1、新疆地质XINJIANGGEOLOGY2023年6月Jun.2023第41卷 第2期Vol.41No.2中图分类号:U416.1+4文献标识码:A文章编号：1000-8845(2023)02-256-06项目资助：山东省自然科学基金项目（ZR2019MD0）；新疆维吾尔自治区自然科学基金项目（2022D01A239）共同资助收稿日期：2023-02-15;修订日期：2022-07-07;作者E-mail：第一作者简介：李巧学（1994-），男，实验员，甘肃陇南人，2022年毕业于山东科技大学地质工程专业，主要从事工程地质与环境岩土等方面研究工作基于高陡岩质边坡生态防护新方法的物理模型试验研究李
2、巧学1，孙涛2，尚彦军1，3，曹小红1，许涛1，王伟中1（1.新疆工程学院(新疆地质灾害防治重点实验室)，新疆 乌鲁木齐 830000；2.山东科技大学地球科学与工程学院，山东 青岛 266590；3.中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029）摘要：保证客土基材在坡体上稳定是边坡进行绿化的前提条件。基于现有生态边坡防护技术，提出一种高陡岩质边坡生态防护新方法。为验证该防护方法可行性，进行室内物理模型尺度试验。试验表明：无防护方式下客土基材层随尺度模型斜板倾角均匀增加，客土基材层将沿尺度模型斜板表面产生堆积式滑动破坏，破坏启动角为44；在客土基材顶层放置土工格栅固土结构时，土工格栅对客
3、土基材层起一定约束作用。当存在底层筋材固土结构时，客土基材层与土工格栅及尺度模型斜板面之间摩擦力增大，使得客土基材层破坏倾角增加，破坏倾角5253，客土基材层破环模式与无防护方式条件下保持一致；带横隔挡底层筋材固土结构防护方式下因横隔挡对客土基材层起承托作用，随尺度模型斜板倾角增加客土基材层发生失稳破坏后堆积于横隔挡面，横隔挡分担剩余下滑力保证了客土基材在岩质边坡面的整体稳定性，破坏启动角为57；带横隔挡双层筋材固土结构防护方式下因客土基材层被土工格栅结构包裹起来，客土基材层破坏模式呈堆积于横隔挡与客土基材表层土工格栅被客土基材挤压鼓起的双重破坏模式，破坏倾角增加至76。关键词：高陡岩质边坡；
4、生态防护方法；物理模型试验；客土稳定性；土工格栅固土结构随着工程地质领域对生态环境保护理念的日益重视，裸露岩质边坡生态防护技术逐渐成为研究热点1。王亮等将客土破坏模式假设为沿平面网上表面平行于原边坡面直线滑动面2，据此破坏模式对无限坡模型客土稳定性进行分析，推导出存在地震、平行于水平面表面渗流条件下客土稳定厚度通式；刘强等对有限长客土抗滑动性利用模型试验及极限分析上限解进行理论分析3，证明客土破坏时滑裂面上部为沿金属网上表面的一条平行于原边坡坡面的直线滑裂面，下部为与之光滑连接的一条通过支挡结构上沿的曲线滑裂面，客土越长、越厚，失稳时边坡角越小；王亮等讨论表面渗流对生态边坡客土稳定性影响4，进
5、行同一种客土无渗流和表面渗流条件下稳定性试验，表面渗流条件下客土破坏模式与无渗流条件下相同，即为一条沿平面网上表面平行于原边坡面的直线滑动面；杨俊杰等通过室内模拟实验得出客土破坏模式为一条平行于原坡面的直线滑动面5，推导出存在地震、渗流作用下客土稳定厚度极值解析解；丁瑜等通过自制原位剪切仪剪切试验研究基材土-岩接触面剪切应力-位移软化特性6，证明含根试样的剪切破坏面越粗糙、破碎，根系作用对土-岩接触面峰值剪切强度、峰值剪切位移及残余剪切强度影响愈明显；戚国庆等利用植被涵水固土原理对边坡进行加固及坡面防护7，提出将传统边坡加固技术与植被护坡技术有机地结合起来，既保证边坡安全稳定及加固措施长期有效
6、，又实现坡面植被的快速恢复及生态环境保护；巫锡勇等通过降雨条件下边坡客土破坏模型分析边坡客土稳定性与降雨特征、边坡坡度、坡面特征、土体特性及土体厚度之间的关系8；赵明华等对不同草种及固土结构抗冲刷能力进行研究9，得出不同草种与固土结构在不同降雨强度及坡度下与边坡冲刷的关系；刘海松等研究不同防护型式下公路黄土边坡在降雨条件下坡面径流、含泥量及坡面冲刷情况10，得出降雨对边坡坡面的侵蚀过程；张俊云等对影响植被护坡系统水分平衡的根层土壤初始贮水量、植被截留量、坡表径流量、边坡角、坡表蒸散量及根层土壤萎蔫贮水量等因子分析证明客土配比合理时其渗透性能良好11；许文年等采用特定混凝土配方和种子配方研究岩石
7、边坡防护和绿化新技术12，该技术将植被混凝土原料第41卷第2期李巧学等：基于高陡岩质边坡生态防护新方法的物理模型试验研究经搅拌后由常规喷锚设备喷射到岩石坡面形成近10 cm 厚的植被混凝土并覆盖一层无纺布防晒保墒，植被混凝土形成具一定强度防护层；张俊云等通过室外草坪草培育试验研究种植基配比对草坪草生长及配比对种植基主要强度指标影响13，确定适合于高陡岩坡防护的生态种植基；毛云程等提出一种新型植物纤维防护技术14，通过植物纤维层的联结、加筋和分散坡面径流等作用及植被降雨截流、削弱溅蚀、抑制坡面径流、加固坡面等作用来减少黄土边坡冲蚀、剥蚀等坡面病害产生；Yang Y等通过实验室和田间试验证明表土和
8、秸秆垫覆盖边坡通过减少土壤蒸发调节土壤温度15，能有效地促进植被生长，快速改善道路环境的美观质量；徐创军等结合模拟工程试验证明使用预处理秸秆可提高岩石边坡生态防护喷播客土的总孔隙度和毛管孔隙度16，增强喷播客土的抗剪强度和降低客土的收缩率，增强喷播客土的稳定性；卢荻秋等通过对石质陡坡含根土壤在饱和情况下直剪试验17，得出植物根系具提高饱和土体抗剪强度作用；周中等采用正交实验并在种子能发芽前提下18，研究水泥、土壤、腐殖质和水4个因素在不同水平下对基材无侧限抗压强度的影响。鉴于上述生态边坡客土稳定及相关研究，本文提出一种高陡岩质边坡客土基材层依然保持稳定的生态防护新方法。将该防护方法进行室内物理
9、模型尺度试验，验证该防护方法能够在高角度岩质边坡中客土层依然能保证稳定性。通过该研究以期为解决高陡岩质边坡生态防护客土层稳定提供新思路。1 防护方法机理生态边坡防护新方法固土模式概括为以下3步（图1）：即“锚固”、“承托”、“包裹”。锚固指通过锚杆将底层土工格栅较好的固定在高陡岩质边坡面上，将客土产生的剩余下滑力通过锚杆传递到稳定基岩中；承托指通过布设双层横隔挡来阻止客土层沿高陡岩坡面发生滑动破坏，对客土层整体稳定起到承托拦截作用。包裹指该生态边坡防护固土结构完全布设结束后，客土顶层土工格栅、基岩面底层土工格栅及横隔挡3者将客土层完全包裹起来，并将客土层分为若干客土单元，将每个单元包裹在防护结
10、构内，保证客土稳定。第一次锚固对拟防护岩质边坡面进行清理、钻孔，将锚杆杆体固定在基岩中。通过锚盘将底层土工格栅与锚杆固定连接并张紧在基岩面上，此锚固可有效限制客土侧向位移。当客土出现侧向位移时，底层土工格栅被锚杆拉紧并紧密贴合在基岩边坡面上，土压力通过底层土工格栅和锚具传递给锚杆杆体，锚杆杆体将传递过来的力传到滑裂面以外稳定基岩地层中，从而维持边坡稳定。布设双层横隔挡单向拉伸土工格栅横隔挡穿插连接在锚杆预留段作为下层连接层，将双向拉伸土工格栅绑扎在单向拉伸土工格栅上作为上层覆盖层，既对客土起到承托作用，又加密了横隔挡空隙防止客土团粒被挤出。客土下滑力由横隔挡、顶层土工格栅和底层土工格栅共同承担
11、传递给锚杆杆体。第二次锚固铺设顶层土工格栅后安装顶层锚盘，使固土结构成为一个整体。利用顶层锚盘对顶层土工格栅施加预应力，使顶层土工格栅张紧。当客土（种植基材层）出现侧向位移时，与第一次锚固机制相同，顶层土工格栅及锚杆实现对其二次锚固。2 物理模型试验2.1 模型试验仪器制备合理设计模型试验设备是保证室内模型试验顺利进行的前提。为更好地指导现场施工实践，室内物理模型尺度试验仪器共设计为4个重要组成部分。如图2所示，即物理模型摄像装置、变角度控制斜板装置、塑料土工格栅及横隔挡经编土工格栅变形监测装置、滑轮升降装置。2.1.1 摄像装置摄像设备在本试验中记录客土层、锚杆、塑料土工格栅及经编涤纶土工格
12、栅具大变形特征的装置。图1 防护新方法示意图Fig.1 Schematic diagram of the new protection method（上剖面图；下平面图）257新疆地质2023年该设备采用较高分辨率数码摄像机，并将数码摄像机置于可升降活动的三脚架上，且保证摄像机处于水平状态，同时与变角度控制斜板装置保持一定距离，保证摄像装置既能不影响室内试验过程，能完全清晰的拍摄整个试验过程。2.1.2 斜板装置斜板装置是本试验器材的核心构件。该装置采用PVC塑料板作为斜板材料，在该斜板上特定位置钻取相应的圆孔，用于固定试验锚杆，并在斜板背侧用四根三角钢焊接来进一步增强PVC斜板强度，同时在背
13、侧中部固定一根横梁，并在梁上安放两轴承，使的两轴承与基座连接，形成一个可变角控制斜板装置。并在试验前利用测平仪调整斜板角度至水平，以便在试验过程能够准确测量斜板角度。2.1.3 斜板动力装置斜板动力装置采用升降滑轮（图3-（a），该装置是给斜板角度的变化提供动力的设备。将升降滑轮固定于比斜板高的一定位置，拉动升降滑轮链条，使斜板一侧上升或下降，斜板角度发生变化，来观察客土层与土工格栅的变形破坏特征。2.2 试验材料选取与制备试验材料及制备工具包括土体、稻壳、自来水、客土搅拌机（图3-（b）、植物种子、角度量尺（图3-（c）、锚杆、锚盘、土工格栅、肥料（图4）、塑料扎带、扳手。其中土体选择瑞源生
14、态园第四系覆盖层土，稻壳取用植物种子外壳，自来水用试验场地水，植物种子采用瑞源生态园斜坡面植物的种子，锚杆选取分为两类，一类为玻璃纤维锚杆，玻璃纤维锚杆属绿色环保材料，具防腐蚀性。客土发生滑动后不能完全保证锚杆无损坏，另一类为钢材锚杆，钢材锚杆易腐蚀，但强度足够高，在客土发生破坏后能完全保证强度，因此不同工况应选取不同材料锚杆。本试验中选择玻璃纤维锚杆，锚盘选用塑料锚盘，土工格格栅选取塑料土工格栅。2.3 试验方法室内物理模型尺度试验选取防护体系中一个单元体。将该单元体设置不同尺寸边长及不同尺寸厚度，并改变物理模型斜板角度，来探究客土层稳定性及破坏后土工格栅变形特征。在室内物理模型试验中分为5
15、个阶段，包括试验方案设计阶段、材料准备阶段、材料布设与客土喷播阶段、模型试验阶段、清理试验场地阶段。试验方案设计阶段据高陡岩质边坡地质条件，如边坡倾角、土层性质、植物种类、气候条件及基岩性质差异性，设计不同规格单元体尺寸。本试验通过设计室内模型试验观察不同防护方式下客土稳定性，从防护效果判断出最稳固防护方式。本室内模型试验共设计7组，第1组为不加任何防护方式下的裸坡试验；第25组为采用各不相同的防护方式；第67组是相同防护方式下不同横隔挡间距的对比试验组，室内试验过程中客土层厚度均为20 cm。具体试验分组见表1。材料准备阶段结合室内试验设计方案，利用剪刀裁剪相应规格土工格栅，按一定比例配备土
16、、水、植物种子，加入一定量稻草壳，将配制好的客土用水拌和成指定含水率混合物，同时配备一定规格锚杆与锚盘。材料布设与客土喷播阶段将斜板通过滑轮升降装置置于水平，清理干净斜板上杂物，铺设斜板面柔性土工格栅面层，使柔性土工格栅与斜板紧贴在图2 边坡斜板物理模型Fig.2 Physical model of slope inclined plate图3 试验主要设备及装置Fig.3 Main equipment and devices of test（a）升降滑轮装置；（b）客土搅拌机；（c）角度量尺图4 客土肥料（有机肥）照Fig.4 Photo of guest soil fertilizer(o
17、rganic fertilizer)258第41卷第2期李巧学等：基于高陡岩质边坡生态防护新方法的物理模型试验研究一起，增加摩擦作用；然后在柔性土工格栅面层边角处安装4根锚杆，通过锚盘将柔性土工格栅固定牢固，将已配备好的客土层通过喷播设备喷播于柔性土工格栅面层表面，用直尺量测客土层厚度，布设顶底层横隔挡，并用塑料扎带将顶层横隔挡、底层横隔挡通过塑料扎带绑扎在一起；最后布设客土层表部土工格栅，将底层坡面柔性土工格栅与底层横隔挡格栅、客土表层土工格栅与横隔挡格栅通过扎带固定起来。模型试验阶段拉动升降滑轮，使模型斜板一侧缓慢均匀向下倾斜，每转动5，让斜板静置35 min，让客土层滞后变形完全。当客土
18、层未产生明显滑动失稳时，继续拉动升降滑轮装置且观察客土层变形破坏特点，持续进行，直至客土层发生滑动为止。清理试验现场阶段将破坏后的试验材料土工格栅、客土基材置于指定位置。同时清理物理模型斜板上残留的客土，将锚杆与锚盘采用扳手从物理模型斜板上拧出，保管并待重复利用。3 试验结果分析无防护方式下客土破坏特征在滑轮升降装置带动下，尺度物理模型PVC斜板沿轴缓慢转动。随斜板转角逐渐增大，客土由稳定状态开始出现缓慢滑动。当PVC斜板转至39时，客土可听到微小气泡被挤破声音，随后客土开始出现裂缝。停止转动，客土裂缝逐渐增大，随之裂缝发展停止，继续转动物理模型斜板至44时，客土整体开始产生滑动，由缓慢滑动转
19、为快速下滑。其中滑动面为客土层与物理模型PVC斜板的接触面，且滑后物理模型PVC斜板上有客土基材残留，整个破坏模式相当于二元结构边坡破坏（图5）。顶层筋材固土结构防护方式下客土破坏特征随着物理模型PVC斜板倾角逐渐增大，客土表层由于土工格栅筋材结构的约束作用使得裂隙发育微弱。顶层筋材结构在客土表面张紧趋势随物理模型斜板转动越来越明显，同时表层筋材结构受力越来越大，可观察到下部锚盘位置客土从土工格栅方孔中挤出，锚盘附近筋材结构受客土作用呈隆起趋势，当物理模型PVC斜板旋转至52时，客土基材层开始出现整体滑动（图6）。底层筋材固土结构防护方式下客土破坏特征将客土基材置于物理模型PVC斜板后开始试验
20、，拉动升降滑轮使斜板产生一定倾角，观察客土变形失稳特点。当物理模型PVC斜板倾角旋转至44时，客土出现细微变形，局部开始产生轻微滑动，停止滑轮转动，观察23 min后，客土未出现明显滑动，继续旋转尺度物理模型PVC斜板，当旋转至53时，客土发出密集的气泡挤压声并伴随局部滑动，随后客土层滑动速度瞬间增大，客土层整体发生滑动破坏，滑动界面为客土层与铺设底层土工格栅的坡面，破坏模式与无防护方式相似（图7）。带横隔挡的底层筋材固土结构防护方式下客土破坏特征尺度物理模型PVC斜板随升降滑轮装置的转动，客土层稳定性发生变化。当PVC斜板角度旋转至44时，在客土层听到细微的滑动声音；转动至53时，客土产生微
21、小滑动，静置约25 min后客土仍处于稳定状态，继续转动斜板至57时，客土发生快速下滑，客土下滑速度由缓慢至快速后又呈缓慢滑动，最终客土整体发生破坏。因横隔挡的承托拦截作用，客土堆积于横隔挡上，且横隔挡未被破坏（图8）。方案编号ABCDE1E2B3防护类型无防护顶层筋材固土结构防护底层筋材固土结构防护带横格挡的底层筋材固土结构防护带横隔挡的双层筋材固土结构防护带横隔挡的双层筋材固土结构防护带横隔挡的双层筋材固土结构防护横隔挡间距/cm15015015015015010050表1 试验方案类型表Table 1 Types of test protocols图5 无防护物理模拟试验组照Fig.5
22、Group photo of unprotected physical simulation test（a）试验前模型照；（b）失稳破坏后模型照图6 顶层筋材固土结构防护物理模型试验组照Fig.6 Physical model test group photo of the protection ofthe solid soil structure of the top reinforcement（a）试验前模型照；（b）失稳破坏后模型照259新疆地质2023年带横隔挡（间距150 cm）的双层筋材固土结构防护方式下的客土破坏特征该试验组横隔挡间距设计为150 cm。将客土层置于物理模型斜板上
23、，拉动升降滑轮使斜板逐渐旋转，当斜板角度旋转到63，客土层开始产生缓慢滑动，随后滑动速度加快，滑动面为客土层与物理模型斜板及土工筋材所组成的界面。因受横隔挡和顶层筋材结构拦截约束作用，客土层滑动破坏后没有通过横隔挡塑料土工格栅，而是客土层整体堆积于横隔挡面处，且滑动-堆积后客土层呈“半雨滴状”，防护结构单元内顶层筋材结构上部呈中空，下部靠近横隔挡处顶层筋材被客土挤压鼓胀（图9）。带横隔挡（间距100 cm）的双层筋材固土结构防护方式下客土破坏特征该试验组物理模型横隔挡间距设计为100 cm。将客土层置于物理模型PVC斜板上，拉动升降滑轮设备使斜板产生一定倾角，当斜板角度旋转大于44后，每旋转2
24、客土层都产生极微小滑动再保持稳定。当物理模型斜板转至68时，客土层出现整体滑动，滑动速度由缓慢变快，滑动面为客土与物理模型PVC斜板及土工格栅面层的界面。由于土工格栅空间结构对客土层的承托作用，客土滑动后将土工格栅固土结构下部积压，土工格栅固土结构上部呈中空状态，顶层土工格栅下部与横隔挡格栅有明显鼓胀，客土因挤压从顶层土工格栅被挤出。带横隔挡（间距50 cm）的双层筋材固土结构防护方式下的客土破坏特征此试验组横隔挡间距设计为50 cm。在试验过程中物理模型PVC斜板旋转至76时，客土开始产生滑动破坏，滑动过程极缓慢且滑动不明显，靠近防护结构顶部客土中间下滑位移明显大于两侧，滑动走势呈弧线状，且
25、在靠近防护结构顶部位置，客土出现脱离底层土工格栅趋势，横隔挡未出现明显鼓胀，在顶层土工格栅中下部鼓胀现象减弱，无客土挤出。据试验（5）、（6）、（7）分析结果，该生态边坡防护新方法横隔挡间距不同，客土层失稳破坏倾角不同（图10）。4 结论（1）无防护方式下客土层滑动破坏特征相当于二元结构边坡的破坏模式，同时随物理模型斜板倾角持续增大，客土层由稳定渐转为局部稳定，再由局部稳定转为客土层整体失稳破坏。（2）当客土顶层铺设土工格栅固土结构时，土工格栅对客土层起一定约束作用。随物理模型PVC斜板倾角增大，客土发生相对滑动挤压顶层土工格图7 底层筋材固土结构防护物理模拟试验组照Fig.7 Physica
26、l simulation test group photo of theprotection of the solid soil structure ofthe underlying reinforcement（a）试验前模型照；（b）失稳破坏后模型照图8 底层土工格栅加横隔挡试验照Fig.8 Photo of the bottom geogrid plustransversebarrier test图9 双层土工格栅加横隔挡防护物理模拟试验组照Fig.9 Physical simulation test of double-layer geogridand transverse partit
27、ion protection（a）试验前模型照；（b）失稳破坏后模型照图10 不同尺寸防护方式客土破坏倾角曲线Fig.10 Slope curve of land failure of different sizesof protection methods260第41卷第2期李巧学等：基于高陡岩质边坡生态防护新方法的物理模型试验研究栅，后者发生一定变形，对客土层起到阻挡作用。（3）底层筋材固土结构防护方式下土工格栅增加了客土与物理模型斜板面之间摩擦力，随物理模型斜板倾角逐渐增大，客土由整体稳定转为局部变形，再由局部变形转至整体滑动破坏，形成与无防护方式相似的破坏模式。（4）带横隔挡底层筋材固
28、土结构防护方式下物理模型斜板增加至53时，客土层中上部出现细微拉张裂缝。当物理模型斜板转至57时，客土层快速下滑，最终客土层整体滑动堆积于横隔挡上。（5）带横隔挡双层筋材固土结构防护方式下客土滑动破坏倾角明显提高，横隔挡间距布设越小客土层发生滑动破坏的倾角越大，当横隔挡间距150 cm、100 cm、50 cm时，客土滑动破坏角为63、68、76。参考文献1张俊云,周德培,李绍才.岩石边坡生态护坡研究简介J.水土保持通报,2000(4):36-38.2王亮,谢健,朱伟.平行于水平面表面渗流对生态边坡中客土稳定性影响研究J.岩土力学,2009,30(8):2271-2275.3刘强,杨俊杰,刘红
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33、,Cao Xiaohong1,Xu Tao1,Wang Weizhong1(1.Xinjiang Key Laboratory of Geological Disaster Prevention and Control),Xinjiang Institute of Engineering,Urumqi,Xinjiang,830000,China;2.School of Earth Sciences and Engineering,Shandong University of Scienceand Technology,Qingdao,Shandong,266590,China;3.Instit
34、ute of Geology and Geophysics,Chinese Academy of Sciences,Beijing,100029,China)Abstract:Ensuring the stability of the base material on the slope is a prerequisite for the greening of the slope.Basedon the existing ecological slope protection technology,this paper proposes a new method for ecological
35、 protection ofhigh and steep rock slopes.In order to verify the feasibility of the protection method,the indoor physical model scale testwas carried out.Through experimental results,the results show that:(1)the base layer of guest soil increases uniformlywith the inclination angle of the scale model
36、 inclined plate under the unprotected method,and the layer of guest soil sub-strate will produce stacked sliding failure along the surface of the scale model inclined plate,and the starting angle of thefailure is 44;(2)When the geogrid solid soil structure is placed on the top layer of the guest soi
37、l substrate,the geogridplays a certain restraining role on the guest soil substrate layer,and when there is a solid soil structure of the underlyingreinforcement,the friction between the guest soil substrate layer and the geogrid and the scale model inclined plate sur-face increases,so that the fail
38、ure inclination of the guest soil substrate layer increases,and the failure inclination anglewill be 5253,but the breaking mode of the guest soil substrate layer is consistent with the condition of no protectionmode;(3)Under the protection mode of solid soil structure of the bottom layer with horizo
39、ntal partition,because the hori-zontal partition plays a supporting role on the guest soil substrate layer,it accumulates on the horizontal partition surfaceafter instability and damage occurs with the increase of the inclination angle of the inclined plate of the scale model,andthe horizontal parti
40、tion shares the remaining sliding force to ensure the overall stability of the guest soil substrate on therock slope,and the failure starting angle is 57;(4)Under the protection mode of double-layer reinforced solid soil struc-ture with horizontal partition,because the guest soil substrate layer is
41、wrapped by the geogrid structure,the failure modeof the guest soil substrate layer is a double failure mode in which the geogrid of the horizontal partition and the surfacegeogrid of the guest soil substrate is squeezed and bulged by the guest soil substrate,and the failure inclination is in-creased to 76.Key words:High-steep rock slope;Ecological protection method;Physical model test;Stability of guest soil;Geogridsolid earth structure261