新型装配式生态防护边坡浅层稳定性研究

张述涛 彭君 陈航 王天成

摘要：边坡生态防护能使边坡免受雨水侵蚀进而发生失稳，但现有边坡生态防护结构大多采用现浇混凝土、注浆锚杆等，施工繁琐、现场作业时间长。为此，提出了一种由小型伞型锚、预制混凝土坡面防护构件以及预制生态植被层组成的新型装配式生态防护结构，并对其所防护边坡的浅层稳定性开展了研究。首先开展室内模型试验，验证了小型伞型锚的锚固性能；然后根据新型结构的组成和受力特点，推导得到该结构防护下边坡浅层稳定性系数的计算公式，结合丽江机场改扩建工程某边坡，分析锚固力和锚间距等关键参数对边坡浅层稳定性的影响规律；最后基于极限平衡法对不同防护条件下边坡潜在失稳状态进行了数值分析。结果表明：新型装配式生态防护结构坡面锚间距的适宜范围为1.5～2.5 m；相比单纯小型伞型锚支护和单纯格构支护，新型结构既能强化边坡浅层稳定性，还可避免局部破坏，发挥下伏土层强度，进而提高边坡整体稳定性，同时具有施工便捷、安装后即可发挥效用以及易于局部拆换等优势。

关 键 词：装配式生态护坡；浅层稳定性；伞型锚；安全系数

中图法分类号：TU433

文献标志码：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.05.023

0 引 言

目前在交通、水利等基础设施领域，土质边坡常用植物防护或植物防护与工程防护相结合的措施对坡面进行生态防护，防止因雨水下渗入侵土层造成边坡浅层失稳甚至整体失稳，同时改善工程周边环境，减少因开挖、填筑等造成的土体裸露、水土流失以及植被覆盖率降低。在高陡边坡中，工程防护措施往往必不可少，但大多采用现浇混凝土施工、注浆锚杆锚固等，植被层也采用现场铺设，施工周期长，若在施工过程中遇到降雨，边坡易发生浅层失稳。

针对边坡浅层失稳的问题，许多学者从浅层失稳机理、防治措施等方面进行了研究。经典的边坡浅层稳定性分析方法是建立在无限长斜坡的“顺坡平面”破坏模式假定的基础上的^［1-2］。对于传统边坡稳定性分析，采用的是基于圆弧滑裂面假定的刚体极限平衡法，但陈善雄等^［3］指出其很难适用于受雨水软化作用导致的土质边坡浅层稳定性分析，因为雨水入渗导致土质边坡内形成具有显著差异的土层界面。连继峰等^［4］的研究也验证了这一现象。钟涛等^［5］对成渝线边坡溜坍情况的调查显示，边坡浅层滑裂面平行于原坡面，深度为0.5～1.5 m。吴江鹏等^［6］采用数值方法对降雨导致的实际边坡滑坡变形破坏机理进行了研究。

对于边坡失稳的防治措施，一般包括坡面防护^［7］、加筋土挡墙^［8］、预应力锚索、排水截水、浅层开挖卸荷、喷射混凝土等^［9］。连继峰等^［10］研究了矩形骨架防护路基边坡的浅层稳定性，郝廷伟等^［11］利用柔性轻型结构梁作为防护骨架构件进行边坡防护。唐小军等^［12］提出采用灌木丛植被覆盖坡面，试验结果表明植被能显著减少雨水入侵土层，提高边坡稳定性作用明显。王甦宇等^［13］针对毛细阻滞覆盖层边坡防护技术的优势与不足，提出了提高毛细阻滞覆盖层防护性能的改进措施和途径。陈飞等^［14］采用草本植物用于赣南地区酸性红壤边坡护坡，并进行了环境适应性试验，对比了不同草本植物的护坡效果。何矾等^［15］探究了加筋网-锚杆防护下的土质边坡稳定性，结果表明锚杆作用改变了原有边坡的失效破坏模式，锚杆强度建议采用渐进式设计。吴顺川等^［16］对比分析了预应力锚杆、微型抗滑桩及挡土墙等方法的加固效果。郝建斌等^［17］分析了锚杆格构支护在动力作用下的支护效果。然而，现浇混凝土骨架、注浆锚杆等边坡防护措施存在施工速度慢、运营维护成本高等问题。

针对上述不足，本文结合传统防护措施优点，提出了新型装配式生态护坡结构^［18］：由小型伞型锚、预制混凝土坡面防护构件以及预制生态植被层组成。采用室内模型试验研究小型伞型锚的锚固性能，对其适用性进行验证，同时基于无限长斜坡浅层顺坡平面失稳模式，推导适用于新型装配式生态防护边坡的浅层稳定性安全系数公式，并结合数值模型对关键影响因素及边坡浅层稳定性进行分析，以期为新型装配式边坡生态防护结构的应用提供一定理论依据。

1 新型装配式生态护坡结构

本文提出的新型装配式护坡结构如图1所示，分为伞型锚锚固结构和装配式坡面防护结构^［18］。锚固构件采用小型伞型锚，安装时无需注浆，通过击入至指定深度后反向张拉，锚板切土张开锁定后即可对防护结构实现快速锚固。

防护结构沿坡面呈网格式布置，可按照正方形、矩形或菱形拓展布满整个坡面，如图2所示，从受力角度出发，一般以矩形为主。

网格由装配式节点和梁单元组成，节点形状与网格布置形状相匹配，小型伞型锚锚固在节点上，其连接安装如图3所示。梁采用轻型预制混凝土矩形截面梁，每段长1.0～3.0 m，梁与梁、梁与节点之间均采用装配式连接。梁的侧面预制挂钩，通过在网格内挂设植被层进行植被种植。节点处设置锚固构件，梁作为主要受力构件直接承担结构与生态植被层的重力，并将其传递给锚固构件。

植被层采用预制形式，用土工格栅包裹土壤和种子，形成具有一定厚度且适应网格形状尺寸的含土植被层，四周挂在网格梁上，如图4所示。

2 小型伞型锚锚固结构性能

普通伞型锚在鄂北调水工程及南水北调中线工程得得了良好应用^［19-20］，但与采用普通伞型锚对边坡进行加固不同，作为新型装配式护坡的锚固结构，其伞型锚的锚固深度和尺寸均比普通伞型锚要小，其主要作用是为边坡防护结构提供锚固力。

2.1 模型试验方案

采用室内模型试验对小型伞型锚的锚固性能进行研究。

（1） 试件参数。小型伞型锚锚板采用Q345钢材制作，平面尺寸为200 mm×100 mm，厚度为20 mm。锚板中部开有直径15 mm的孔，锚杆从中间穿过后在底部通过螺栓与锚板紧密连接，如图5（a）所示，连接锚杆采用直径15 mm、等级为HRB335的螺纹钢筋。

（2） 土体参数。土体采用黏性土，干密度1.76 g/cm³，含水率23.6%，黏聚力为16.4 kPa，内摩擦角为22.5°。

（3） 模型箱设置。模型箱尺寸为80 cm×80 cm×100 cm，一侧为足够厚的亚克力板，锚板与亚克力板接触一侧设有光滑滚珠，并在亚克力板面上涂抹凡士林减小摩擦。

（4） 试验设置。试验通过预埋的方式替代伞型锚锚板切土张开后挤压上部土体的过程，从锚固力开始发挥作用作为起点开始试验。锚板以下土层厚200 mm，锚板以上土层厚600 mm，模型箱内土体分层填筑，每层厚度为50 mm，每层之间通过拉毛等方法增加相邻层之间的黏聚力；锚板下土层填筑完成后，根据设计锚固位置安放好锚板，然后再分层填筑锚板以上土层；每层土体填筑时，在透明板一侧设置好标志线。

在锚杆和加载装置之间安装拉力计和百分表测量拉拔力和位移；同时在土层表面设置液压千斤顶进行加载，模拟上部土体自重荷载，千斤顶下方设置传力板以及压力板使得上覆加载能够均匀传递至土层表面，试验中小型伞型锚的等效锚固深度取3 m和5 m。试验整体布置如图5（b）所示。

（5） 加载方法。试验采用分级加载，每级荷载为2.5 kN，每级持荷时间为10 min，并记录位移增量，每级加载时间内连续两次测读的位移增量不超过0.1 mm即视为该级锚杆位移稳定，方可进行下一级加载，直到加载后位移始终无法稳定即停止加载，以上一级荷载为最终的极限荷载。

2.2 试验结果分析

试验测得的荷载-位移曲线绘制在图6中。从图6可知，在锚固深度为3 m和5 m两种条件下，小型伞型锚的极限抗拔力分别为20 kN和32.5 kN，抗拔力随着锚固深度的增加而增大，最终破坏模式表现为锚板上部土体受剪屈服破坏，形成上凸的破裂面曲线。在用于新型装配式生态护坡结构中时，可通过增加锚板面积来提高锚固力，并对极限抗拔力进行安全系数折减后作为设计锚固力。

采用与试验中相同直径和等级的螺纹钢筋作为钢筋锚杆，采用钻孔注浆方式提供锚固力，与小型伞型锚进行对比。

对于锚固深度3 m和5 m两种情况，采用直径30 mm的钻孔并在钻孔内全长注浆，根据GB 50086-2015《岩土锚固剂喷射混凝土支护工程技术规范》^［21］，采用一次重力灌浆，灌浆体与黏性土地层的极限黏结强度标准值取为0.05 MPa，考虑锚固长度对黏结强度的影响系数调整后，计算得到两种锚固深度下钢筋锚杆的极限抗拔力分别为22.6 kN和30.6 kN，与同等锚固深度下的小型伞型锚抗拔力相当。但是，伞型锚作为机械锚杆，在反向切割土体完成张开后即可提供锚固力，不需要等浆液凝固，能有效缩短工期，在工效上明显优于注浆锚杆。

3 边坡浅层稳定性分析

3.1 防护单元土体浅层稳定性分析

图7为防护单元土体的受力示意图。对于矩形防护结构护坡，坡面防护结构对边坡浅层土体的力学作用主要是横向格构梁挡土抗力和自重引起的对坡体正压力。自重在顺坡向的分力由下部土体和坡脚共同支撑，且由于采用在网格内挂设植被层，土体与格构梁间的摩擦可以忽略不计。对于坡度为α的边坡浅层滑动，坡长远大于雨水软化深度z_w时，可近似认为是无限长斜坡失稳，其破坏模式为“顺坡平面”失稳破坏模式，可以将任意长度土条底部“顺坡平面”上产生的剪应力是否达到其抗剪强度作为判据^［4］。

根据文献［10］的推导，对于无限长斜坡，格构防护单元体边坡浅层土体的安全系数为

式中：R为滑面下部土体对上部土体的抗滑力，T为土条自重在滑面上产生的下滑分力，l_H是矩形网格的横向净间距，L_V为单元体的长度，b为格构梁宽度，V_c为防护单元内横向与纵向格构梁体积之和，V_s为防护单元内横向与纵向格构梁进入坡体中格构槽的体积，γ_c和γ分别格构梁重度和土体的重度，E为横骨架提供的挡土抗力，α为边坡坡角，φ为浅层土体内摩擦角，G₀为预制植被层重力。其中：

由于本文提出的新型装配式护坡结构采用预制植被层，且通过防护结构格构梁侧面的挂钩进行安装，故格构梁进入边坡土体的深度较浅。植被层采用预制形式，通过土工格栅进行包裹，与边坡土体表面之间并不连续，这种情况很难发生文献［4］中提到的骨架框内土体失稳模式，格构横梁提供的挡土抗力E较小，可在式（1）中忽略该项，使安全系数的计算结果偏保守，同时考虑预制植被层的重力G₀作用，式（1）变为

对于有锚杆作用的情况，锚杆锚固深度要大于滑裂面深度，固定在坡体内部的稳定部分，此时锚固力沿坡面向上的分力直接作为抗滑力抵抗土体下滑，垂直坡面的分力引起对坡体的正应力，增加滑裂面上的抗滑阻力。增加锚杆作用后，式（4）变为

式中：F为锚固力，计算时根据防护单元涉及到的锚杆按照面积平均分摊进行计算；θ为锚杆与水平方向的夹角。

3.2 案例分析

以丽江机场改扩建工程场道某边坡进行分析，该边坡共1级，高度为10 m，边坡坡比为1∶2。

根据勘察报告得知边坡土体为黏性土，最大埋深23.5 m，其自然状态和饱和状态下的物理力学特性相关指标列于表1中。新型装配式生态防护结构中，防护结构采用矩形格构形式，尺寸为2.5 m×2.5 m，格构梁的宽度b为0.2 m，埋置深度为0.05 m，混凝土格构梁重度为24 kN/m³；伞型锚锚固结构安装角度θ为15°，锚固深度为5 m，锚固力F为25 kN，锚间距为2.5 m；网格内部挂有预制植被层，厚度为0.15 m，其平面尺寸略小于网格尺寸，为2.4 m×2.4 m，考虑到预制植被层与网格间的间隙以及植被情况，其饱和状态下重度按照12 kN/m³考虑。

考虑到降雨作用下生态护坡植被层对边坡的保护作用，假设雨水软化深度z_w为1.5 m^［5］，而伞型锚锚固深度为5 m，穿透了雨水软化层，锚固力可靠。根据式（5）可计算得到未进行锚杆锚固和进行锚杆锚固后边坡浅层稳定安全系数F_s分别为0.94和1.21。

根据安全系数计算结果，单独采用坡面防护结构和预制植被层时，边坡浅层会发生“顺坡平面”失稳。采用伞型锚锚固后，边坡浅层稳定安全系数得到大幅提高，说明锚固力对边坡浅层的抗滑力有明显提升，能将新型装配式生态防护结构牢牢固定在边坡上并保证边坡稳定。

3.3 关键因素影响分析

对于新型装配式生态防护结构，锚杆锚固在节点位置，锚间距与网格尺寸一致。对于不同的网格尺寸，相应增加格构梁的截面尺寸，在保证梁不会发生开裂的情况下，利用上述案例中的参数计算得到不同锚固力下边坡浅层稳定安全系数，列于表2中。

从表2的计算结果可以看出，当锚固力一定时，随着锚间距的增大，边坡浅层稳定安全系数不断减小，尤其是当锚间距达到3 m时，需要锚固力大于50 kN才能使得安全系数大于1.20，特别在锚间距为4 m时，锚固力达到75 kN，安全系数才达到能超过1.20。综合经济性、运输和施工便捷性、边坡浅层稳定性等方面考虑，新型装配式边坡防护结构锚间距的适宜范围为1.5～2.5 m。

3.4 数值分析

采用Geo-Studio数值模拟软件建立上述边坡的二维平面数值模型，根据3.2节以及表1中的相关参数设置边坡土体物理力学参数以及防护结构的力学参数。数值模型中边坡考虑无任何防护、只进行伞型锚防护、只进行格构式构件防护以及采用新型装配式生态防护结构防护4种工况。采用极限平衡分析方法对4种工况下的边坡安全系数以及滑裂面情况进行计算。考虑1.5 m的雨水软化深度，分别计算圆弧滑面和以雨水软化层界面为滑面的2种滑裂面形式，将安全系数最低对应的滑裂面形式作为边坡失稳的模式。

（1） 无任何防护。对于无任何防护的边坡，其计算结果如图8所示。沿雨水软化层界面滑动的边坡安全系数1.08，低于圆弧滑面对应的安全系数（1.33）。2种安全系数最低的失稳模式对应的滑裂面均位于雨水软化深度范围内，表现为浅层失稳模式。

（2） 只进行小型伞型锚防护。沿坡面布置小型伞型锚进行加固，伞型锚的间距为2.5 m，锚固角度为15°，锚固力为25 kN，两种滑裂面形式下边坡的安全系数结果如图9所示。从图9中可以看出，两种滑裂面形式下最小安全系数对应的失稳形式仍表现为浅层雨水软化深度内的土体滑动，相比于无任何防护的边坡，安全系数显著增大，表明小型伞型锚加固对边坡的浅层稳定性具有显著提升。

（3） 只进行格构式构件防护。在边坡表面设置一层格构式防护层，将格构式防护构件的重力以及刚度等效施加在这一层上，使得该层对边坡施加同等的重力荷载，同时对边坡表层形成一定的约束。只采取格构式构件防护条件下，两种滑裂面形式下边坡的安全系数结果如图10所示。

从图10可以看出，在只采取格构式构件防护时，对于沿雨水软化层界面的折线滑裂面失稳模式，格构式构件增加了边坡滑体的自重以及下滑力，降低了边坡浅层滑动的安全系数；对于圆弧滑裂面的失稳模式，格构式构件增加了边坡表层的刚度和整体性，增大了圆弧滑裂面的跨度和直径，使边坡的失稳模式从浅层失稳转变为边坡深层整体失稳，增加了边坡整体滑动的安全系数。

（4） 采用新型装配式生态防护结构防护。新型装配式生态防护结构同时采用小型伞型锚和坡面格构式构件防护，将两者结合后进行边坡的稳定性计算。两种滑裂面形式下边坡的安全系数结果如图11所示。

从图11可以看出，对于折线滑裂面形式，采用新型装配式生态防护结构后，边坡的浅层稳定安全系数为1.25，介于只用伞型锚和只用格构式构件两种防护形式对应的安全系数中间，与表2中的计算结果接近，数值计算结果偏大的原因主要是理论分析采用的是防护单元，未考虑滑裂面上下两端的情况，而数值模型中需考虑整个滑裂面的影响。同时，增加小型伞型锚进行固定，对只采用格构式构件防护的边坡其浅层稳定性和整体稳定性有明显提高。

4 结 论

本文提出一种采用小型伞型锚作为锚固构件，结合装配式格构防护构件和预制植被层的新型装配式护坡结构，然后采用室内物理模型试验对小型伞型锚的锚固性能进行了研究，并通过理论分析方法推导得到适用于新型装配式生态护坡结构的边坡浅层稳定性安全系数计算公式。借鉴实际工程参数及相应的数值分析，对伞型锚锚固力、锚间距、不同防护形式等关键因素进行了分析，得到以下结论：

（1） 相比于注浆钢筋锚杆，小型伞型锚具有施工便捷、锚固力生效快的优势，能对浅层土体提供有效的锚固力，且锚固力随着锚固深度的变大而增大。

（2） 综合考虑技术、经济、边坡浅层稳定性等方面，在常用的1∶1.5～1∶2.5坡比参数和小型伞型锚锚固力设计参数范围内，新型装配式边坡防护结构坡面锚间距（网格边长）的适宜范围为1.5～2.5 m。

（3） 相比无防护、单纯小型伞型锚防护和单纯格构构件防护，新型装配式生态防护结构既能提高边坡浅层稳定性，还可避免边坡发生局部破坏，发挥下伏土层强度，进而提高边坡整体稳定性，保证坡面生态防护系统能安全有效地发挥作用。

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（编辑：胡旭东）

Study on shallow stability of new assembled ecological protection slopes

ZHANG Shutao¹，PENG Jun¹，CHEN Hang²，WANG Tiancheng²

（1.Civil AviationZhongnan Airport Design and Research Institute Guangzhou Co.，Ltd.，Guangzhou 510000，China；2.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Abstract：Slope ecological protection can protect the slope from rainwater erosion which leads to instability failure.However，in the most of the existing slope ecological protection structures，concrete pouring construction and grouting anchor are used，which are relatively cumbersome and require a long on-site operation time.In response to these problems，a new assembled ecological protection structure is proposed，which consists of small umbrella anchors，assembled concrete slope protection components and assembled ecological vegetation layers.And the shallow stability of the soil slope using new assembled ecological protection structure was studied.Firstly，indoor model tests were conducted to verify the anchoring performance of small umbrella anchors.Secondly，based on the composition and mechanical characteristics of the new protection structure，a formula for the safety factor of shallow stability of the protected slope was derived.Combined with a practical slope in reconstruction and extension project of Lijiang airport，the influence of key factors such as anchor force and anchor spacing on the shallow stability of the slope was analyzed.Finally，based on the limit equilibrium method，a numerical analysis was conducted to study the potential instability states of slopes under different protection conditions.The results showed that the suitable range for the anchor spacing of the new assembled slope protection structure was 1.5～2.5 m，and compared to simple small umbrella anchor support and lattice support，the new assembled ecological protection structure can not only strengthen the shallow stability of the slope，but also avoid local damage，give full play of the strength of the underlying soil layers，and improve the overall stability of slopes.Meanwhile，the new structure has the advantages of convenient construction，taking effective immediately after installation，and easy local demolition and replacement.

Key words：assembled ecological protection slope；shallow stability；umbrella anchor；safety factor