土工格室植草护坡的稳定性分析

何文斌

（宽城满族自治县交通运输局，河北 承德 067600）

0 引言

基础设施特别是高速公路在建设过程中不可避免地会对岩土边坡大量开掘，选择适当的边坡防护方案非常重要。以往在建设过程中大多采用护面墙、喷浆、喷混和锚喷等纯圬工结构进行边坡防护，虽然初期稳固和抗侵蚀效果较好，但随着时间的推移，岩石风化、混凝土老化和钢筋锈蚀使其效果越来越差，同时其对自然生态整体环境的破坏以及在降低噪音与光污染、缓解视觉疲劳等诸多方面的不足都与当前注重生态环境保护、坚持可持续发展的现代工程理念相去甚远，鉴于此笔者提出利用土工格室植草防护的方法处理边坡。

土工格室作为一种新型合成材料，对其的大量研发始于20世纪80年代末90年代初的欧美等国家。经试验和现场应用证明，在提高一般填土承受动荷以及路基防护方面均有很大的功效。我国于20世纪90年代初在吸收国外先进经验的基础上，开始了土工格室的开发研究工作，并在道路基床病害整治、固定松散介质的应用方面取得了重大突破。随着对土工格室特性的进一步了解，人们已经发现其具有其它土工材料（土工布、土工膜、土工格栅、土工模袋和土工网等）不可替代的优势，在诸多领域有着独特的应用前景。

1 土工格室的特点

土工格室应用于边坡防护时，展开后的格室壁形成一层层挡墙，可以大大缓解水流流速，避免坡面径流的形成。格室内可以填充种植土，上面可以种草和种植灌木，在原始坡面无法恢复植被的情况下，同样可以获得理想的绿化效果，具有不可估量的环保价值。土工格室具有较高的整体性和一定的柔韧性，弥补了片石骨架防护松动、塌陷和架空等缺陷。土工格室由直径12mm螺纹钢筋制作而成的带钩钉子（钉子的长度大于50cm）固定于路基边坡上，在土质边坡和石质边坡均可铺设。

1.1 土工格室的结构特点

土工格室由高密度聚乙烯（HDPE）片材料经超声波焊接等方法连接而成，展开后呈蜂窝状三维立体网格材料，属于特种土工合成材料，具有较高的整体强度，材质轻、耐磨损、化学性能稳定，耐光氧老化、耐酸碱。其展开后的格室内可以填充种植土并撒播草籽，能使边坡充分绿化，带孔的格室还能增加坡面的排水性能，加入植物的根系加筋作用，增强土工格室护坡的效果。

1.2 土工格室的力学特点

土工格室利用网格体系对土体的摩擦力和侧限约束力在边坡表面形成轻型网状结构体，避免了边坡表面与冲刷介质（雨水、风沙等）直接接触，可降低土壤流失率，并减少地表径流量和降低流速，从而达到减轻水流对坡面的冲蚀、防止坡面表层土体溜坍和对土体补强加固的目的。其力学性能指标见表1。

表1 土工格室力学性能指标

加拿大皇家军事工程学院理查德等人采用中密砂和松散砂样，分加土工格室和不加土工格室两种类型进行室内大三轴试验，结果见表2和图1、图2。

表2 土工格室视粘聚力与摩擦角试验结果

图1 主应力差—垂直应变关系图

图2 加土工格室与未加土工格室试样强度包络图

试验表明：土体加土工格室较之不加土工格室其应力—应变关系有明显提升（见图1），强度包络线亦有明显提高（见图2），但摩擦角与不加土格室的砂样基本相同（见表2）。

1.3 土工格室护坡作用特点

1.3.1 消减水能量，降低水对坡面的冲蚀破坏程度

降水会在坡面形成径流，直接对坡面造成破坏，降水时间的长短与破坏程度成正比。土工格室会改变水流的径流方向，使其沿土工格室的边缘流动，降低了水流在坡面的径流量以及流速。土工格室固定在坡面上，大大增加了坡面土体的粘聚力，使得土工格室网状结构内的土体防冲刷能力大大加强。

1.3.2 植被根系固土，增加土壤透水能力

植被的根系具有从各个方向对土壤进行加固的作用，并且植被与土壤结合自然稳定。不过自然条件恶劣地区植物存活率较低，所以固土效果较差。

2 土工格室的抗滑稳定性

2.1 土工格室的破坏模式

土工格室由焊接部位的铆钉固定于坡面。实践经验表明，铆钉数量偏少会使提供抗滑阻力的铆钉受力增大，从而导致传递到格室连接部位的局部应力增大，使该处出现明显的塑性变形。当某个连接部位的局部应力超过其焊接点的剥离强度时，局部应力的重分布将使相邻焊接点相继破坏，导致周围格室逐一散开，使整个格室-土系统呈渐进性破坏，最终丧失对土壤的包裹作用，在水流作用下发生边坡局部冲蚀。因此，土工格室破坏程度主要受焊点剥离强度的控制。

土工格室沿边坡下滑会引起坡底种植土发生整体剪切破坏，导致坡底第一排格室底部上抬，从而使经排水孔渗入的水流从底部掏空格室。当第一排格室掏空后，第二排开始上抬。如此类推，最终使格室完全失效。因此，坡底处第一排格室必须有铆钉固定，底端种植土需满足承载力的要求。

2.2 土工格室抗滑安全系数

保持土工格室稳定的抗滑安全系数通过铆钉数量的增加（即铆钉间距的减小）得以提高。此外，在格室底部与坡面之间铺设一道双向土工格栅，也可增强格室的抗滑力。格室在坡面的受力情况如图3 a）所示。

图3 格室-土系统的稳定分析示意图

以单位宽度坡面格室为研究对象，其下滑力F为：

式中：G——种植土的重力；

γ——种植土的重度；

L——坡长；

t——种植土深度，与格室深度相同；

β——坡角。

坡面格室的抗滑力R为：

式中：Ra——坡脚处格室抗滑阻力；

Rs——格室一土系统在坡面上的抗滑力；

Rj——坡面铆钉传递的附加阻力；

Kj——格室焊接点的抗剥离安全系数，Kj＝1.3～1.5；

Rg——土工格栅提供的抗滑力。

Ra可根据极限平衡理论分析确定，计算简图见图3a）。破坏区边界线ABC由一段直线AB和对数螺线BC组成，OAB中的应力可表示在图3b）上。

由于土工格室侧壁光滑，与土的摩擦力为零，OA面上的法向应力σ可表示为图3b）破坏包线上的a点，因OB为滑动面，其应力可表示为破坏包线上的b点，故∠AOB=ξ＝π/4+φ/2。 OB与AB两滑动面的夹角∠ABO=π/2-φ。BC一端与AB相切，另一端在C点与地面相交，θ0＝π/4+β-φ/2。

如图3c）所示，由OBC的力矩平衡条件，可得：

式中，dM=γr2ldθ/2+cr2dθ，为图3c）中阴影线单元对O点的力矩；l＝2rcos（θ0-θ）/3；r＝，rb为OB的长度；c、φ分别为种植土的粘聚力和内摩擦角；pb＝σbrb。

整理式（3）可得：

根据图3b）中几何关系可得：

由图3d）可得：

将式（4）代入式（5），并利用Ra＝σat，可得：

假定坡面铆钉纵横方向等距布置，式（2）中其他各抗滑力表示如下：

式中：φs——种植土与边坡界面的摩擦角；

fj——单位深度格室焊接点的剥离强度；

s——铆钉的间距，一般为格室蜂巢直径的倍数；

F2%——每延米双向土工格栅纵向伸长率为2%时的拉伸力。

因而格室的抗滑安全系数为：

要求K≥1.5。

由式（2）、式（10）、式（11）和式（12）可得铆钉最大间距为：

式中，Kmin为格室抗滑稳定的最小安全系数。

3 土工格室植被护坡型式

土工格室植草护坡是一种特殊的边坡防护形式，结合了工程防护和植物防护的特点。由于工程防护对坡度以及植物根系护坡的作用效果对边坡坡度均有严格要求，土工格室植被护坡防护形式的整体稳定性与所防护的边坡坡度有密切的关系。

土工格室护坡主要有平铺式护坡和叠砌式护坡两种形式。当坡度缓于1∶1.0时，采用平铺式；当坡度缓于1∶0.5或陡于1∶1.0时，采用叠砌式（如图4所示）。

图4 土工格室植被护坡形式示意图

4 结语

土工格室植草护坡作为一种新型的复合结构植物防护形式，是通过详细研究植物根系的力学加筋与锚固作用以及格室的固土护坡机理而提出来的。本文对其稳定性进行分析，得出在安全系数K≥1.5的条件下，该边坡防护形式是一种有效的边坡防护形式，值得进一步推广。

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