新型預(yù)制塊拱形骨架護(hù)坡結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬分析

， ，

(1.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 湘潭 411201； 2.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410008)

新型預(yù)制塊拱形骨架護(hù)坡結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬分析

唐賽乾1，徐暘2，聶憶華1

(1.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 湘潭 411201； 2.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410008)

拱形骨架護(hù)坡是路基邊坡工程中最常用的防護(hù)形式之一，新型預(yù)制塊拱形骨架護(hù)坡因其施工便利、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢(shì)得到推廣和應(yīng)用。選用傳統(tǒng)漿砌片石砌筑結(jié)構(gòu)與砂漿基礎(chǔ)預(yù)制塊鋪面砌筑的新型結(jié)構(gòu)等2種典型的拱形骨架護(hù)坡結(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)體工程尺寸建立數(shù)值分析模型，模擬在同等加載條件下不同結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與位移響應(yīng)規(guī)律。數(shù)值模擬分析結(jié)果表明：2種結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)基本一致，新型結(jié)構(gòu)略大；應(yīng)力響應(yīng)新型結(jié)構(gòu)明顯小于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)；綜合力學(xué)響應(yīng)性能新型結(jié)構(gòu)較優(yōu)，可推廣應(yīng)用。

路基邊坡； 拱形骨架； 結(jié)構(gòu)選型； 數(shù)值分析

0 引言

公路土基邊坡在雨水等環(huán)境作用下易發(fā)生沖蝕、滑塌等病害，影響路基邊坡的穩(wěn)定性和耐久性?！豆仿坊O(shè)計(jì)規(guī)范》[1]規(guī)定：對(duì)受自然因素作用易產(chǎn)生破壞的邊坡坡面，應(yīng)根據(jù)氣候條件、巖土性質(zhì)、邊坡高度、邊坡坡率、水文地質(zhì)條件、施工條件、環(huán)境保護(hù)、水土保持要求等因素經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后選擇適宜的防護(hù)措施。

骨架護(hù)坡的作用在于支撐和分割坡面，消除坡面較大范圍內(nèi)的相互漸變牽引的影響。拱形骨架護(hù)坡是公路土路基護(hù)坡防護(hù)工程中最常用的形式之一。拱形骨架對(duì)土體的穩(wěn)固作用較好，因?yàn)楣氨旧韺?duì)坡面土體有一定的支撐加固作用[2]。

國(guó)內(nèi)學(xué)者主要集中于研究路基邊坡自身穩(wěn)定性，而忽視邊坡防護(hù)骨架結(jié)構(gòu)自身穩(wěn)定性對(duì)路基邊坡的影響。2012年，李龍[3]等利用莫爾 — 庫(kù)倫模型探討了骨架護(hù)坡在黃土路基邊坡的防護(hù)作用，研究表明骨架護(hù)坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性對(duì)邊坡本身穩(wěn)定性有影響，邊坡本身和邊坡骨架護(hù)坡結(jié)構(gòu)同時(shí)保持穩(wěn)定是路基邊坡長(zhǎng)期穩(wěn)定的必要因素。但是目前關(guān)于邊坡骨架護(hù)坡結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)研究文獻(xiàn)[4-11]仍主要集中于施工工藝、質(zhì)量管理、生態(tài)防護(hù)作用，國(guó)外學(xué)者[12-15]研究重點(diǎn)在于邊坡防護(hù)中生態(tài)恢復(fù)防護(hù)及機(jī)理、邊坡本身穩(wěn)定性分析，對(duì)于骨架護(hù)坡結(jié)構(gòu)本身的穩(wěn)定性研究較少。近2 a，筆者研究團(tuán)隊(duì)[16-20]采用數(shù)值分析和模型試驗(yàn)對(duì)公路路基邊坡防護(hù)骨架結(jié)構(gòu)及自身穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。

近些年來(lái)，預(yù)制混凝土技術(shù)、裝配式施工方法及預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)體系不斷推廣，且預(yù)制構(gòu)件技術(shù)有利于推行文明施工、廢料循環(huán)利用、環(huán)境保護(hù)等可持續(xù)建設(shè)理念得到了快速發(fā)展與應(yīng)用。本文選用傳統(tǒng)純漿砌片石拱形結(jié)構(gòu)和新型預(yù)制塊拱形結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，建立數(shù)值分析模型進(jìn)行力學(xué)響應(yīng)分析。

1 拱形骨架護(hù)坡結(jié)構(gòu)形式

本文選取常用2種材料組合拱形骨架結(jié)構(gòu)：傳統(tǒng)拱形骨架護(hù)坡結(jié)構(gòu)和新型拱形骨架護(hù)坡結(jié)構(gòu)(下文將其簡(jiǎn)稱為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和新型結(jié)構(gòu))。2種結(jié)構(gòu)尺寸完全一致，尺寸為：高6.514 m、寬7.000 m、長(zhǎng)11.360 m，邊坡坡率1∶1.5，斜坡坡長(zhǎng)11.112 m，路基坡頂設(shè)置26 cm寬普通水泥混凝土路面，在模型坡面砌筑2排3列拱形骨架。2種結(jié)構(gòu)的區(qū)別在于骨架結(jié)構(gòu)材料組成，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)骨架由30 cm厚漿砌片石砌筑而成，新型結(jié)構(gòu)先砌筑20 cm厚砂漿基礎(chǔ)，在砂漿基礎(chǔ)上用砂漿砌筑10 cm厚平縫預(yù)制塊。拱形骨架護(hù)坡正面尺寸見(jiàn)圖1。

圖1 正面模型尺寸(單位： mm)

計(jì)算關(guān)鍵位置：拱形骨架護(hù)坡結(jié)構(gòu)計(jì)算關(guān)鍵點(diǎn)位P1～P6共6個(gè)，分別代表坡頂、上排拱頂、上排拱腳、下排拱頂、下排拱腳、坡腳。選通過(guò)點(diǎn)P3、P5、P6的關(guān)鍵坡線2-2。分別對(duì)上述6個(gè)點(diǎn)位、1條關(guān)鍵坡線進(jìn)行力學(xué)響應(yīng)分析。關(guān)鍵點(diǎn)位、坡線及坡面位置分布，見(jiàn)圖2。

圖2 關(guān)鍵點(diǎn)位、坡線及剖面位置分布圖

2 數(shù)值模型分析

2.1 數(shù)值模型分析條件及參數(shù)

根據(jù)工程實(shí)際拱形骨架尺寸建立數(shù)值模型，采用ANSYS11.0進(jìn)行分析[21,22]，劃分網(wǎng)格單元類型為solid45，采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和新型結(jié)構(gòu)數(shù)值模型網(wǎng)絡(luò)劃分見(jiàn)圖3。

a) 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)b) 新型結(jié)構(gòu)

加載邊界條件：頂面面力為0.7 MPa，中心面和側(cè)面是對(duì)稱邊界平面，底面X、Y、Z方向位移全部約束，中心面之相對(duì)面的X方向位移約束，其余方向自由，加上各種材料的重力加速度，運(yùn)用glue布爾運(yùn)算粘結(jié)不同材料之間的接觸面，模型采用的材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 數(shù)值模型采用的材料參數(shù)材料名稱彈性模量/MPa密度/(kg·m-3)泊松比土基4015000．35預(yù)制塊2800023600．17路面混凝土3000024300．15漿砌片石700023000．2

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.2.1 豎向位移分析

對(duì)于2種拱形骨架結(jié)構(gòu)，在相同受力條件下，關(guān)鍵點(diǎn)位、關(guān)鍵坡線豎向位移分布分別如圖4、圖5所示，由圖分析可以得到：總體上2種結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)位和關(guān)鍵坡線的豎向位移隨離坡頂斜距的增加而非線性減少，自上而下位移減速由快到慢；2種結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵點(diǎn)位豎向位移和關(guān)鍵坡線豎向位移最大值與最大差值出現(xiàn)在坡頂P1處，最大值均為41.6 mm，最大差值均為6.1 mm，新型結(jié)構(gòu)豎向位移略大。

圖4 關(guān)鍵點(diǎn)位豎向位移分布

圖5 關(guān)鍵坡線豎向位移分布

2.2.2 水平位移分析

對(duì)于2種拱形骨架結(jié)構(gòu)，在相同受力條件下，關(guān)鍵點(diǎn)位、關(guān)鍵坡線水平位移(平行于路基橫斷面的水平線)分布見(jiàn)圖6、圖7，由圖分析可得：總體上2種結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)位和關(guān)鍵坡線的水平位移出現(xiàn)正負(fù)變化，表明在坡面中部范圍均出現(xiàn)橫向外凸變形；水平位移最大值出現(xiàn)在上排拱頂P2處，說(shuō)明P2處為水平位移最不利位置；2種結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵點(diǎn)位水平位移和關(guān)鍵坡線水平位移分別為16.2 mm和12.5 mm，最大差值分別為3.7 mm和3.5 mm，新型結(jié)構(gòu)水平位移略大。

圖6 關(guān)鍵點(diǎn)位水平位移分布

圖7 關(guān)鍵坡線水平位移分布

2.2.3 等效應(yīng)力分析

對(duì)于2種拱形骨架結(jié)構(gòu)，在相同受力條件下，關(guān)鍵點(diǎn)位、關(guān)鍵坡線等效應(yīng)力分布見(jiàn)圖8、圖9，由圖分析可得：總體上2種結(jié)構(gòu)各拱圈關(guān)鍵點(diǎn)位上等效應(yīng)力呈波浪線形，拱頂處應(yīng)力位于波谷，拱腳處應(yīng)力位于波峰，說(shuō)明拱腳為各拱圈受力不利位置；總體上2種結(jié)構(gòu)關(guān)鍵坡線上等效應(yīng)力呈波浪線形變化，拱腳處應(yīng)力位于波谷，表明相鄰拱在拱腳交接處有應(yīng)力抵消現(xiàn)象；除坡頂P1處新型結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力大于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)外，其它位置新型結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力均小于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，差值較大，關(guān)鍵點(diǎn)位與關(guān)鍵坡線最大等效應(yīng)力分別為14.3 MPa和14.5 MPa，最大差值分別達(dá)到10.4 MPa和8.8 MPa，新型結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力明顯小于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖8 關(guān)鍵點(diǎn)位等效應(yīng)力分布

圖9 關(guān)鍵坡線等效應(yīng)力分布

3 結(jié)論

本文對(duì)新型和傳統(tǒng)2種材料組合的雙排拱形骨架護(hù)坡結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)其豎向位移、水平位移、等效應(yīng)力等進(jìn)行對(duì)比分析，可以得到如下結(jié)論：

1) 在相同力學(xué)條件下，新型結(jié)構(gòu)在關(guān)鍵點(diǎn)位和關(guān)鍵坡線上的豎向位移與水平位移都略大于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的,總體差異不大，豎向位移主要集中在坡頂至上排拱頂處范圍，邊坡中部范圍有橫向凸出變形現(xiàn)象，今后可以考慮進(jìn)一步對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行加固。

2) 在相同力學(xué)條件下，新型結(jié)構(gòu)在關(guān)鍵點(diǎn)位和關(guān)鍵坡線上的等效應(yīng)力明顯小于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)；2種結(jié)構(gòu)各拱圈的拱腳均為應(yīng)力不利位置；2種結(jié)構(gòu)各拱柱上的拱腳處因相鄰拱的協(xié)力作用等效應(yīng)力變小。

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1008-844X(2017)03-0014-04

U 418.5+2

A

2016-12-29

湖南省教育廳科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(15A065)；湖南省交通廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(201104)

唐賽乾(1990-)，男，研究方向： 道路工程。