汪 敏，石少卿，陽友奎

（1.解放軍后勤工程學(xué)院 軍事建筑工程系，重慶401311；2.布魯克（成都）工程有限公司，成都611731）

我國是個(gè)多山的國家，特別是西部和東南部山區(qū)，時(shí)常發(fā)生崩塌、塌落和風(fēng)化剝落等淺層坡面地質(zhì)災(zāi)害，尤其在運(yùn)營鐵路、公路這樣的線狀工程沿線最為嚴(yán)重[1]。邊坡主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)以其施工方便，布置靈活、能夠較好的適應(yīng)各種復(fù)雜地形條件等特點(diǎn)在邊坡防護(hù)工程中得到廣泛的應(yīng)用[2]。

根據(jù)用途，邊坡主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)分為起加固作用的防護(hù)網(wǎng)和起圍護(hù)作用的防護(hù)網(wǎng)[3]。起加固作用的防護(hù)網(wǎng)將落石限制在坡面上，起圍護(hù)作用的防護(hù)網(wǎng)限制落石的運(yùn)動(dòng)軌跡，使得落石順坡滑下到指定的地點(diǎn)。目前美國以及歐美等國的公路交通部門對(duì)起圍護(hù)作用的防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行了較為細(xì)致的研究[4－6]，而對(duì)起加固作用的防護(hù)網(wǎng)的研究相對(duì)較少，而從目前工程實(shí)際應(yīng)用情況下，起加固作用的防護(hù)系統(tǒng)存在系統(tǒng)設(shè)計(jì)偏于保守或者局部構(gòu)件不能滿足均衡化要求的問題[7]。

根據(jù)邊坡的不同破壞特點(diǎn)可以將起加固作用防護(hù)網(wǎng)的工作狀態(tài)分為起被動(dòng)防護(hù)作用（見圖1）和起主動(dòng)加固作用（見圖2）[8－9]。從圖1、2中可以看出，主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)中單個(gè)防護(hù)單元受到危巖體的荷載可以簡(jiǎn)化為法向和切向兩個(gè)集中荷載或均布荷載的作用。為此，掌握主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)中單個(gè)防護(hù)單元在法向集中荷載或均布荷載作用下的荷載—位移曲線和豎向最大承載力對(duì)于指導(dǎo)主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)的均衡化設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用具有重要的實(shí)用價(jià)值[7，10]。

圖1 起被動(dòng)防護(hù)作用

圖2 起主動(dòng)加固作用

圖3 GPS2型防護(hù)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)布置及縫合圖

目前國內(nèi)應(yīng)用較為廣泛的起加固作用的防護(hù)網(wǎng)為GPS2型防護(hù)網(wǎng)（見圖3）。該系統(tǒng)主要由錨桿、支撐繩、縫合繩及鋼絲繩網(wǎng)組成[11]。GPS2型防護(hù)網(wǎng)在施工過程中，利用縫合繩的預(yù)張拉作用將鋼絲繩網(wǎng)與支撐繩連接起來，從而將鋼絲繩網(wǎng)張緊，使其緊貼坡面。在GPS2型防護(hù)網(wǎng)中，單個(gè)防護(hù)單元主要由鋼絲繩網(wǎng)和縫合繩組成，應(yīng)用時(shí)根據(jù)需要選擇合適的鋼絲繩網(wǎng)塊規(guī)格尺寸、合理的布置錨桿間距。因此在應(yīng)用設(shè)計(jì)GPS2型主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)時(shí)，必須要掌握由鋼絲繩網(wǎng)和縫合繩組成的單個(gè)防護(hù)單元在法向荷載作用下的力學(xué)性能，從作者查閱的相關(guān)資料看，這方面的研究還未見報(bào)道。為此本文設(shè)計(jì)了由鋼絲繩網(wǎng)及縫合繩組成的單個(gè)防護(hù)單元在法向集中荷載作用下的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，通過試驗(yàn)與數(shù)值分析相結(jié)合的方法，對(duì)主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)中單個(gè)防護(hù)單元的力學(xué)性能進(jìn)行研究。

1 防護(hù)單元法向集中荷載作用下試驗(yàn)設(shè)計(jì)

國內(nèi)目前常用的主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)中鋼絲繩網(wǎng)的網(wǎng)孔為菱形。結(jié)合鋼絲繩網(wǎng)的尺寸規(guī)格及試驗(yàn)條件，選取了由布魯克（成都）工程有限公司生產(chǎn)的試驗(yàn)用鋼絲繩網(wǎng)，網(wǎng)片規(guī)格為2m×2m，鋼絲繩直徑為8mm，網(wǎng)孔尺寸為300mm×300mm，采用8mm縫合繩對(duì)鋼絲繩網(wǎng)進(jìn)行縫合，組成2.5m×2.5m的防護(hù)單元。設(shè)計(jì)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D4所示。

圖4 縫合繩及鋼絲繩網(wǎng)組成的防護(hù)單元（mm）

由于在起主動(dòng)加固作用的防護(hù)網(wǎng)中，局部危巖體突出部分一般是不規(guī)則的，與鋼絲繩網(wǎng)的接觸面積、危巖體的外形特點(diǎn)有一定的關(guān)系。為了便于試驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯⑽r體與防護(hù)網(wǎng)的接觸面的形狀簡(jiǎn)化為圓形，且荷載作用區(qū)域位于防護(hù)單元的中間位置[12]。在試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭校瑢?duì)防護(hù)單元的四周所有節(jié)點(diǎn)約束其平面內(nèi)的自由度，而在實(shí)際的主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)中，僅僅只有防護(hù)單元四周錨固端節(jié)點(diǎn)是固定的，其余部分節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)生一定的位移。因此，試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏y(cè)得的防護(hù)單元在法向集中荷載作用下的豎向荷載及豎向位移比實(shí)際主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)的小，從工程應(yīng)用的角度考慮是偏于安全的。

基于圖4的試驗(yàn)?zāi)Ｐ停O(shè)計(jì)了試驗(yàn)用鋼梁。鋼梁和4個(gè)三角形反力架組成試驗(yàn)臺(tái)架，如圖5所示。鋼絲繩網(wǎng)和縫合繩按照?qǐng)D4所示的方式進(jìn)行連接。當(dāng)采用縫合繩對(duì)鋼絲繩網(wǎng)進(jìn)行張拉時(shí)，由于鋼絲繩網(wǎng)與縫合繩之間的彎折和摩擦作用，安裝過程中很難將鋼絲繩網(wǎng)張緊。為此，試驗(yàn)中將縫合繩分為4段，采用張線器進(jìn)行預(yù)張拉，減小鋼絲繩網(wǎng)在發(fā)生彈性變形前的非彈性變形。

圖5 安裝完畢的試驗(yàn)臺(tái)架和鋼絲繩網(wǎng)照片

由于在施加荷載過程中，鋼梁會(huì)受到斜向荷載作用產(chǎn)生扭曲變形，為了保證試驗(yàn)的正常進(jìn)行，必須控制鋼梁的扭曲變形。為此，試驗(yàn)中首先預(yù)先估計(jì)鋼梁所受的荷載，同時(shí)采用有限元軟件ANSYS分析試驗(yàn)中荷載對(duì)鋼梁的作用。出于安全的考慮和數(shù)值計(jì)算的方便，在單根工字鋼受力點(diǎn)施加水平和豎向荷載，大小均為10kN，集中荷載作用于縫合繩與鋼梁的連接處（見圖4）。數(shù)值分析中采用適用于計(jì)算扭轉(zhuǎn)、非線性的殼單元shell181對(duì)鋼梁進(jìn)行模擬[13]，鋼材采用Q235鋼。通過多次試算，選取工字鋼型號(hào)為I28。鋼梁在上述荷載作用下位移云圖分別如圖6和圖7所示。由圖6和圖7可知：鋼梁在4點(diǎn)受荷載作用下的最大位移為6.67mm；在3點(diǎn)受荷載作用下的最大位移為4.43mm。由此可見，鋼梁的承載力滿足試驗(yàn)的荷載要求。

同時(shí)，根據(jù)計(jì)算得出的鋼梁受荷條件，設(shè)計(jì)鋼梁之間焊縫尺寸及鋼梁與三角形反力架之間的螺栓連接方式及個(gè)數(shù)，以確保試驗(yàn)安全。

圖6 四點(diǎn)受荷鋼梁變形云圖

圖7 三點(diǎn)受荷鋼梁變形云圖

2 防護(hù)單元集中荷載作用下試驗(yàn)步驟及結(jié)果

2.1 試驗(yàn)步驟

1）試驗(yàn)的加載設(shè)備

考慮到防護(hù)單元在法向集中荷載作用下的位移較大，對(duì)加載設(shè)備提出了變形距離的要求。試驗(yàn)中用兩個(gè)自行設(shè)計(jì)的帶有傳感器裝置的手動(dòng)葫蘆進(jìn)行加載，以滿足試驗(yàn)所需變形距離的要求。在加載中將手動(dòng)葫蘆的一端固定在地溝上，另一端掛在與鋼板相連的鋼絲繩上，以保證兩個(gè)手動(dòng)葫蘆在同一高度（見圖5），且在加載中應(yīng)使兩者盡量的同步，以使鋼板能夠平均受力。鋼板周圍采用切割機(jī)打磨，避免鋼板與鋼絲繩交接處首先發(fā)生破壞。

2）位移的測(cè)量方法

為了保證試驗(yàn)安全，試驗(yàn)中通過將直尺固定在鋼板的邊緣，用水準(zhǔn)儀讀取直尺上的數(shù)值，利用加載前后2次讀數(shù)的差值來確定位移。

3）試驗(yàn)加載方案

采用分級(jí)加載的方案進(jìn)行加載，開始時(shí)每級(jí)加荷載2kN，當(dāng)位移超過100mm后，每級(jí)加荷載5kN，每次加荷載完成后持荷2min，并讀取荷載前后2次位移值的大小。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)共進(jìn)行了5次，得到了防護(hù)單元在法向集中荷載作用下的荷載—位移曲線如圖8所示。前3次試驗(yàn)在角部縫合繩與鋼絲繩網(wǎng)連接節(jié)點(diǎn)處未設(shè)置繩卡，防護(hù)單元的破壞形式一致，均是防護(hù)單元的角部縫合繩與鋼絲繩網(wǎng)連接節(jié)點(diǎn)處發(fā)生斷裂破壞（見圖9）。后2次試驗(yàn)在角部縫合繩與鋼絲繩網(wǎng)連接節(jié)點(diǎn)處設(shè)置了繩卡，防護(hù)單元的破壞主要是由鋼絲繩網(wǎng)內(nèi)部交叉處鋼絲繩發(fā)生斷裂引起；此時(shí)角部縫合繩與鋼絲繩網(wǎng)連接節(jié)點(diǎn)處由于繩卡的作用，未發(fā)生破壞，但局部存在破損現(xiàn)象（見圖10）。后2次試驗(yàn)得到的防護(hù)單元的最大豎向荷載比前3次得到的荷載值大。

圖8 試驗(yàn)得到的荷載－位移曲線

圖9 角部鋼絲繩網(wǎng)與縫合繩交接處斷裂

圖10 角部鋼絲繩網(wǎng)與縫合繩交接處采用繩卡連接

3 防護(hù)單元集中荷載作用下數(shù)值分析

數(shù)值分析的兩個(gè)假設(shè)條件為：①鋼絲繩網(wǎng)與縫合繩組成的防護(hù)單元在初始受荷載條件下處于張緊狀態(tài)；②鋼絲繩網(wǎng)間的卡扣、鋼絲繩網(wǎng)與縫合繩連接節(jié)點(diǎn)均作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)考慮，不先于其他構(gòu)件發(fā)生破壞。根據(jù)上面兩個(gè)假設(shè)條件，建立防護(hù)單元的有限元模型，如圖11所示。有限元模型中：選用link10單元來模擬鋼絲繩，該單元具有特有的雙線性剛度矩陣，可以承受單向拉伸或單向壓縮[13]；鋼絲繩的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線見圖12[9]，數(shù)值分析中采用Von miso屈服準(zhǔn)則，雙線性等向強(qiáng)化模型來模擬鋼絲繩的材料特性。

圖11 有限元分析模型

圖12 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

圖13 試驗(yàn)中防護(hù)單元在鋼板作用下變形圖

圖13為防護(hù)單元在鋼板作用下的變形圖。由圖13可知，當(dāng)荷載在一定范圍內(nèi)時(shí)，由于鋼板的剛度較大，與鋼板直接接觸的鋼絲繩的豎向位移相同。因此，為了模擬試驗(yàn)中采用鋼板施加荷載的過程，將豎向荷載平均施加到試驗(yàn)防護(hù)單元的有限元模型中鋼板作用范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)上，同時(shí)耦合了節(jié)點(diǎn)的豎向位移自由度。圖14為數(shù)值分析中防護(hù)單元在鋼板作用下的變形，與試驗(yàn)中防護(hù)單元的變形較一致。

圖14 數(shù)值計(jì)算的防護(hù)單元在鋼板作用下的變形圖

圖15 試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算得出的荷載—位移曲線

圖16 數(shù)值計(jì)算與修正試驗(yàn)得到的荷載—位移曲線

圖15為試驗(yàn)與數(shù)值分析得到的荷載—位移曲線。由圖15可知：由于在安裝過程中，鋼絲繩網(wǎng)與縫合繩之間存在摩擦作用，施工現(xiàn)場(chǎng)很難將鋼絲繩網(wǎng)張拉到預(yù)緊狀態(tài)；防護(hù)單元在受到很小的荷載作用下即發(fā)生較大位移，而數(shù)值分析中假設(shè)試驗(yàn)防護(hù)單元處于預(yù)張緊狀態(tài)，因此在相同的荷載作用下，試驗(yàn)得出的防護(hù)單元在法向集中荷載作用下的位移比數(shù)值分析結(jié)果偏大?？紤]到在加載初期當(dāng)荷載很小時(shí)，防護(hù)單元存在一部分彈性變形前的非彈性變形位移，因此在試驗(yàn)結(jié)果中需要扣除這一部分位移值的影響，通過試驗(yàn)觀測(cè)近似可取這部分值為30mm，得到了修正后防護(hù)單元在法向集中荷載作用下試驗(yàn)四、試驗(yàn)五和數(shù)值模擬得到的荷載—位移曲線（見圖16）。從圖16中可以看出：當(dāng)將試驗(yàn)開始階段防護(hù)單元發(fā)生彈性變形前的一部分非彈性變形扣除掉后，數(shù)值計(jì)算得到的防護(hù)單元在法向集中荷載作用下的荷載—位移曲線與試驗(yàn)結(jié)果吻合好，數(shù)值分析方法能夠較好的預(yù)測(cè)防護(hù)單元在法向集中荷載作用下的力學(xué)性能。

4 結(jié) 論

對(duì)起加固作用的主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)的工作原理進(jìn)行了歸納，設(shè)計(jì)了由縫合繩及鋼絲繩網(wǎng)組成的防護(hù)單元在法向荷載作用下的試驗(yàn)?zāi)Ｐ停M(jìn)行了試驗(yàn)及數(shù)值分析研究，得到了2點(diǎn)有意義的結(jié)論：

1）縫合繩對(duì)防護(hù)單元法向集中荷載作用下的力學(xué)性能有影響。當(dāng)未在角部縫合繩與鋼絲繩網(wǎng)連接節(jié)點(diǎn)處設(shè)置繩卡時(shí)，由于防護(hù)單元角部縫合繩與鋼絲繩網(wǎng)之間相互錯(cuò)動(dòng)摩擦作用，引起角部鋼絲繩網(wǎng)與縫合繩連接節(jié)點(diǎn)處最先發(fā)生破壞，影響了防護(hù)單元整體受力性能；當(dāng)在角部縫合繩與鋼絲繩網(wǎng)連接節(jié)點(diǎn)處設(shè)置繩卡時(shí)，由于繩卡能在一定程度上限制縫合繩與鋼絲繩之間的相互錯(cuò)動(dòng)，提高了防護(hù)單元在法向荷載作用下的承載力。因此，建議在工程應(yīng)用中，將角部縫合繩與鋼絲繩網(wǎng)連接節(jié)點(diǎn)處采用繩卡進(jìn)行連接，防止縫合繩與鋼絲繩網(wǎng)間在受到荷載作用時(shí)發(fā)生錯(cuò)動(dòng)摩擦引起破壞，影響其整體受力性能；

2）采用數(shù)值分析的方法對(duì)防護(hù)單元在法向集中荷載作用下的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，分析了數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生偏差的原因。當(dāng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正后，數(shù)值分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，數(shù)值分析方法能較好的預(yù)測(cè)防護(hù)單元在法向荷載作用下力學(xué)性能。

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