边坡主动防护网力学性能的试验与数值分析

汪 敏，石少卿，阳友奎

（1.解放军后勤工程学院 军事建筑工程系，重庆401311；2.布鲁克（成都）工程有限公司，成都611731）

我国是个多山的国家，特别是西部和东南部山区，时常发生崩塌、塌落和风化剥落等浅层坡面地质灾害，尤其在运营铁路、公路这样的线状工程沿线最为严重[1]。边坡主动防护网以其施工方便，布置灵活、能够较好的适应各种复杂地形条件等特点在边坡防护工程中得到广泛的应用[2]。

根据用途，边坡主动防护网分为起加固作用的防护网和起围护作用的防护网[3]。起加固作用的防护网将落石限制在坡面上，起围护作用的防护网限制落石的运动轨迹，使得落石顺坡滑下到指定的地点。目前美国以及欧美等国的公路交通部门对起围护作用的防护网进行了较为细致的研究[4－6]，而对起加固作用的防护网的研究相对较少，而从目前工程实际应用情况下，起加固作用的防护系统存在系统设计偏于保守或者局部构件不能满足均衡化要求的问题[7]。

根据边坡的不同破坏特点可以将起加固作用防护网的工作状态分为起被动防护作用（见图1）和起主动加固作用（见图2）[8－9]。从图1、2中可以看出，主动防护网中单个防护单元受到危岩体的荷载可以简化为法向和切向两个集中荷载或均布荷载的作用。为此，掌握主动防护网中单个防护单元在法向集中荷载或均布荷载作用下的荷载—位移曲线和竖向最大承载力对于指导主动防护网的均衡化设计和工程应用具有重要的实用价值[7，10]。

图1 起被动防护作用

图2 起主动加固作用

图3 GPS2型防护网标准布置及缝合图

目前国内应用较为广泛的起加固作用的防护网为GPS2型防护网（见图3）。该系统主要由锚杆、支撑绳、缝合绳及钢丝绳网组成[11]。GPS2型防护网在施工过程中，利用缝合绳的预张拉作用将钢丝绳网与支撑绳连接起来，从而将钢丝绳网张紧，使其紧贴坡面。在GPS2型防护网中，单个防护单元主要由钢丝绳网和缝合绳组成，应用时根据需要选择合适的钢丝绳网块规格尺寸、合理的布置锚杆间距。因此在应用设计GPS2型主动防护网时，必须要掌握由钢丝绳网和缝合绳组成的单个防护单元在法向荷载作用下的力学性能，从作者查阅的相关资料看，这方面的研究还未见报道。为此本文设计了由钢丝绳网及缝合绳组成的单个防护单元在法向集中荷载作用下的试验模型，通过试验与数值分析相结合的方法，对主动防护网中单个防护单元的力学性能进行研究。

1 防护单元法向集中荷载作用下试验设计

国内目前常用的主动防护网中钢丝绳网的网孔为菱形。结合钢丝绳网的尺寸规格及试验条件，选取了由布鲁克（成都）工程有限公司生产的试验用钢丝绳网，网片规格为2m×2m，钢丝绳直径为8mm，网孔尺寸为300mm×300mm，采用8mm缝合绳对钢丝绳网进行缝合，组成2.5m×2.5m的防护单元。设计的试验模型如图4所示。

图4 缝合绳及钢丝绳网组成的防护单元（mm）

由于在起主动加固作用的防护网中，局部危岩体突出部分一般是不规则的，与钢丝绳网的接触面积、危岩体的外形特点有一定的关系。为了便于试验，试验模型将危岩体与防护网的接触面的形状简化为圆形，且荷载作用区域位于防护单元的中间位置[12]。在试验模型中，对防护单元的四周所有节点约束其平面内的自由度，而在实际的主动防护网中，仅仅只有防护单元四周锚固端节点是固定的，其余部分节点会发生一定的位移。因此，试验模型测得的防护单元在法向集中荷载作用下的竖向荷载及竖向位移比实际主动防护网的小，从工程应用的角度考虑是偏于安全的。

基于图4的试验模型，设计了试验用钢梁。钢梁和4个三角形反力架组成试验台架，如图5所示。钢丝绳网和缝合绳按照图4所示的方式进行连接。当采用缝合绳对钢丝绳网进行张拉时，由于钢丝绳网与缝合绳之间的弯折和摩擦作用，安装过程中很难将钢丝绳网张紧。为此，试验中将缝合绳分为4段，采用张线器进行预张拉，减小钢丝绳网在发生弹性变形前的非弹性变形。

图5 安装完毕的试验台架和钢丝绳网照片

由于在施加荷载过程中，钢梁会受到斜向荷载作用产生扭曲变形，为了保证试验的正常进行，必须控制钢梁的扭曲变形。为此，试验中首先预先估计钢梁所受的荷载，同时采用有限元软件ANSYS分析试验中荷载对钢梁的作用。出于安全的考虑和数值计算的方便，在单根工字钢受力点施加水平和竖向荷载，大小均为10kN，集中荷载作用于缝合绳与钢梁的连接处（见图4）。数值分析中采用适用于计算扭转、非线性的壳单元shell181对钢梁进行模拟[13]，钢材采用Q235钢。通过多次试算，选取工字钢型号为I28。钢梁在上述荷载作用下位移云图分别如图6和图7所示。由图6和图7可知：钢梁在4点受荷载作用下的最大位移为6.67mm；在3点受荷载作用下的最大位移为4.43mm。由此可见，钢梁的承载力满足试验的荷载要求。

同时，根据计算得出的钢梁受荷条件，设计钢梁之间焊缝尺寸及钢梁与三角形反力架之间的螺栓连接方式及个数，以确保试验安全。

图6 四点受荷钢梁变形云图

图7 三点受荷钢梁变形云图

2 防护单元集中荷载作用下试验步骤及结果

2.1 试验步骤

1）试验的加载设备

考虑到防护单元在法向集中荷载作用下的位移较大，对加载设备提出了变形距离的要求。试验中用两个自行设计的带有传感器装置的手动葫芦进行加载，以满足试验所需变形距离的要求。在加载中将手动葫芦的一端固定在地沟上，另一端挂在与钢板相连的钢丝绳上，以保证两个手动葫芦在同一高度（见图5），且在加载中应使两者尽量的同步，以使钢板能够平均受力。钢板周围采用切割机打磨，避免钢板与钢丝绳交接处首先发生破坏。

2）位移的测量方法

为了保证试验安全，试验中通过将直尺固定在钢板的边缘，用水准仪读取直尺上的数值，利用加载前后2次读数的差值来确定位移。

3）试验加载方案

采用分级加载的方案进行加载，开始时每级加荷载2kN，当位移超过100mm后，每级加荷载5kN，每次加荷载完成后持荷2min，并读取荷载前后2次位移值的大小。

2.2 试验结果

试验共进行了5次，得到了防护单元在法向集中荷载作用下的荷载—位移曲线如图8所示。前3次试验在角部缝合绳与钢丝绳网连接节点处未设置绳卡，防护单元的破坏形式一致，均是防护单元的角部缝合绳与钢丝绳网连接节点处发生断裂破坏（见图9）。后2次试验在角部缝合绳与钢丝绳网连接节点处设置了绳卡，防护单元的破坏主要是由钢丝绳网内部交叉处钢丝绳发生断裂引起；此时角部缝合绳与钢丝绳网连接节点处由于绳卡的作用，未发生破坏，但局部存在破损现象（见图10）。后2次试验得到的防护单元的最大竖向荷载比前3次得到的荷载值大。

图8 试验得到的荷载－位移曲线

图9 角部钢丝绳网与缝合绳交接处断裂

图10 角部钢丝绳网与缝合绳交接处采用绳卡连接

3 防护单元集中荷载作用下数值分析

数值分析的两个假设条件为：①钢丝绳网与缝合绳组成的防护单元在初始受荷载条件下处于张紧状态；②钢丝绳网间的卡扣、钢丝绳网与缝合绳连接节点均作为一个节点考虑，不先于其他构件发生破坏。根据上面两个假设条件，建立防护单元的有限元模型，如图11所示。有限元模型中：选用link10单元来模拟钢丝绳，该单元具有特有的双线性刚度矩阵，可以承受单向拉伸或单向压缩[13]；钢丝绳的应力应变关系曲线见图12[9]，数值分析中采用Von miso屈服准则，双线性等向强化模型来模拟钢丝绳的材料特性。

图11 有限元分析模型

图12 应力应变关系曲线

图13 试验中防护单元在钢板作用下变形图

图13为防护单元在钢板作用下的变形图。由图13可知，当荷载在一定范围内时，由于钢板的刚度较大，与钢板直接接触的钢丝绳的竖向位移相同。因此，为了模拟试验中采用钢板施加荷载的过程，将竖向荷载平均施加到试验防护单元的有限元模型中钢板作用范围内的节点上，同时耦合了节点的竖向位移自由度。图14为数值分析中防护单元在钢板作用下的变形，与试验中防护单元的变形较一致。

图14 数值计算的防护单元在钢板作用下的变形图

图15 试验与数值计算得出的荷载—位移曲线

图16 数值计算与修正试验得到的荷载—位移曲线

图15为试验与数值分析得到的荷载—位移曲线。由图15可知：由于在安装过程中，钢丝绳网与缝合绳之间存在摩擦作用，施工现场很难将钢丝绳网张拉到预紧状态；防护单元在受到很小的荷载作用下即发生较大位移，而数值分析中假设试验防护单元处于预张紧状态，因此在相同的荷载作用下，试验得出的防护单元在法向集中荷载作用下的位移比数值分析结果偏大。考虑到在加载初期当荷载很小时，防护单元存在一部分弹性变形前的非弹性变形位移，因此在试验结果中需要扣除这一部分位移值的影响，通过试验观测近似可取这部分值为30mm，得到了修正后防护单元在法向集中荷载作用下试验四、试验五和数值模拟得到的荷载—位移曲线（见图16）。从图16中可以看出：当将试验开始阶段防护单元发生弹性变形前的一部分非弹性变形扣除掉后，数值计算得到的防护单元在法向集中荷载作用下的荷载—位移曲线与试验结果吻合好，数值分析方法能够较好的预测防护单元在法向集中荷载作用下的力学性能。

4 结 论

对起加固作用的主动防护网的工作原理进行了归纳，设计了由缝合绳及钢丝绳网组成的防护单元在法向荷载作用下的试验模型，进行了试验及数值分析研究，得到了2点有意义的结论：

1）缝合绳对防护单元法向集中荷载作用下的力学性能有影响。当未在角部缝合绳与钢丝绳网连接节点处设置绳卡时，由于防护单元角部缝合绳与钢丝绳网之间相互错动摩擦作用，引起角部钢丝绳网与缝合绳连接节点处最先发生破坏，影响了防护单元整体受力性能；当在角部缝合绳与钢丝绳网连接节点处设置绳卡时，由于绳卡能在一定程度上限制缝合绳与钢丝绳之间的相互错动，提高了防护单元在法向荷载作用下的承载力。因此，建议在工程应用中，将角部缝合绳与钢丝绳网连接节点处采用绳卡进行连接，防止缝合绳与钢丝绳网间在受到荷载作用时发生错动摩擦引起破坏，影响其整体受力性能；

2）采用数值分析的方法对防护单元在法向集中荷载作用下的力学性能进行了研究，分析了数值计算结果与试验结果产生偏差的原因。当对试验结果进行修正后，数值分析结果与试验结果吻合较好，数值分析方法能较好的预测防护单元在法向荷载作用下力学性能。

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