柔性被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)在公路既有邊坡拓寬中的應(yīng)用

朱均悅 邊雪倩 孫超 毛文月 劉勇

（山東交通學(xué)院交通土建工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250357）

一、引言

邊坡防護(hù)方法主要包含工程防護(hù)與生態(tài)防護(hù)，其中工程防護(hù)最為常用。但隨著綠色施工及如期實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的發(fā)展要求，生態(tài)防護(hù)或者工程防護(hù)結(jié)合生態(tài)防護(hù)的方法應(yīng)用越來越多。柔性防護(hù)系統(tǒng)結(jié)合了工程防護(hù)與生態(tài)防護(hù)，具有施工簡便、防護(hù)效果顯著、造價(jià)較低的優(yōu)點(diǎn)，已在公路、鐵路、水電站、礦山、市政等邊坡防護(hù)中得到廣泛應(yīng)用。柔性防護(hù)系統(tǒng)根據(jù)功能和防護(hù)要求分為：主動(dòng)覆蓋防護(hù)系統(tǒng)和被動(dòng)攔截防護(hù)系統(tǒng)。主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)覆蓋或包裹在需防護(hù)的斜坡及危巖體上，以限制坡面巖土體的風(fēng)化剝落、破壞及危巖崩塌，或?qū)⒙涫拗圃谝欢ǚ秶鷥?nèi)運(yùn)動(dòng)。不中斷交通的既有邊坡拓寬過程中，施工作業(yè)產(chǎn)生的落石可能會(huì)因其在坡面上滾動(dòng)導(dǎo)致無法采用主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)。被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)主要用于攔截滾石、落物及爆破飛石等，主要由鋼柱、減壓環(huán)、拉錨系統(tǒng)、支撐繩及鋼絲繩網(wǎng)組成柔性結(jié)構(gòu)，承受并擴(kuò)散落石沖擊力，形成攔截屏障，利用系統(tǒng)的變形能力，延長落石對(duì)攔截系統(tǒng)的作用時(shí)間，大大削弱沖擊力，同時(shí)不斷吸收和消化沖擊動(dòng)能，達(dá)到防護(hù)落石的目的。

邊坡被動(dòng)柔性防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)攔截撞擊能量3000kJ以內(nèi)的落石[1]，適用于地形復(fù)雜的邊坡條件，布置靈活、施工方便，具有安全、適用、經(jīng)濟(jì)與環(huán)保等方面的顯著優(yōu)勢(shì)。在京滬高速公路萊蕪至臨沂（魯蘇界）段改擴(kuò)建工程中要求不中斷交通實(shí)施拓寬施工，高大邊坡開挖過程中的落石對(duì)高速公路運(yùn)營造成巨大威脅。為保證通行車輛安全，采用了被動(dòng)柔性防護(hù)系統(tǒng)等多級(jí)防護(hù)體系，達(dá)到了完成既有邊坡拓寬并保證車輛通行安全的目的。但被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)作為既有邊坡拓寬過程中的臨時(shí)防護(hù)措施，其分級(jí)設(shè)置高度、沖擊動(dòng)力響應(yīng)等相關(guān)問題研究較少[2]，設(shè)計(jì)主要依據(jù)大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和建立在經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上的相關(guān)規(guī)范[3，4]。因此，本文依托京滬高速公路萊蕪至臨沂（魯蘇界）段改擴(kuò)建工程，采用ABAQUS有限元分析軟件分析防護(hù)網(wǎng)沖擊性能，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果驗(yàn)證，分析柔性被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)的沖擊動(dòng)力響應(yīng)和能量轉(zhuǎn)換過程，以及設(shè)計(jì)與施工中的薄弱環(huán)節(jié)。

二、工程概況

京滬高速公路臨沂改擴(kuò)建工程第3 標(biāo)段挖方主要集中在k546+200～k547+800段、k548+810～k549+650段、k551+714～k552+116段左側(cè)，總計(jì)開挖長度7512m，挖石方總量1496km3，其中k551+714～k552+116段最大挖深39.7m，開挖巖石性質(zhì)為石灰?guī)r。為保證邊坡拓寬開挖過程中不中斷交通和通行車輛的安全，路塹邊坡拓寬施工采用5000t劈裂機(jī)靜態(tài)爆破配合液壓破碎錘開挖，并采用柔性被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)，被動(dòng)網(wǎng)內(nèi)覆蓋密目網(wǎng)，攔截了大塊落石及小塊飛石，如圖1所示。

圖1 石質(zhì)邊坡拓寬中柔性被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)

三、分析模型及計(jì)算參數(shù)

結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，以RXI-050型被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)為對(duì)象，在ABAQUS中取一個(gè)防護(hù)單元建立彈性模型，開展explicit動(dòng)力學(xué)分析，分析時(shí)間步設(shè)置為0.3s。

（一）計(jì)算模型

RXI-050型被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)柱間距b=10m，工字型鋼柱高度h=4m；環(huán)形網(wǎng)規(guī)格為R7/3/300（直徑3mm的鋼絲、盤結(jié)7圈，按網(wǎng)孔內(nèi)切圓直徑300mm編織），系統(tǒng)可攔截撞擊能500kJ以內(nèi)的落石，鋼絲強(qiáng)度不低于1770MPa。工字型鋼柱型號(hào)為18#，上、下支撐繩采用φ22單繩，上拉錨繩為φ18單繩，側(cè)拉錨繩為φ18雙繩。上拉錨繩、側(cè)拉錨繩與邊坡之間的連接設(shè)為剛接，鋼柱與邊坡之間的連接設(shè)為鉸接，上拉錨繩、側(cè)拉錨繩與鋼柱之間的連接設(shè)為鉸接，如圖2所示。

圖2 RXI-050型被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)沖擊動(dòng)力分析模型

鋼絲繩網(wǎng)、拉錨繩、支撐繩、鋼柱均采用T3D2桁架單元，只考慮構(gòu)件軸力作用而不考慮彎矩作用；落石采用C3D4實(shí)體單元，假設(shè)落石是直徑為800mm的彈性球體。為模擬球體從距離防護(hù)網(wǎng)15m高度處，以96.5kJ的能量沖擊防護(hù)網(wǎng)，依據(jù)式設(shè)置球體初始速度v0計(jì)算方法如公式（1）所示：

球體與防護(hù)網(wǎng)之間在切向設(shè)置面面光滑接觸，法向設(shè)置“硬”接觸。減壓環(huán)采用彈簧和粘壺單元并聯(lián)形成Kelvin模型等效模擬其阻尼器作用[5]，如圖3所示。

圖3 減壓環(huán)Kelvin模型

（二）計(jì)算參數(shù)

模型計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 模型計(jì)算參數(shù)

四、結(jié)果分析

（一）速度、位移分析

落石（彈性球體）沖擊被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)在0.18s時(shí)的位移云圖如圖4所示；落石垂直于環(huán)網(wǎng)方向的速度時(shí)程變化如圖5所示；位移時(shí)程變化如圖6所示。

圖4 落石沖擊柔性被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)位移云圖

圖5 落石沖擊柔性被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)速度變化時(shí)程圖

圖6 落石沖擊柔性被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)位移變化時(shí)程圖

由圖5、圖6可知，在0.18s時(shí)落石在繩網(wǎng)中位移2.435m，此時(shí)落石速度為0、位移最大，落石的沖擊動(dòng)能轉(zhuǎn)化為防護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)變能、動(dòng)能及減壓環(huán)的熱能。

（二）mises應(yīng)力分析

鋼柱mises應(yīng)力在落石達(dá)到最大位移時(shí)（0.18s）的云圖如圖7所示。

圖7 鋼柱mises應(yīng)力云圖

在彈性球體的速度為0時(shí)（0.18s），落石在繩網(wǎng)中達(dá)到最大位移，此時(shí)支撐鋼柱的最大mises應(yīng)力為245.5MPa，產(chǎn)生在支撐鋼柱中下部，小于其屈服強(qiáng)度345MPa；設(shè)置工字鋼支撐柱時(shí)，注意其翼面與柔性網(wǎng)垂直，充分發(fā)揮工字鋼梁的抗彎性能。柔性網(wǎng)沖擊點(diǎn)繩網(wǎng)的mises應(yīng)力時(shí)程曲線如圖8所示。

圖8 柔性網(wǎng)沖擊點(diǎn)mises應(yīng)力里程曲線

柔性網(wǎng)沖擊點(diǎn)繩網(wǎng)的mises應(yīng)力先急速增大，后迅速減小，最大mises應(yīng)力1317MPa，小于其抗拉強(qiáng)度1770MPa。繩網(wǎng)可以抵抗住落石的沖擊。Mises應(yīng)力綜合等效反應(yīng)了各個(gè)方向上應(yīng)力值的大小，其計(jì)算方法如公式（2）所示。

（三）能量分析

落石沖擊動(dòng)能與系統(tǒng)應(yīng)變能轉(zhuǎn)換時(shí)程曲線如圖9所示。E1為繩網(wǎng)應(yīng)變能的里程變化曲線，E2為落石沖擊動(dòng)能的時(shí)程變化曲線。

圖9 動(dòng)能與應(yīng)變能時(shí)程曲線

落石的沖擊動(dòng)能E2(96.5kJ)轉(zhuǎn)化為防護(hù)網(wǎng)的應(yīng)變能E1(75.3kJ)、動(dòng)能與阻尼器的熱能耗散。在0.18s時(shí)達(dá)到能量交換的最大值，而后再次交換，落石回彈，但其動(dòng)能比初始值有所減小，設(shè)置的模擬減壓環(huán)彈簧-粘壺阻尼器發(fā)揮了作用。

（四）現(xiàn)場(chǎng)效果

施工現(xiàn)場(chǎng)柔性網(wǎng)設(shè)置如圖10所示，在環(huán)形網(wǎng)內(nèi)放置了密目網(wǎng)，從而有效攔截了大小各類飛石、落石，保證了施工期間的正常行車運(yùn)營安全，至工程竣工通車沒有發(fā)生因飛、落石引發(fā)的交通安全事故。

圖10 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置的柔性被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)

五、結(jié)語

本文模擬了直徑800mm、高度15m的落石以96.5kJ的能量沖擊防護(hù)網(wǎng)，采用彈簧-粘壺阻尼器模擬了減壓環(huán)的作用，分析結(jié)果表明柔性被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)結(jié)構(gòu)體系滿足設(shè)計(jì)要求。京滬高速公路臨沂改擴(kuò)建工程第3標(biāo)段在公路既有邊坡拓寬中應(yīng)用了RXI-050型被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)，結(jié)果表明其有效攔截了落石、飛石，達(dá)到了預(yù)期效果，為同類工程的設(shè)計(jì)與施工提供了參考。