巖屑坡新型組合支護結構的數值模擬研究

顧 發

(安徽三洲水利建設有限公司,安徽 宿州 234000)

1 概 述

巖屑坡治理是水利工程建設中的難題,許多學者針對巖屑坡的成因、分布與防治進行了相關研究。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、形狀之間的關系。研究表明,巖屑坡的分形維數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系。劉寧波等［2］采用層次分析與模糊綜合評判相結合的方法,評價了巖屑坡的穩定性。結果表明,風化作用形成的巖屑坡穩定性較差,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,并提出應從巖屑坡的地質環境以及巖屑運動特征來鑒別巖屑坡的穩定性。夏柯等［4］采用室內模型試驗的方法,研究了巖屑坡在降雨條件下穩定性的變化特征。結果表明,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,也較少從數值模擬的角度研究支護結構的應用。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+錨桿”的組合支護結構,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定性進行分析。

2 邊坡特征及支護結構特性

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砂巖層。為了保證邊坡穩定,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+錨桿”的組合支護結構加固邊坡。開挖示意圖見圖1。

2.2 組合支護結構特性

一般而言,巖屑坡顆粒間黏聚力可以忽略不計。在天然狀態下,通常能保持自穩,但在開挖擾動下,極易發生滑動破壞。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+錨桿”的組合支護形式進行加固(圖1)。

裝配式擋墻由預制塊單元拼接而成,預制塊單元尺寸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。具體結構參數見表1、表2、表3。

圖1 巖屑坡開挖及支護結構示意圖

表1 巖土體物理力學參數表

表2 預應力錨桿單元力學參數

表3 防護網力學參數

3 數值模擬

3.1 模型的建立與選取

為確保數值模擬準確性,建模時嚴格遵守邊坡開挖設計圖要求,將cad線文件導入犀牛軟件進行實體建模,并采用六面體單元生成網格模型,最終將犀牛模型文件導入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個網格節點。

3.2 數值模擬結果

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,碎顆粒表層出現較大水平位移,最大水平位移位于二級邊坡頂部,數值約1.5×103mm。巖屑層整體水平位移呈現從坡頂至坡腳逐漸減小的規律,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產生滑動面,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為采取組合支護結構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,碎顆粒層處于穩定狀態,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,靠近坡頂的錨桿位移最大,數值約5.2mm;靠近坡底的錨桿位移最小,數值2.1mm。產生這一現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,使得錨桿也相應地產生較大位移。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為錨桿應力云圖。由圖5可知,錨桿應力沿豎直向下方向逐漸減小,最大錨桿應力位于巖屑坡一級邊坡坡頂處,數值約8.6×106Pa。錨桿應力呈現中間大兩端小的規律,其原因是因為錨桿受碎顆粒層推力作用,導致錨桿中間應力集中。綜合錨桿應力數值來看,應力小于錨桿極限承載力1×108Pa,可認為錨桿在本文數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置均符合工程安全要求。

圖5 錨桿應力云圖

3.2.3 裝配式擋墻尺寸對巖屑坡加固穩定性的影響研究

裝配式擋墻作為一級邊坡的主要下滑力承載措施,是維持巖屑坡穩定性的關鍵。為研究裝配式擋墻尺寸結構對巖屑坡加固穩定性的影響規律,本文研究設計3組裝配式擋墻結構對巖屑坡進行加固,分別為2m×10m、2m×9m和2m×8m的單元預制塊,見圖6。

圖6 3種裝配式擋墻結構形式

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,應盡可能減小材料的經費支出,節省時間成本(預制塊堆砌工期),因此采取2m×8m的單元預制塊是加固該巖屑坡的最優選擇。

3.2.4 數值模擬可靠性分析

為驗證本文數值模擬有效性,在該巖屑坡坡腳處設置位移監測點。圖8為巖屑坡坡腳位移監測數據與數值模擬結果對比圖。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值模擬結果變化規律與實測數據基本一致,位移數值最后穩定至6.5mm,誤差1.4mm,表明本文數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關系

圖8 巖屑坡坡腳位移監測數據與數值模擬結果對比圖

4 結 論

為解決巖屑坡穩定性差、治理難的問題,本文提出以“裝配式擋墻+防護網+錨桿”的組合支護結構,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,分析巖屑坡的穩定性。結論如下:

1)巖屑坡的碎顆粒表層有產生滑動面的風險,采取組合支護結構后的邊坡貫通面消失,整體位移均小于10mm;靠近坡頂的錨桿位移最大,數值約5.2mm;錨桿最大應力位于巖屑坡一級邊坡坡頂處,數值約8.6×106Pa。結合巖屑坡水平位移及錨桿位移可知,巖屑坡穩定性較好。

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,應采取2m×8m的尺寸,以減小經費支出與時間成本。

3)巖屑坡坡腳位移的數值模擬結果變化規律與實測數據基本一致,位移數值最后穩定至6.5mm,誤差1.4mm,表明本文數值模擬能反映該巖屑坡的位移變化情況。