強降雨條件下碎裂巖質邊坡錨墩式主動網加固機理模型試驗*

趙曉彥 肖 典 羅 改 羅天成 吳 兵

(①西南交通大學地質工程系， 成都 611756， 中國)

(②四川省地質調查院稀有稀土戰略資源評價與利用四川省重點實驗室， 成都 610081， 中國)

(③四川省交通勘察設計研究院有限公司， 成都 610017， 中國)

0 引 言

主動柔性網防護系統是一種利用短錨桿將高強度柔性鋼絲繩網沿坡面固定，以限制淺層巖土體風化位移或防止坡面崩塌落石的地質災害防治措施。自20世紀90年代引入中國以來，因其施工便捷、適應性強、經濟環保等特點而廣泛應用于山區線路邊坡、水庫岸坡、隧道巖爆防護等領域(白興平等， 2006； 賀詠梅等， 2006； 唐杰靈等， 2019； 陳波等， 2020)。按照國際慣例(Blanco-Fernandez et al.，2013)和中華人民共和國鐵道行業標準(TB/T3089-2004)(中華人民共和國行業標準編寫組，2004)，主動柔性網防護系統中用于固定網片并承載的錨桿一般長2～3 m，柔性網片邊長(即錨間距)一般4 m左右。國內外學者采用現場監測、力學試驗、數值模擬等手段對主動柔性網防護系統的受力機理及邊坡加固效果開展了大量研究(楊濤等， 2006； Castro-Fresno et al.，2008； 汪敏等， 2011； 宋碧宏等， 2012)。主動網的工作機理在于通過短錨桿的張拉，柔性網給坡面危巖提供抗滑力的同時加大其與坡面的摩擦力(李文秀等， 2006； 羅陽明等， 2006)。由于短錨桿承載力較小，宜采用小間距設計以減小單片主動網受力，特別當錨間距小于2.7 m時，主動柔性網防護系統能更好地發揮服役性能(Xu et al.，2019)。

西部山區因新構造作用發育，山體強烈隆升遭受剝蝕，常形成深厚碎裂巖質邊坡。在青藏高原寒凍區，頻繁的凍融作用亦加劇了巖體破碎過程(姚青等， 2020)，川藏鐵路等一批國家重大基礎建設中常面臨深厚碎裂巖質邊坡失穩問題。此外，社會經濟發展造成的環境問題日益突出，尤以酸雨為代表。酸雨能顯著增強邊坡巖石的風化(Ghobadi et al.，2011； 黃明等， 2015； 李昆鵬等， 2020； 趙曉彥等， 2020)，通過溶蝕礦物和擴展微裂隙，從而形成深厚風化層。上述碎裂坡體在廣泛發育坡面破壞的同時，易沿其中的優勢結構面產生深層失穩。傳統的主動柔性網防護系統中由于錨桿較短(多為2～3 m)，僅能防治淺層坡面破壞，難以達到深層加固的功能，故在山區和酸雨區深厚碎裂巖質邊坡加固中常見失效。如位于雅安境內的四川省S211省道某塹坡，為典型的酸雨區深厚碎裂巖質邊坡，采用主動網進行邊坡防護，于2015年發生沿優勢結構面的楔形滑動并中斷交通(趙曉彥等， 2019)，四川省道S216也出現多處主動網錨桿拔出的現象(圖1)。

圖1 深厚碎裂巖質邊坡傳統主動網加固失敗案例

川藏鐵路自東向西依次穿越酸雨區、寒凍區，地形復雜，地質構造活躍，沿線分布有大量深厚碎裂巖質邊坡，其成因復雜，漂石廣布，貿然刷坡整治存在較大工程風險。本文提出一種新型加固措施——錨墩式主動網組合結構，以預應力錨索代替主動網防護系統中的短錨桿，充分發揮柔性網淺層巖土體防護和預應力錨索深層巖土體加固的組合優勢，用于艱險復雜山區深厚碎裂巖質邊坡防護加固。相較于錨桿，錨索屬主動錨固措施，通過施加預應力將潛在滑體所需的支護抗力作用于穩定巖層，能有效減小碎裂巖質邊坡位移，很好地解決主動網中短錨桿錨固能力不足而導致的邊坡整體失穩問題(程良奎等， 2015； 李劍等， 2020； 王壯等， 2020； 張玉芳等， 2020)。但錨索與主動網間的協調受力機理尚不明確，受力分配方法尚有待研究，不能良好指導工程設計。本文開展1︰10的大比例尺室內模型試驗，通過監測錨索軸力、邊坡坡面位移等，研究錨墩式主動網的加固效果，探索降雨條件下錨墩式主動網的受力機理及邊坡變形破壞特征，為川藏鐵路碎裂巖質邊坡加固工程提供參考。

1 錨墩式主動網結構特點

對于深厚碎裂巖質邊坡，工程實踐多單獨采用主動網防護。少數同時采用預應力錨索的邊坡加固中，也是將主動網在錨墩處切割，兩者實際上呈分離式(圖2a)，這種方式破壞了主動網原有結構，造成主動網力學性能降低，且對網材的防腐不利； 同時危巖施加至網片的荷載仍由短錨桿承擔，預應力錨索無法與之協同受力(圖2b)； 另外，這種分離式的結構加固后的坡面不美觀(圖2a)，難以被現代化的交通道路和市政工程接受。

圖2 分離式主動網與預應力錨索

錨墩式主動網在柔性網節點處設置錨墩和預應力錨索，用于替代傳統主動網防護系統中的短錨桿。在柔性網與預應力錨索錨墩結合部設置雙層尼龍墊片，防止墊墩混凝土對柔性網的摩擦和切割。同時，錨索穿過軟弱結構面錨固于基巖內，通過施加預應力提高邊坡整體穩定性(圖3)。該結構將預應力錨索與主動網連接為一個整體，主動網的受力將對預應力錨索形成二次張拉，在工程設計時應考慮該因素，綜合確定錨索的設計預應力； 另一方面，主動網加強了坡面巖土體的整體性，錨索的間距設計也應體現這一因素。

圖3 錨墩式主動網立面示意圖

2 模型制作及試驗方案

2.1 模型設計

為研究深厚碎裂巖質邊坡錨墩式主動網中預應力錨索與柔性網間的協同受力機理和聯合加固效果，在長×寬×高為3.3 m×1.2 m×2.4 m的模型箱內設計模型邊坡(圖4)。模型共分3部分，基巖和碎裂巖塊分別采用碎石混凝土填制和燒結碎磚堆砌，以模擬巖質邊坡完整基巖部分和深厚碎裂巖塊部分。為了能在試驗中完成邊坡整體失穩，在碎石混凝土基礎和燒結碎磚的結合帶均勻鋪設3 cm厚的黏土層，試驗中通過降水裝置模擬降雨軟化該黏土層，使燒結碎磚模擬坡體沿該結構面下滑。該降水裝置為一套可控流量的霧狀噴淋系統做降水裝置，由永磁鐵固定在碎磚堆砌坡體模型頂部，長70 cm、寬120 cm，前端投影與坡腳線齊平。

圖4 模型尺寸示意圖

圖5 測試元件布置方案

2.2 模型填料

模擬基巖的碎石混凝土在模型試驗中為固定基底，受力變化小，其力學性質不影響碎裂坡體失穩特征。按質量比，水:水泥:砂:碎石=1︰3︰3︰10配置可滿足強度要求。將黏土加水攪拌呈黏稠狀，均勻地鋪設在混凝土基底表面，形成3 cm厚的黏土層。燒結碎磚為不規則狀，尺寸6～12 cm。碎磚表面以前述黏土黏結，以維持鋪設過程中的臨時穩定，并有利于模擬坡頂淋水時的坡面淺層局部失穩。實際上，酸雨區和寒凍區的碎裂巖質邊坡，淺表層結構面會因風化而充填泥質或易溶鹽類膠結物，在降水作用下極易發生溶解和沖蝕，從而導致邊坡表面局部失穩。黏土和燒結磚的物理力學性質見表1。

表1 填料物理力學性質指標

2.3 加固結構

試驗中預應力錨索和柔性網分別采用定制6061系鋁管和雙層鍍鋅鐵絲網模擬。6061系鋁管尺寸Φ10 mm×2 mm，長1.2 m，首尾兩端各取0.1 m長度加工標準螺紋。鋁管預埋和模型填制同步進行，埋入深度為1.1 m，用水泥:砂=1︰2的水泥砂漿進行錨固，其抗拉強度為120 MPa。為提升鋁管錨固力，防止被拔出，采用尾部螺紋擰螺母和管壁扎絲方式增大摩擦力(圖6a)。首端(坡面處)螺紋用于固定輪輻式壓力傳感器，試驗前擰動螺母擠壓傳感器，產生對邊坡的壓力，從而起到錨固邊坡的作用。而傳感器受壓會對螺母產生反作用力，通過螺紋結構傳遞而使鋁管錨固段受拉，產生拉張預應力。本試驗將壓力傳感器初始讀數設置為300N。

鍍鋅鐵絲網內、外層規格分別為直徑0.5 mm和0.9 mm，孔徑7 mm和25.4 mm，分別模擬實際柔性網防護邊坡中用于阻止碎石崩離的格柵網和防治大塊落石的鋼絲繩網。鐵絲網與輪輻式壓力傳感器接觸面增設雙層尼龍墊片和紅鋼紙作墊層，防止鐵絲網受荷變形時與壓力傳感器產生切割(圖6b)。整個邊坡模型施工完成后的照片如圖6c～圖6d所示。

圖6 坡體加固結構及邊坡模型照片

2.4 試驗方案

川藏鐵路所經的青藏高原氣候多變，夏季降水以短歷時大-暴雨為主要特征(計曉龍等， 2017)。同時，位于川藏鐵路雅林段起點的雅安市素有“雨城”之稱，年均降水量約1600 mm，其中長歷時雨量占總降水量80%以上(周長艷等， 2015)。故本文設計兩降雨試驗階段，分別模擬短時強降雨造成的坡體淺表層失穩和長歷時降雨造成的碎裂巖質邊坡整體失穩。在實際邊坡失穩案例中，短時強降雨沖刷碎裂巖質邊坡坡面造成局部失穩，坡體軟弱結構面并未因降雨軟化而貫通，故本文在短時強降雨試驗階段，采用20 cm×120 cm亞克力板覆蓋結構面，防止降水入滲而誘發邊坡整體失穩。長歷時降雨階段，持續的降雨將入滲軟弱結構面，最終導致邊坡深部失穩，本階段試驗移除亞克力板以暴露軟弱結構面，降水直接入滲軟弱結構面，降低其力學參數而使邊坡整體失穩。

本文模擬暴雨工況，降雨強度Qp取中等強度短時強降水的中間值40 mm·h-1(DB62/T 2755-2017)(中華人民共和國行業標準編寫組，2017)，模擬降水裝置的流量q與雨強間的相似關系如式(1)和式(2)。

qt=QmSt

(1)

Qp=QmCQ

(2)

式中：t為時間；S為降雨面積；Qm為邊坡模型降雨強度。在短時強降雨試驗階段，由于堆砌體后緣有10 cm碎磚被亞克力板覆蓋，故S=120 cm×60 cm。依據式(1)～式(2)可得噴淋系統水流量q為0.15L·min-1； 長歷時降雨試驗階段，流量q保持不變。

試驗中，沿碎磚坡面繪制8×8個正方形網格以利于觀察錨墩式主動網加固區與無加固措施對照組的變形及破壞特征，單一網格長15 cm(圖6d)。先實施短時強降雨試驗，至對照組坡面淺層失穩完成且錨固邊坡鋁管的軸力趨于穩定15 min后，移除亞克力板并實施長歷時降雨試驗，至對照組邊坡沿結構面失穩且錨固鋁管的軸力趨于穩定15 min后結束試驗。

3 試驗結果及分析

3.1 短時強降雨試驗錨索軸力分析

錨索軸力通過6組輪輻式壓力傳感器測量，短歷時強降雨試驗中各錨索軸力變化曲線如圖7。由于存在應力釋放，在正式開展試驗前，壓力傳感器的初始讀數在222～269N之間，相較于300N存在不同程度的下降。

圖7 短時強降雨試驗錨索軸力隨模擬降雨時間變化曲線

開啟降水裝置后的最初20 min，加固區6個壓力傳感器的壓力值，即6根錨索的軸力，均呈下降趨勢。其中坡面上部的1號、2號錨索的軸力下降最為明顯，在20 min內分別下降了38.7%和20.5%； 其余錨索軸力平緩下降，降幅介于1.1%～6.8%之間。造成這一現象的原因是雨水對邊坡的弱化，對于靠近坡頂的1號、2號錨索，受短時強降雨的沖刷作用，碎磚之間的黏土流失嚴重，坡體內部出現較多空隙，導致壓力傳感器發生向坡內的明顯位移，錨索軸力從而大幅下降。而對于坡面中下部的3～6號錨索，滲透的雨水對黏土以軟化作用為主，壓力傳感器向坡內的位移較小且發展緩慢，故傳感器讀數平緩下降。

試驗20～25 min，加固區6個壓力傳感器數值變化趨勢均發生明顯改變(圖8)。1、2、5號、6號錨索軸力由整體緩慢下降突變為顯著下降，平均軸力由214N降至190N，下降11.2%，降幅較上一個5分時間段(15～20 min)擴大9.4%。其中5號、6號錨索軸力降幅相對較小，為3.8%～4.3%，表明雨水沿碎磚縫隙逐漸滲流至坡體下部。而1號、2號錨索軸力降幅高達21.2%，則是由于坡頂部分碎磚在主動網內下墜至坡面中部，相應壓力傳感器向坡內壓緊所致。這一結論還可由3號、4號壓力傳感器的數值變化特征所印證。自20～25 min起，坡面中部的3號、4號錨索因頂部碎磚溜坍至此，提供額外的壓應力使其軸力由平緩下降轉為上升。其中4號錨索受右側對照組碎磚下滑影響，軸力增幅達30%，顯著高于模型箱左側3號錨索21%的軸力增幅。

圖8 短時強降雨試驗20±5分鐘錨索軸力變化情況

3.2 長歷時降雨試驗錨索軸力分析

短歷時強降雨試驗結束后，移除軟弱結構面上覆亞克力板，試驗第60～80 min，加固區坡體中上部的1號、2號、4號錨索軸力保持基本穩定，中下部的3號、5號、6號錨索軸力緩慢增加(圖9)。分析原因為受上陡下緩的軟弱結構面形態影響，雨水沿黏土層表面下滲軟化黏土并增加其容重，坡體底部有蠕變趨勢(孫立娟等， 2018)。

圖9 長歷時降雨試驗錨索軸力隨模擬降雨時間變化曲線

約85 min時，加固區靠箱壁一側的1號、3號、5號錨索(圖5)軸力緩慢上升。無錨固措施對照組發生整體破壞，碎磚沿黏土軟弱結構面整體下滑。錨固區右側邊緣碎磚受牽引向右松動，致使2號、4號、6號錨索內移，軸力減小，表現為2號、4號、6號壓力傳感器的數值大幅回落。此外，上述錨索軸力的下降幅度并不相同，呈現出軸力越大、降幅越小的特點，究其原因是更大的軸力有利于碎磚錨固，使其不易受牽引而松動，因此軸力下降幅度相對較小。

90～95 min起，對照組失穩后坡體趨于穩定，加固區坡體無明顯變形，所有壓力傳感器數值逐漸增大。至110 min左右，全體錨索軸力緩慢增長直至收斂，邊坡模型達到穩定狀態，可見錨墩式主動網能有效保證碎裂巖質邊坡在長歷時降雨條件下的深層整體穩定。

錨墩式主動網的錨索軸力分列增幅具有顯著差異。受無錨固措施對照組整體失穩下滑牽引影響，加固區右列2號、4號、6號錨索軸力較初態分別增加- 48N、85N、28N，均低于靠近模型箱壁的左列1號、3號、5號錨索軸力增量43N、105N、43N。此外值得注意的是，在整個降雨試驗中，邊坡模型坡面中部錨索軸力增幅最大(圖7、圖9)。在短歷時強降雨試驗階段，中部3號、4號錨索承擔的下滑力峰值增量可達試驗初態的21%和30%； 至長歷時降雨試驗中，坡體經由柔性網傳遞給3號、4號錨索的最大荷載可達其初始軸力的29%和22%。即在采用錨墩式主動網加固該類碎裂巖質邊坡時，無論存在哪種失穩風險，位于坡面中部的錨索均為最危險錨索，其二次張拉量最大，承擔下滑力最多，在邊坡加固設計時應予以欠張拉。

3.3 柔性網變形特征分析

本文測量各測點(圖5)柔性網水平向外的位移，數據共測量5次，其中短歷時強降雨停止時和長歷時降雨停止時各1次，長歷時降雨停止后的第24 h、48 h、72 h各1次。15個測點從上至下分為1～5行，按行將測點隨時間變化的位移繪制曲線(圖10)。此外，加固區坡面變形特征可用柔性網位移數據量化，選取短時強降雨階段末、長歷時降雨階段末以及試驗結束72 h的水平位移數據放大10倍做坡面變形位移特征展示(圖11)。

圖10 錨墩式主動網位移測點監測數據

圖11 不同階段坡面變形位移特征

在短歷時強降雨試驗階段， 15個測點變形量僅1～23 mm，而長歷時降雨試驗階段變形量達7～41 mm，顯著大于淺表層失穩階段。除坡頂1～3號測點外，坡體在模擬降雨結束后持續向臨空面位移，但位移速率逐漸放緩，坡體趨于穩定，最大位移為45 mm。試驗結束后第72 h，坡面4～15號測點的平均位移為24 mm，較長歷時降雨試驗末態平均位移18 mm增加約33%。而對于坡頂的1～3號測點，平均位移量在長歷時降雨試驗末態達到峰值15 mm，并在其后72 h內逐漸減小至11 mm。分析為坡頂碎磚松動釋放部分空間，柔性防護網在螺母和壓力傳感器的壓應力下向內收縮所致，與前述錨索軸力變化現象相符。

非加固區碎裂巖質邊坡失穩對加固坡體有顯著的牽引作用。在錨索預應力條件一致下，主動網右側位移均大幅高于左側，如短歷時強降雨試驗階段和長歷時降雨試驗階段，右側3列測點平均位移為13.6 mm和21.4 mm，而靠近模型箱壁的左側1列測點平均位移僅6.6 mm和13.6 mm。此外，短時強降雨試驗階段錨墩式主動網第1列測點位移分布更為均勻，坡面中部2、3、4行總體變形協調一致(圖11a、圖12斜線區域底部)。在長歷時降雨試驗階段，預應力錨索所在的第1、3列錨固點因軸力變化而產生不同程度位移，柔性防護網因固定點移動而面積收縮，網面向臨空側空鼓彎曲，造成錨索間2、4行的4、6、10、12號測點位移偏大(圖11b)，在圖12中表現為第1、3列(斜線、藍)的最大位移曲線的峰谷效應較第2列(紅)的更顯著。

圖12 測點按列劃分位移分布范圍

錨墩式主動網中錨索對邊坡起良好的加固作用。以行為單位，表現為錨索所在1、3、5行的測點位移明顯較2、4行的小，位移分布在圖12中呈M形。特別是第3行，在長歷時降雨條件下，錨索對邊坡整體變形有明顯的削弱效應，這與前文分析所得“中部錨索承擔下滑力最多”的結論一致。在對照組發生整體失穩的情況下，錨固區主動網在整個試驗過程中最大位移僅45 mm，網面并未發生破壞或脫離，代表錨間距為5 m的錨墩式主動網加固該實際邊坡時，坡面位移小于45 cm，表明這一新型組合結構能有效削減坡面變形位移，提升坡體整體和局部穩定性。

3.4 無錨固措施對照組失穩特征

通過對比觀察試驗前后坡面繪制的正方形網格線，可分析錨固區與對照組各階段變形及破壞特征。

在短歷時強降雨試驗階段第25 min，對照組坡體上部區域產生變形，表面部分網格遭受破壞，少量體積較小的碎磚掉落堆積在坡腳(圖13a)。至短歷時強降雨試驗階段末，對照組坡面中下部已發生明顯破壞，僅上部殘留少量完整網格，坡面表層大量碎磚崩落至坡腳附近(圖13b)。相反，加固區坡面雖有少量碎磚下墜，但有主動網防護作用，坡面網格參考線排布較為均勻，邊坡整體穩定性良好。

圖13 不同降雨條件下無錨固對照組失穩破壞特征

在長歷時降雨試驗階段，無錨固措施對照組坡體沿黏土帶劇烈下滑，正方形網格參考線滅失并在坡頂露出滑帶黏土(圖13c)。碎磚沖程較前一試驗階段有明顯提升，距坡腳線最遠可達900 mm。而錨墩式主動網加固區坡面最大位移量僅45 mm，且為受右側無錨固措施對照組坡體牽引所致，僅有部分碎磚網格線發生錯位，邊坡總體依然受到錨索和柔性防護網的錨固支撐，坡面形態并未明顯改變。

4 結 論

(1)錨墩式主動網能協調發揮主動網的坡面防護和預應力錨索的坡體加固功能，在短時強降雨或長歷時降雨條件下均能有效防止深厚碎裂巖質邊坡的淺表層失穩和整體失穩。

(2)考慮主動網對坡面巖土體的防護作用，錨墩式主動網中的預應力錨索錨間距可較常規錨間距適當增大，試驗結果表明，錨索間距為5 m時依然能保持良好的服役性能。

(3)降雨作用下坡面巖土體局部松動變形導致的主動網受荷會對預應力錨索進行二次張拉，錨墩式主動網的設計中應予以考慮，建議對錨索實施與二次張拉相對應的欠張拉，本文試驗條件下可欠張拉30%，工程實踐中，應根據實際邊坡淺層失穩范圍確定。