇。

數(shù)值分析軟件可對生態(tài)擋墻設(shè)計的各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，以輔助確定最佳的生態(tài)擋墻設(shè)計方案。

在礦山、河湖、公路等邊坡工程應(yīng)用中，自嵌式生態(tài)復(fù)合擋土墻相對于傳統(tǒng)的漿砌塊石擋墻，具有適用范圍廣、施工快、造價低、適應(yīng)變形、易復(fù)綠、景觀效果好、節(jié)約資源、攀爬自救安全輔助等功能優(yōu)點(diǎn)。在低碳減排、生態(tài)環(huán)保的發(fā)展理念中，生態(tài)復(fù)合擋土墻更值得推廣。

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Design Optimization of Slope Ecological Retaining Wall Based on Numerical Analysis

WANG Qiu-yan1，3， YI Hong-zi2

（1. Ecological Geology Brigade of Jiangxi Provincial Geological Bureau， Nanchang Jiangxi 330002，China）

Abstract： By analyzing the shortcomings of the traditional masonry slope retaining wall in the project application， a self-embedded ecological composite retaining wall with wide application range， good ecological benefits， economic and environmental protection， and safety auxiliary function was designed and improved. PLAXIS finite element software was used to analyze and optimize the layout position， spacing， length and tensile strength of the geo-grid of the ecological retaining wall， determine the best design scheme of the ecological retaining wall， and popularize it into engineering projects， so as to make the slope treatment a green， ecological and safe project with sustainable development.

Key words： slope; ecological retaining wall; numerical analysis; design optimization