巖屑坡新型組合支護結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬研究

顧 發(fā)

(安徽三洲水利建設(shè)有限公司,安徽 宿州 234000)

1 概 述

巖屑坡治理是水利工程建設(shè)中的難題,許多學(xué)者針對巖屑坡的成因、分布與防治進行了相關(guān)研究。來志強等［1］采用離散元軟件,模擬巖屑坡的堆積形成過程,分析了巖屑坡堆積特征與顆粒之間的摩擦因數(shù)、形狀之間的關(guān)系。研究表明,巖屑坡的分形維數(shù)和堆積角度隨摩擦因素的增大而增加,且與孔隙率成線性關(guān)系。劉寧波等［2］采用層次分析與模糊綜合評判相結(jié)合的方法,評價了巖屑坡的穩(wěn)定性。結(jié)果表明,風(fēng)化作用形成的巖屑坡穩(wěn)定性較差,拉薩市周邊巖屑坡需要引起更多重視。趙欣［3］從巖屑坡的基本特點、劃分、機制、要素、成分等角度,研究了巖屑坡的堆積成因以及破壞機理,并提出應(yīng)從巖屑坡的地質(zhì)環(huán)境以及巖屑運動特征來鑒別巖屑坡的穩(wěn)定性。夏柯等［4］采用室內(nèi)模型試驗的方法,研究了巖屑坡在降雨條件下穩(wěn)定性的變化特征。結(jié)果表明,巖屑坡的排水功能隨著降雨入滲不斷增強,而巖屑坡的固砂能力會隨著粒組的減少而逐漸降低。

以上文獻主要針對巖屑坡的堆積特征以及形成機制進行研究,即使涉及到巖屑坡的治理,也較少從數(shù)值模擬的角度研究支護結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。因此,本文基于某巖屑坡進行支護案例,提出“裝配式擋墻+防護網(wǎng)+錨桿”的組合支護結(jié)構(gòu),采用Flac3d有限元模擬軟件,從巖屑坡的水平位移、錨桿的受力與位移以及裝配式擋墻尺寸的角度,對巖屑坡及加固措施的穩(wěn)定性進行分析。

2 邊坡特征及支護結(jié)構(gòu)特性

2.1 巖屑坡特征

巖屑坡位于某河道沿岸附近,邊坡自上而下分布有碎顆粒層和硬質(zhì)砂巖層。為了保證邊坡穩(wěn)定,對邊坡進行治理,巖屑坡分二次開挖,其中邊坡底部一級豎向開挖9m,二級邊坡按1:1的坡率開挖10m,并采用“裝配式擋墻+防護網(wǎng)+錨桿”的組合支護結(jié)構(gòu)加固邊坡。開挖示意圖見圖1。

2.2 組合支護結(jié)構(gòu)特性

一般而言,巖屑坡顆粒間黏聚力可以忽略不計。在天然狀態(tài)下,通常能保持自穩(wěn),但在開挖擾動下,極易發(fā)生滑動破壞。為此,本文研究在考慮巖屑坡顆粒組成特性的情況下,采用“裝配式擋墻+防護網(wǎng)+錨桿”的組合支護形式進行加固(圖1)。

裝配式擋墻由預(yù)制塊單元拼接而成,預(yù)制塊單元尺寸1.5m×0.7×0.8m;采用實體單元進行模擬,防護網(wǎng)采用liner單元進行模擬;錨桿縱向間距1.3m,橫向間距1.2m,垂直于墻面施作;錨桿鉆孔直徑φ80mm,施工傾角為5°,采用cable單元進行模擬。具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1、表2、表3。

圖1 巖屑坡開挖及支護結(jié)構(gòu)示意圖

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)表

表2 預(yù)應(yīng)力錨桿單元力學(xué)參數(shù)

表3 防護網(wǎng)力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值模擬

3.1 模型的建立與選取

為確保數(shù)值模擬準確性,建模時嚴格遵守邊坡開挖設(shè)計圖要求,將cad線文件導(dǎo)入犀牛軟件進行實體建模,并采用六面體單元生成網(wǎng)格模型,最終將犀牛模型文件導(dǎo)入Flac3d軟件,生成計算模型。模型左右邊界高分別為30和16m,底面長40m,寬3m,巖土體采用Mohr-Coulomb模型進行計算,模型底面全約束,左右邊界采用法向約束,最終生成387 451個模型單元、314 512個網(wǎng)格節(jié)點。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果

3.2.1 巖屑坡水平位移分析

圖2為巖屑坡開挖后水平位移云圖。由圖2可知,碎顆粒表層出現(xiàn)較大水平位移,最大水平位移位于二級邊坡頂部,數(shù)值約1.5×103mm。巖屑層整體水平位移呈現(xiàn)從坡頂至坡腳逐漸減小的規(guī)律,坡腳水平位移198mm。總體分析巖屑坡水平位移可知,該邊坡碎顆粒表層已經(jīng)產(chǎn)生滑動面,若不采取合適的支護措施,巖屑坡滑動破壞將威脅到附近鐵路安全運行。

圖2 巖屑坡水平位移云圖

圖3為采取組合支護結(jié)構(gòu)后的巖屑坡水平位移云圖。由圖3可以看出,巖屑坡的貫通面已經(jīng)消失,邊坡整體位移均小于10mm,最大水平位移位于一、二級邊坡頂部,分別為7.5和9.8mm。因此,結(jié)合巖屑坡支護前后的水平位移變化可知,巖屑坡水平位移得到有效約束,碎顆粒層處于穩(wěn)定狀態(tài),位移滿足邊坡安全要求。

圖3 巖屑坡支護后水平位移云圖

3.2.2 錨桿位移與受力分析

圖4為二級邊坡錨桿位移云圖。從豎直方向分析錨桿位移可知,靠近坡頂?shù)腻^桿位移最大,數(shù)值約5.2mm;靠近坡底的錨桿位移最小,數(shù)值2.1mm。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因主要是因為靠近巖屑坡頂部的碎顆粒層位移最大,使得錨桿也相應(yīng)地產(chǎn)生較大位移。從水平方向分析錨桿位移可知,錨桿靠近巖屑坡碎顆粒層一端的錨桿位移較錨固段位移大,這也符合工程實際情況,因為坡面位移相對坡體較大。

圖4 錨桿位移云圖

圖5為錨桿應(yīng)力云圖。由圖5可知,錨桿應(yīng)力沿豎直向下方向逐漸減小,最大錨桿應(yīng)力位于巖屑坡一級邊坡坡頂處,數(shù)值約8.6×106Pa。錨桿應(yīng)力呈現(xiàn)中間大兩端小的規(guī)律,其原因是因為錨桿受碎顆粒層推力作用,導(dǎo)致錨桿中間應(yīng)力集中。綜合錨桿應(yīng)力數(shù)值來看,應(yīng)力小于錨桿極限承載力1×108Pa,可認為錨桿在本文數(shù)值模擬中起到較好的支護效果,且材料的選用以及錨桿的設(shè)置均符合工程安全要求。

圖5 錨桿應(yīng)力云圖

3.2.3 裝配式擋墻尺寸對巖屑坡加固穩(wěn)定性的影響研究

裝配式擋墻作為一級邊坡的主要下滑力承載措施,是維持巖屑坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵。為研究裝配式擋墻尺寸結(jié)構(gòu)對巖屑坡加固穩(wěn)定性的影響規(guī)律,本文研究設(shè)計3組裝配式擋墻結(jié)構(gòu)對巖屑坡進行加固,分別為2m×10m、2m×9m和2m×8m的單元預(yù)制塊,見圖6。

圖6 3種裝配式擋墻結(jié)構(gòu)形式

圖7為巖屑坡坡頂位移隨裝配式擋墻尺寸變化的曲線圖。由圖7可知,坡頂位移規(guī)律為先緩慢增加,后加速變大,最后收斂至一定值。其中,采用尺寸2m×10m的裝配式擋墻支護效果最好,最大坡頂位移為4.5mm,約為尺寸2m×8m擋墻位移的44%。實際工程中,在滿足工程安全要求下,應(yīng)盡可能減小材料的經(jīng)費支出,節(jié)省時間成本(預(yù)制塊堆砌工期),因此采取2m×8m的單元預(yù)制塊是加固該巖屑坡的最優(yōu)選擇。

3.2.4 數(shù)值模擬可靠性分析

為驗證本文數(shù)值模擬有效性,在該巖屑坡坡腳處設(shè)置位移監(jiān)測點。圖8為巖屑坡坡腳位移監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果對比圖。由圖8可知,坡腳處位移先緩慢增加至1.2mm,后加速位移至5.6mm,再后略微減小至5.1mm。巖屑坡坡腳位移的數(shù)值模擬結(jié)果變化規(guī)律與實測數(shù)據(jù)基本一致,位移數(shù)值最后穩(wěn)定至6.5mm,誤差1.4mm,表明本文數(shù)值模擬能反映該巖屑坡的位移變化情況。

圖7 巖屑坡坡頂位移與裝配式擋墻尺寸對應(yīng)關(guān)系

圖8 巖屑坡坡腳位移監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果對比圖

4 結(jié) 論

為解決巖屑坡穩(wěn)定性差、治理難的問題,本文提出以“裝配式擋墻+防護網(wǎng)+錨桿”的組合支護結(jié)構(gòu),對拉薩某巖屑坡進行加固,采用Flac3d有限元模擬軟件,從巖屑坡的水平位移、錨桿的受力與位移以及裝配式擋墻尺寸的角度,分析巖屑坡的穩(wěn)定性。結(jié)論如下:

1)巖屑坡的碎顆粒表層有產(chǎn)生滑動面的風(fēng)險,采取組合支護結(jié)構(gòu)后的邊坡貫通面消失,整體位移均小于10mm;靠近坡頂?shù)腻^桿位移最大,數(shù)值約5.2mm;錨桿最大應(yīng)力位于巖屑坡一級邊坡坡頂處,數(shù)值約8.6×106Pa。結(jié)合巖屑坡水平位移及錨桿位移可知,巖屑坡穩(wěn)定性較好。

2)采用尺寸2m×10m的裝配式擋墻支護效果最好,最大坡頂位移僅為4.5mm,約為尺寸2m×8m擋墻位移的44%。實際工程中,應(yīng)采取2m×8m的尺寸,以減小經(jīng)費支出與時間成本。

3)巖屑坡坡腳位移的數(shù)值模擬結(jié)果變化規(guī)律與實測數(shù)據(jù)基本一致,位移數(shù)值最后穩(wěn)定至6.5mm,誤差1.4mm,表明本文數(shù)值模擬能反映該巖屑坡的位移變化情況。