單一擋土墻支護(hù)邊坡安全性的數(shù)值模擬研究

丁 婧

(遼寧省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,遼寧 沈陽 110006)

擋土墻因可充分利用當(dāng)?shù)刭Y源、阻滑效果好，在工程界廣泛運(yùn)用，對此學(xué)者們也進(jìn)行了大量的研究。黃岳文[1]介紹了擋土墻的功能，并提出了擋土墻抗滑設(shè)計(jì)方法，通過實(shí)際觀測認(rèn)為：不同形式的擋土墻阻滑效果不同。吳邦碩等[2]結(jié)合某邊坡工程，提出了生態(tài)擋土墻+清淤技術(shù)，此技術(shù)滿足邊坡防護(hù)的同時(shí)，還做到了美化景觀。黎鳳林等[3]提出了在城市設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)注意擋土墻的設(shè)計(jì)類型、設(shè)計(jì)形式和構(gòu)成要求，以達(dá)到美化城市的目的。王雪冰等[4]認(rèn)為巖土體的泊松比對擋土墻的失穩(wěn)有較大的影響，并提出了考慮泊松比的擋土墻設(shè)計(jì)方法，此方法認(rèn)為泊松比越大，設(shè)計(jì)的擋土墻的穩(wěn)定性越強(qiáng)。何許靜[5]結(jié)合某實(shí)際擋土墻工程，分析了擋土墻的開挖、模板安裝、澆筑等過程，并提出了相應(yīng)的質(zhì)量控制方案，此方案能夠保證擋土墻的順利施工。王理吉[6]認(rèn)為錨桿+擋土墻的組合結(jié)構(gòu)形式能夠充分發(fā)揮錨桿和擋土墻各自的優(yōu)點(diǎn)，可進(jìn)一步提高邊坡的穩(wěn)定性。李斯楊[7]為尋求最優(yōu)的擋土墻設(shè)計(jì)方案，利用數(shù)值模擬對擋土墻的厚度進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：不同的厚度條件下，擋土墻的安全性不同。李仕林[8]認(rèn)為擋土墻墻背傾角不同，主動(dòng)土壓力KA不同，可結(jié)合巖土體類型選擇不同的墻背傾角，以達(dá)到節(jié)約工程造價(jià)的目的。楊化慶[9]研究了擋土墻的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了裝配式擋土墻結(jié)構(gòu)，通過分析可知，裝配式擋土墻能夠大量節(jié)約工期，以達(dá)到節(jié)約工程造價(jià)的目的。徐庶德[10]提出了懸臂式擋土墻方案，通過數(shù)值模擬對此方案進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：懸臂式擋土墻的受力更加合理。

然而以上的研究并沒有從支護(hù)后邊坡的位移、受力等進(jìn)行考慮，基于此本文結(jié)合一實(shí)際工程，利用擋土墻進(jìn)行加固，并通過數(shù)值模擬對加固后的邊坡進(jìn)行研究。

1 工程概況

該邊坡位于遼寧省內(nèi)，坡腳處擬拓寬水路，因此須對邊坡進(jìn)行加固，結(jié)合邊坡類型和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，選擇重力式擋土墻進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)如圖1所示，巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

圖1 重力式擋土墻支護(hù)示意

2 數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

利用MIDAS SOILWORKS對邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬研究，統(tǒng)一以每1m進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用混合四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，對邊坡進(jìn)行左右兩側(cè)的水平約束，底面進(jìn)行位移和速度的剛性約束，數(shù)值模擬計(jì)算至邊坡穩(wěn)定時(shí)截止。

擋土墻選擇彈性模型，彈性模量、泊松比和容重分別為1.3×105kN·m-3、0.2和27.4kN·m-3，碎石土選擇莫爾庫侖模型，彈性模量、泊松比和容重分別為3.6×104kN·m-3、0.3和23.5kN·m-3，粘聚力和內(nèi)摩擦角分別為18.7kPa和31°。

2.2 模擬的結(jié)果

2.2.1位移分析

加固邊坡后的水平位移和總體位移如圖2—3所示。

如圖2所示，坡腳處出現(xiàn)豎直向下的位移，最大值為6.9mm，此區(qū)域占整個(gè)巖土體約8%，風(fēng)化土區(qū)域出現(xiàn)豎直向上的位移(隆起)，最大值為1.7mm，此區(qū)域占整個(gè)巖土體約12%，超過68%區(qū)域的巖土體幾乎沒有豎向位移，最大豎向位移數(shù)值也不超過15mm，滿足邊坡的位移要求。另一方面可知，邊坡防治的重點(diǎn)在于坡腳處和風(fēng)化土區(qū)域。

圖2 邊坡的豎向位移(單位：m)

如圖3所示，邊坡的整體位移主要集中于坡腳處和風(fēng)化土區(qū)域，最大位移為8.4mm，坡腳處位移區(qū)域約占整個(gè)邊坡巖土體的11%，風(fēng)化土區(qū)域最大位移約為4.2mm，約占整個(gè)邊坡巖土體的14%，基巖區(qū)域幾乎不發(fā)生位移，總體位移區(qū)域較豎向位移約束大。最大豎向位移數(shù)值也不超過15mm，滿足邊坡的位移要求。

圖3 邊坡后的總體位移(單位：m)

2.2.2應(yīng)力應(yīng)變分析

加固邊坡后的應(yīng)力云圖和巖土體單元破壞區(qū)域分別如圖4—7所示。

如圖4所示，邊坡所受x方向的應(yīng)力主要集中于風(fēng)化土與基巖區(qū)域界面，與理論相符合，一定程度上說明數(shù)值模擬結(jié)果的有效性。風(fēng)化土區(qū)域應(yīng)力較為集中，約占風(fēng)化土區(qū)域的18%，說明若需要對邊坡進(jìn)一步支護(hù)，風(fēng)化土區(qū)域是支護(hù)的重點(diǎn)。坡腳處水平應(yīng)力也較大，但因?yàn)榉植驾^為均勻，沒有出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，因此可認(rèn)為水平應(yīng)力不會(huì)在坡腳處產(chǎn)生威脅。

圖4 邊坡x方向應(yīng)力云圖

如圖5所示，邊坡所受z方向的應(yīng)力主要集中于風(fēng)化土與基巖區(qū)域界面，坡腳區(qū)域。風(fēng)化土區(qū)域應(yīng)力較為集中，約占風(fēng)化土區(qū)域的18%，說明若需要對邊坡進(jìn)一步支護(hù)，風(fēng)化土區(qū)域是支護(hù)的重點(diǎn)。坡腳處水平應(yīng)力也較大，但因?yàn)榉植驾^為均勻，沒有出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，因此可認(rèn)為水平應(yīng)力不會(huì)在坡腳處產(chǎn)生威脅。

圖5 邊坡z方向應(yīng)力云圖

如圖6所示，邊坡x、z方向的應(yīng)力主要集中于坡腳處，最大值為84MPa，應(yīng)力影響區(qū)約占整個(gè)巖土體的16%，因?yàn)閾跬翂Φ闹囟让黠@高于基巖，施加擋土墻以后必然會(huì)導(dǎo)致下方區(qū)域巖土體屈服，進(jìn)而導(dǎo)致巖土體發(fā)生破壞。另一方面分析可知，剪應(yīng)力區(qū)域并沒有貫通，說明邊坡并不會(huì)發(fā)生整體滑移破壞，坡腳處會(huì)因?yàn)閹r土體屈服發(fā)生應(yīng)力集中，但結(jié)合圖2—3可知，坡腳處并不會(huì)發(fā)生位移破壞。基巖區(qū)域沒有發(fā)生x、z方向的剪力破壞，說明基巖區(qū)域的穩(wěn)定性較好。

圖6 邊坡x、z方向應(yīng)力云圖

如圖7所示，巖土體單元破壞區(qū)域主要集中在擋土墻下部和坡腳處，此破壞區(qū)域與巖土體所受應(yīng)力相對應(yīng)，基巖依然沒有發(fā)生塑性破壞，說明基巖并非是防治的重點(diǎn)，防治的重點(diǎn)在于擋土墻周圍和坡腳處。

圖7 巖土體單元破壞區(qū)域

支護(hù)后邊坡的穩(wěn)定性為1.42，此數(shù)值在工程要求的范圍內(nèi)，說明擋土墻起到了防治邊坡失穩(wěn)的目的，如果需要進(jìn)一步加強(qiáng)支護(hù)，坡腳處是防治加固的重點(diǎn)，其次可對風(fēng)化土區(qū)域進(jìn)行支護(hù)，如施加錨桿、錨索和噴砼等。

2.2.3數(shù)值模擬總結(jié)

(1)邊坡的豎向位移和總體位移達(dá)到工程要求，位移較大區(qū)域主要位于風(fēng)化土和坡腳區(qū)域；

(2)受力的角度分析，坡腳處是防治的重點(diǎn)，但是坡腳處應(yīng)力集中并不嚴(yán)重，可認(rèn)為邊坡的受力在工程允許的范圍內(nèi)；

(3)巖土體破壞區(qū)域主要位于擋土墻下部和坡腳處，進(jìn)一步說明了坡腳處是防治的重點(diǎn)，另一方面從剪切應(yīng)力分析可知，若邊坡失穩(wěn)，坡腳處最易發(fā)生剪出破壞；

3 結(jié)論

本文研究了擋土墻施加后邊坡的受力、位移和破壞區(qū)域等，可得如下結(jié)論：

(1)邊坡的豎向位移和總體位移均控制在合理的范圍內(nèi)，不會(huì)對邊坡的穩(wěn)定性造成不良的影響，位移發(fā)生區(qū)域主要位于風(fēng)化土區(qū)域和坡腳處，說明邊坡治理的后期重點(diǎn)在于風(fēng)化土區(qū)域和坡腳處。

(2)邊坡x和z方向的應(yīng)力主要集中于坡腳處，說明坡腳處容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)當(dāng)注意坡腳處的受力和位移。

(3)邊坡x、z方向的剪應(yīng)力主要集中于擋土墻下部和坡腳處，但滑動(dòng)面并沒有貫通，說明邊坡不會(huì)發(fā)生整體滑動(dòng)，如果邊坡會(huì)發(fā)生小規(guī)?；瑒?dòng)，那么坡腳處易形成剪出口。

(4)邊坡的安全系數(shù)為1.42，破壞區(qū)域主要集中于坡腳處，說明擋土墻確實(shí)是起到了支護(hù)的目的，若須進(jìn)一步進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)的重點(diǎn)在于坡腳處，其實(shí)為風(fēng)化土區(qū)域，基巖的穩(wěn)定性較好，可不必對基巖施加防治措施。