裝配式擋墻組合支護形式的數值模擬研究

黃偉斌

(清遠市水利水電勘測設計院有限公司，廣東 清遠 511500)

1 概 述

2016年9月，國務院在《關于大力發展裝配式建筑的指導意見》中提出，在大約10年內，努力使裝配式建筑占新建建筑、市政、道路交通工程的30%[1]。可以看出，裝配式擋墻是擋土墻未來的發展趨勢，它具有造價低、生產容易、綠色環保等優點，得到國家的大力支持，許多研究人員也對此進行了相關研究。黃元天[2]等以浙江省某公路擋墻為例，采用Midas Civil模擬和橫向對比的方法，研究了錨栓柱板型裝配式可綠化擋墻的標準化預制，研究結果表明該擋墻高度不小于2.5 m時，具有最好的經濟效益。孟秀元[3]將裝配式生態擋墻應用于山西陽蟒高速公路，從擋墻的特點、施工工藝、材料制備等角度分析了該支護系統的可行性，認為裝配式生態擋墻起著工程防護和生態防護的作用。劉鐵柱[4]等以四川省某公路為研究對象，詳細闡述了裝配式生態擋墻的施工工藝，并指出裝配式生態擋墻應嚴格遵守工藝的每個步驟。周曉靖[5]設計了一種新型的鋼筋砼生態擋土墻，將其與普通漿砌石擋墻和混凝土擋墻進行對比，提出該擋墻相比于傳統擋墻具有立體綠化-結構一體化的特點。章宏生[6]等采用有限元法，分析了新型裝配扶壁式擋土墻結構的位移與應力特性，結果表明新型擋墻支護效果良好，變形與位移滿足工程要求。唐洪雷[7]運用有限元軟件，模擬了直立式裝配式擋墻和仰斜式裝配式擋墻的位移與應力特點，結果表明兩種新型擋墻超載后均會發生整體滑移破壞。張昕升[8]以Flac3d軟件為平臺，模擬了擋墻在自然、地震兩種工況下的應力位移與受力特性，結果表明墻體從頂部至底部，位移逐漸減小，構造柱與地板連接處承受最大應力。

可以看出，現有研究基本只考慮了單一采用裝配式擋墻的支護方式，而實際工程往往較為復雜，例如對于多級邊坡，只采用裝配式擋墻支護效果欠佳。基于此，本文結合某水利工程邊坡支護工程，利用Flac3d軟件，對裝配式擋墻結合錨桿的治理措施進行綜合評價。

2 邊坡工程概況

水利工程開挖邊坡見圖1，該邊坡主要由碎石土、風化土和泥巖夾砂巖組成。根據室內試驗測定，該邊坡的物理力學參數見表1。

圖1 邊坡示意圖

表1 路塹邊坡物理力學參數表

圖1中，黃線為開挖邊界，紅色區域為擬采用的支護措施。其中，一級邊坡采用裝配式擋墻結合錨桿的組合支護結構，二級邊坡使用錨桿進行加固。需要說明的是，由于左側邊坡高度較低，工程風險亦較低，同時為簡化計算，后文建模將只對左側邊坡進行建模及數值模擬。

3 裝配式擋墻與錨桿的組合支護結構

圖2為本文擬采用的裝配式擋墻。

圖2 裝配式擋墻

該裝配式擋墻由n層標準化制備的預制塊單元(圖3)組裝而成，每個預制塊單元的尺寸為1.3 m(長)×0.5 m(寬)×0.6 m(高)，每根錨桿設置在兩個預制塊單元中間，最終形成的組合支護結構見圖4。

圖3 預制塊單元

圖4 裝配式擋墻與錨桿組合結構圖

4 數值模擬

4.1 模型建立

在建立邊坡幾何模型時，邊坡的地表形態以及巖層組成均嚴格遵守該區域地質勘查報告。建模時，首先將邊坡的CAD線文件導入犀牛，生成立體邊坡模型，并在犀牛軟件中采用四面體單元生成網格，最后導入Flac3d軟件進行模擬。整體邊坡模型長度為60 m，模型高度為40 m，一級直立邊坡開挖高度5 m，該路塹邊坡模型共計12 414個單元、13 765個節點，在模型的底部施加法向約束，頂面為自由，側面施加法向約束。需要說明的是，根據鐵路沿線的工程地質條件，沒有發現有明顯斷層初露，因此三維模型不考慮斷層的影響。圖5為左側路塹邊坡模型圖。

圖5 邊坡模型圖

4.2 擋墻與錨桿參數取值

裝配式擋墻與錨桿的物理力學參數均按照工程規范標準取值。其中，裝配式綠化擋墻選用彈性本構，重度為11.5 kN/m3，剪切模量為0.9e4MPa,體積模量為2.4e4MPa。錨桿參數分別為錨桿總長9 m(錨固段長度7 m，自由段長度2 m)，錨桿設置傾角15°，抗拉強度3.2e5kPa。

4.3 模擬結果分析

4.3.1 邊坡開挖分析

圖6為邊坡開挖后，邊坡產生的水平位移云圖。其中，一級直立邊坡頂部出現最大水平位移54 mm，二、三級邊坡出現條帶狀位移，分別有最大位移31、28 mm，邊坡整體呈現位移數值從左向右遞減的規律。

圖7為路塹開挖后，邊坡產生的豎向位移云圖。其中，二、三級邊坡均出現較大沉降位移，分別為44和34 mm，一級直立邊坡的坡頂出現27 mm位移，邊坡整體呈現從上往下位移數值遞減的規律。

綜合表明，該邊坡開挖后將出現較大變形，一級邊坡水平位移較大，可采取裝配式擋墻結合錨桿的支護方式進行支護；二、三級邊坡豎向位移較大，可采用錨桿進行坡體加固。

圖6 邊坡水平位移云圖(邊坡開挖)

圖7 邊坡豎向位移云圖(邊坡開挖)

4.3.2 組合支護結構分析

圖8為采用裝配式擋墻和錨桿組合支護結構支護后的邊坡水平位移圖。其中，最大水平位移5.1 mm，二、三級邊坡位移在2～3 mm內。圖9為支護后的豎向水平位移云圖，邊坡最大豎向位移4.2 mm。

結合邊坡的水平位移和豎向位移來看，邊坡整體位移較支護前得到有效控制，位移數值均小于10 mm，滿足工程的位移要求，說明本文采取的支護結構能有效控制該路塹邊坡的位移變形。

圖8 邊坡水平位移云圖(組合支護)

圖9 邊坡豎向位移云圖(組合支護)

圖10為裝配式擋墻的位移云圖。從圖10中可以看出，墻頂出現最大位移5.1 mm，且裝配式擋墻整體呈現從墻頂到墻地位移逐漸減小的規律，基于此位移特性，工程后期應加強對墻頂位移的監測。

圖11為錨桿的位移云圖。由圖11可知，一級直立邊坡處錨桿位移由坡頂向下位移逐漸減小，坡頂處錨桿位移最大，約為6.4 mm。二級邊坡處錨桿位移自上而下，位移逐漸增加，二級邊坡坡腳處的錨桿出現最大位移5.8 mm。整體來看，所有錨桿的自由段位移明顯大于錨固段位移，且靠近一級直立邊坡坡頂的錨桿位移最大。故在實際支護邊坡時，可適當增加一級邊坡坡頂處的錨桿數，約束該部分坡體變形。

圖12為錨桿應力云圖。

圖10 裝配式擋墻位移云圖

圖11 錨桿位移云圖

圖12 錨桿應力云圖

分析圖12可知，一級邊坡坡頂處的錨桿受力較大，上下兩端的錨桿受力較小。這可能是因為一級邊坡坡頂處的坡體位移較大，導致該區域錨桿所受拉應力較大，而上下兩端坡體位移相對較小，故應力相對較小。分析錨桿的受力可知，最大應力錨桿數值為4.3e6kN/m2；結合錨桿的

材料屬性可知，錨桿所受的最大應力為1.6e8kN/m2。因此，本文采用的錨桿受力遠小于該錨桿的極限應力，說明本文錨桿的選取是符合工程要求的，不會對支護工程造成安全隱患。

5 結 論

本文以某水利工程邊坡為實例，采用裝配式擋墻結合錨桿的組合支護結構的支護方法，通過Flac3d軟件模擬坡體位移、擋墻位移和錨桿的位移和受力特性，結論如下：

1) 該邊坡在開挖后，一級邊坡坡頂處將產生最大水平位移約54 mm；二、三級邊坡變形較大，坡體整體處于不穩定狀態。一級邊坡坡頂以及二、三級邊坡坡面處應設置位移監測點，防止出現大變形危害。

2) 采用組合加固措施后，一級邊坡坡頂出現5.1 mm的最大位移，邊坡整體位移得到控制，位移在工程允許位移范圍內，支護效果較好。

3) 裝配式擋墻墻頂出現最大位移5.1 mm，錨桿最大位移6.4 mm，結構最大位移均符合工程要求。靠近一級邊坡坡頂的錨桿和擋墻位移均是最大值，工程實踐中可通過增加該區域錨桿數量來控制其變形；同時應加強該區域以及二、三級邊坡坡面的位移監測，防止出現變形垮塌。