浆砌片石拱形骨架护坡实体模型加载分析

陈龙，聂忆华，彭立，肖燕，徐阳

(1.湖南科技大学土木工程学院，湖南湘潭411201;2.湖南省交通规划勘察设计院，湖南长沙410008)

土路基边坡在降雨作用下容易发生冲蚀、溜塌等病害，影响路基边坡的稳定性。拱形骨架护坡是边坡防护中最常用的一种方式，其中浆砌片石拱形骨架护坡是多年来最为普遍的边坡防护形式，对于其边坡防护的作用与施工技术等，许多工程技术人员与学者进行较多的归纳与研究，但对该骨架边坡防护的承载力学性能研究较少［1-5］。通过边坡防护，不仅能稳固路基，而且能起到美化路容的作用，浆砌片石骨架护坡是最常用的高边坡绿色防护方式之一，浆砌片石骨架根据形状不同，可以分为拱形、方格形、人字形等。本文选用浆砌片石拱形骨架边坡，通过设计修筑实体试验模型进行加载试验，测试边坡拱顶及拱角处的应力应变，对边坡在荷载下关键点位应力应变及位移进行研究，以期在一定程度上揭示拱形骨架边坡在承受荷载作用下关键点位的力学响应规律，为工程设计提供重要参考。

1 试验模型

根据工程实际拱形骨架尺寸，缩小模型按照1∶4的比例进行计算与修筑，实体试验模型尺寸为:高1.75 m×宽3.25 m×长3 m，边坡坡率1∶1.5，见图1和图2所示，在模型坡面砌筑2排3列浆砌片石拱形骨架，并于骨架空隙类植草。在中间一列拱的拱顶、拱角和拱柱等关键点位贴应变片(G1～G5)，拱顶G1和G3两点，拱角G2和G4两点，拱柱G5一点，竖向、横向、斜向分别指应变片贴的方向为沿坡面竖向一致、横向一致、斜向一致(45°)。在上中下3个位置架设位移千分表(1#～3#)。

图1 试验模型侧面图(单位:cm)

图2 试验模型平面图(单位:cm)

在坡顶施加垂直荷载的过程中，浆砌片石拱形骨架结构关键点位位移采用千分表测量，键点位的应变值通过粘贴在监测点位的三向应变片测量，如图3、图4所示。采用应变片参数如表1，采用加载块分五级加载。

图3 试验模型监测点位布置图

图4 试验模型加载图

表1 应变片参数

2 实验结果与分析

2.1 位移变化规律分析

边坡受力后骨架护坡产生的位移是整个边坡系统承载力确定的一个重要评价指标，产生的位移越大，拱形护坡失稳的可能性就越大。因此，通过分级加载，测试每级荷载稳定后关键点位位移值，以期能了解边坡浆砌片石骨架在坡顶端受垂直荷载作用下的位移变化情况，所测数据见图5所示。

图5 不同荷载作用下测点位移图

由图5可知，监测点位移与加载荷载的关系:离坡顶距离越近，位移值越大，变化值也越大;随着加载值的增加，位移有非线性增大的趋势;离坡顶距离达到一定值后位移为负值，表示在底部一定区域位移是反向发展，即表示路基土上部沉降、下部鼓起的变化形态;随着荷载的增加，位移先期增长速度较快，后期增长较慢，渐渐趋于平稳。

2.2 应变变化规律分析

边坡受力后浆砌片石砂浆连接处所产生的应力应变响应是整个边坡系统承载力确定的另一个重要评价指标，当应力应变值大于砂浆的粘结强度，拱形骨架边坡便会开裂或断裂。因此，通过分级加载，测试每级荷载稳定后关键点位应变值，以期能了解浆砌片石拱形骨架边坡应变随坡顶荷载作用的变化情况，所测数据见绘制成图6和图7所示，测试中所测点位数据显示均为负值，即为压应变，绘图时全部取正值进行绘制，其中图6为单点应变分析图，图7是将图6中不同点位应变值汇总进行应变分析图。

图6 各点应变图

续图6各点应变图

图7 各点三向应变图

由图6和图7进行拱形骨架边坡应变与坡顶加载、离坡顶斜向距离的关系分析如下:

1)G1点与G3点分别为上下拱顶处监测点位，由图6中a)和c)图分析可得:在拱顶位置，竖向压应变＞横向压应变＞斜向压应变;竖向、横向、斜向三向压应变均随着荷载的增加而近线性增大，表明拱顶最先发生竖向砂浆粘结压碎破坏。

2)G2点与G4点、G5点分别为上下拱角及拱柱处监测点位，由图6中b)、d)、e)图分析可得:在拱角和拱柱位置，横向压应变＞竖向压应变＞斜向压应变;竖向、横向、斜向三向应变均随着荷载的增加而近线性增大，表明拱角最先发生横向砂浆粘结压碎破坏。

3)图6中f)给出了竖向加载49.5 kPa下各点应变与到坡度斜向距离的关系:在同一荷载作用下，离坡顶斜向距离越大，各点横向、斜向压应变随之增加，横向压应变增加速度快于斜向压应变，而竖向压应变在拱顶和拱角处差异较大，随着离坡顶距离增加，拱顶竖向压应变增加，拱角竖向压应变增加，但拱顶处竖向压应变增加幅度大于拱角处。由于其它不同竖向荷载作用下趋势均相同，只是值的大小有所不同，在此只选49.5 kPa竖向荷载作为代表说明。

4)图7中a)、b)、c)图分别对拱体各点竖向、横向、斜向等三向应变进行整体分析可得:不同点位处的竖向、横向、斜向三向压应变均随着竖向加载的增加而增大，当处于拱的不同位置，随荷载变化而应变增加幅度不同;当处于拱同一位置(如拱顶或拱角处)，同一荷载下离坡度斜向距离越大，三向应变均增大。

3 结论

本文修筑缩小拱形骨架浆砌片石边坡防护模型，通过在坡顶加载监测拱形骨架关键点位的位移与应变，对数据进行研究分析可得:

1)随着荷载的增加，拱形骨架离坡顶一定距离范围内各点位移是增加的，且离坡顶越近，位移越大;当距离达到一定范围后，拱形骨架下部出现外鼓变形，监测位移值为负值;沉降与鼓起的分界深度还有待进一步研究。

2)随着荷载的增加，拱形骨架护坡上各点的压应变均增加，离坡顶距离越大增加的值越大。

3)浆砌片石不同部位破坏方式不同，拱顶先发生竖向砂浆粘结破坏、拱角先发生横向砂浆粘结压碎破坏;离坡顶距离越大，各种破坏趋势均增加。

根据以上结论，建议在修筑浆砌片石拱形骨架护坡时，在下部区域进行一定加固措施，防止鼓起与各种砂浆粘结破坏，增加浆砌片石骨架护坡的稳定性。

［1］JTG D30-2004，公路路基设计规范［S］.

［2］邓学钧.路基路面工程［M］.北京:人民交通出版社，2008.

［3］赵建军，张惠萍.超高填方边坡拱形骨架护坡施工技术［J］.建筑施工，2012，34(7):661-663.

［4］李龙.骨架防护在黄土路基边坡防护中的应用［J］.道路工程，2012(9):117-119.

［5］仝召，马骏，关晓静.骨架植物护坡在黄土路堤边坡防护中的应用［J］.交通标准化，2009，206:120-123.