岩屑坡新型组合支护结构的数值模拟研究

顾 发

(安徽三洲水利建设有限公司,安徽 宿州 234000)

1 概 述

岩屑坡治理是水利工程建设中的难题,许多学者针对岩屑坡的成因、分布与防治进行了相关研究。来志强等［1］采用离散元软件,模拟岩屑坡的堆积形成过程,分析了岩屑坡堆积特征与颗粒之间的摩擦因数、形状之间的关系。研究表明,岩屑坡的分形维数和堆积角度随摩擦因素的增大而增加,且与孔隙率成线性关系。刘宁波等［2］采用层次分析与模糊综合评判相结合的方法,评价了岩屑坡的稳定性。结果表明,风化作用形成的岩屑坡稳定性较差,拉萨市周边岩屑坡需要引起更多重视。赵欣［3］从岩屑坡的基本特点、划分、机制、要素、成分等角度,研究了岩屑坡的堆积成因以及破坏机理,并提出应从岩屑坡的地质环境以及岩屑运动特征来鉴别岩屑坡的稳定性。夏柯等［4］采用室内模型试验的方法,研究了岩屑坡在降雨条件下稳定性的变化特征。结果表明,岩屑坡的排水功能随着降雨入渗不断增强,而岩屑坡的固砂能力会随着粒组的减少而逐渐降低。

以上文献主要针对岩屑坡的堆积特征以及形成机制进行研究,即使涉及到岩屑坡的治理,也较少从数值模拟的角度研究支护结构的应用。因此,本文基于某岩屑坡进行支护案例,提出“装配式挡墙+防护网+锚杆”的组合支护结构,采用Flac3d有限元模拟软件,从岩屑坡的水平位移、锚杆的受力与位移以及装配式挡墙尺寸的角度,对岩屑坡及加固措施的稳定性进行分析。

2 边坡特征及支护结构特性

2.1 岩屑坡特征

岩屑坡位于某河道沿岸附近,边坡自上而下分布有碎颗粒层和硬质砂岩层。为了保证边坡稳定,对边坡进行治理,岩屑坡分二次开挖,其中边坡底部一级竖向开挖9m,二级边坡按1:1的坡率开挖10m,并采用“装配式挡墙+防护网+锚杆”的组合支护结构加固边坡。开挖示意图见图1。

2.2 组合支护结构特性

一般而言,岩屑坡颗粒间黏聚力可以忽略不计。在天然状态下,通常能保持自稳,但在开挖扰动下,极易发生滑动破坏。为此,本文研究在考虑岩屑坡颗粒组成特性的情况下,采用“装配式挡墙+防护网+锚杆”的组合支护形式进行加固(图1)。

装配式挡墙由预制块单元拼接而成,预制块单元尺寸1.5m×0.7×0.8m;采用实体单元进行模拟,防护网采用liner单元进行模拟;锚杆纵向间距1.3m,横向间距1.2m,垂直于墙面施作;锚杆钻孔直径φ80mm,施工倾角为5°,采用cable单元进行模拟。具体结构参数见表1、表2、表3。

图1 岩屑坡开挖及支护结构示意图

表1 岩土体物理力学参数表

表2 预应力锚杆单元力学参数

表3 防护网力学参数

3 数值模拟

3.1 模型的建立与选取

为确保数值模拟准确性,建模时严格遵守边坡开挖设计图要求,将cad线文件导入犀牛软件进行实体建模,并采用六面体单元生成网格模型,最终将犀牛模型文件导入Flac3d软件,生成计算模型。模型左右边界高分别为30和16m,底面长40m,宽3m,岩土体采用Mohr-Coulomb模型进行计算,模型底面全约束,左右边界采用法向约束,最终生成387 451个模型单元、314 512个网格节点。

3.2 数值模拟结果

3.2.1 岩屑坡水平位移分析

图2为岩屑坡开挖后水平位移云图。由图2可知,碎颗粒表层出现较大水平位移,最大水平位移位于二级边坡顶部,数值约1.5×103mm。岩屑层整体水平位移呈现从坡顶至坡脚逐渐减小的规律,坡脚水平位移198mm。总体分析岩屑坡水平位移可知,该边坡碎颗粒表层已经产生滑动面,若不采取合适的支护措施,岩屑坡滑动破坏将威胁到附近铁路安全运行。

图2 岩屑坡水平位移云图

图3为采取组合支护结构后的岩屑坡水平位移云图。由图3可以看出,岩屑坡的贯通面已经消失,边坡整体位移均小于10mm,最大水平位移位于一、二级边坡顶部,分别为7.5和9.8mm。因此,结合岩屑坡支护前后的水平位移变化可知,岩屑坡水平位移得到有效约束,碎颗粒层处于稳定状态,位移满足边坡安全要求。

图3 岩屑坡支护后水平位移云图

3.2.2 锚杆位移与受力分析

图4为二级边坡锚杆位移云图。从竖直方向分析锚杆位移可知,靠近坡顶的锚杆位移最大,数值约5.2mm;靠近坡底的锚杆位移最小,数值2.1mm。产生这一现象的原因主要是因为靠近岩屑坡顶部的碎颗粒层位移最大,使得锚杆也相应地产生较大位移。从水平方向分析锚杆位移可知,锚杆靠近岩屑坡碎颗粒层一端的锚杆位移较锚固段位移大,这也符合工程实际情况,因为坡面位移相对坡体较大。

图4 锚杆位移云图

图5为锚杆应力云图。由图5可知,锚杆应力沿竖直向下方向逐渐减小,最大锚杆应力位于岩屑坡一级边坡坡顶处,数值约8.6×106Pa。锚杆应力呈现中间大两端小的规律,其原因是因为锚杆受碎颗粒层推力作用,导致锚杆中间应力集中。综合锚杆应力数值来看,应力小于锚杆极限承载力1×108Pa,可认为锚杆在本文数值模拟中起到较好的支护效果,且材料的选用以及锚杆的设置均符合工程安全要求。

图5 锚杆应力云图

3.2.3 装配式挡墙尺寸对岩屑坡加固稳定性的影响研究

装配式挡墙作为一级边坡的主要下滑力承载措施,是维持岩屑坡稳定性的关键。为研究装配式挡墙尺寸结构对岩屑坡加固稳定性的影响规律,本文研究设计3组装配式挡墙结构对岩屑坡进行加固,分别为2m×10m、2m×9m和2m×8m的单元预制块,见图6。

图6 3种装配式挡墙结构形式

图7为岩屑坡坡顶位移随装配式挡墙尺寸变化的曲线图。由图7可知,坡顶位移规律为先缓慢增加,后加速变大,最后收敛至一定值。其中,采用尺寸2m×10m的装配式挡墙支护效果最好,最大坡顶位移为4.5mm,约为尺寸2m×8m挡墙位移的44%。实际工程中,在满足工程安全要求下,应尽可能减小材料的经费支出,节省时间成本(预制块堆砌工期),因此采取2m×8m的单元预制块是加固该岩屑坡的最优选择。

3.2.4 数值模拟可靠性分析

为验证本文数值模拟有效性,在该岩屑坡坡脚处设置位移监测点。图8为岩屑坡坡脚位移监测数据与数值模拟结果对比图。由图8可知,坡脚处位移先缓慢增加至1.2mm,后加速位移至5.6mm,再后略微减小至5.1mm。岩屑坡坡脚位移的数值模拟结果变化规律与实测数据基本一致,位移数值最后稳定至6.5mm,误差1.4mm,表明本文数值模拟能反映该岩屑坡的位移变化情况。

图7 岩屑坡坡顶位移与装配式挡墙尺寸对应关系

图8 岩屑坡坡脚位移监测数据与数值模拟结果对比图

4 结 论

为解决岩屑坡稳定性差、治理难的问题,本文提出以“装配式挡墙+防护网+锚杆”的组合支护结构,对拉萨某岩屑坡进行加固,采用Flac3d有限元模拟软件,从岩屑坡的水平位移、锚杆的受力与位移以及装配式挡墙尺寸的角度,分析岩屑坡的稳定性。结论如下:

1)岩屑坡的碎颗粒表层有产生滑动面的风险,采取组合支护结构后的边坡贯通面消失,整体位移均小于10mm;靠近坡顶的锚杆位移最大,数值约5.2mm;锚杆最大应力位于岩屑坡一级边坡坡顶处,数值约8.6×106Pa。结合岩屑坡水平位移及锚杆位移可知,岩屑坡稳定性较好。

2)采用尺寸2m×10m的装配式挡墙支护效果最好,最大坡顶位移仅为4.5mm,约为尺寸2m×8m挡墙位移的44%。实际工程中,应采取2m×8m的尺寸,以减小经费支出与时间成本。

3)岩屑坡坡脚位移的数值模拟结果变化规律与实测数据基本一致,位移数值最后稳定至6.5mm,误差1.4mm,表明本文数值模拟能反映该岩屑坡的位移变化情况。