溜砂坡支護的裝配式擋墻應用研究

趙穎

（江西省奉新縣水利局，江西 奉新330700）

1 引言

總結前人針對溜砂坡災害防治理論成果，依托某溜砂坡為例，基于Flac3d有限元平臺，模擬研究了以“裝配式擋墻+主動防護網”組合支護結構進行溜砂坡加固的有效性。

2 邊坡特征及支護形式

研究溜砂坡如圖1 所示，該邊坡上覆巖屑層，下伏弱風化砂巖和硬質砂巖。邊坡擬分二級開挖，每步開挖10 m：一級邊坡直立開挖，并采用“裝配式擋墻+主動防護網”的支護措施，二級邊坡開挖坡率為1∶1.50，坡面設置防護網對巖屑淺表層進行約束。邊坡巖土體物理力學參數如表1所示。

圖1 邊坡開挖示意圖

表1 溜砂坡巖土體物理力學參數表

3 數值模擬

3.1 模型建立

根據地質勘察確定溜砂坡幾何形態，再根據Rhino軟件建立溜砂坡實體模型，并采用四面體單元進行網格劃分，最后將模型文件導入Flac3d軟件生成計算模型。模型左邊界高9 m，底長33 m，右邊界高25 m，計算時約束溜砂坡底面全方向位移，對溜砂坡側面采用法向約束。邊坡巖土體采用摩爾庫倫計算模型，總計305 231個模型單元，25 546個網格節點。

3.2 邊坡開挖穩定性分析（不采取支護措施）

邊坡開挖穩定性將從邊坡的位移、應力以及塑性區是否貫通進行判定。圖2 為路塹開挖后邊坡整體位移云圖。由圖可知，邊坡整體位移較大，其中二級邊坡頂部出現最大位移，數值約為2×104mm，邊坡整體自上而下，位移相對減小，一級邊坡底部出現943 mm 位移。分析可知，邊坡在開挖后整體將產生數值較大的位移，出現了明顯的直線型滑動面，邊坡將失穩滑動。而產生直線型滑動的原因是巖屑坡自身粘聚力幾乎為0，因此與普通巖土質滑坡有所差異。正因如此，該溜砂坡更需要采取合適的支護措施進行加固，防止溜砂坡滑動破壞。

圖2 路塹開挖后邊坡位移云圖

圖3 為邊坡開挖后最大剪應變增量云圖，由圖可知，溜砂坡出現了從坡頂至一級邊坡坡腳的“直線型”貫通面，一級邊坡坡頂的最大剪應變增量相對較小，而一級邊坡坡腳出現最大剪應變增量，數值約為0.47，說明溜砂坡坡腳是最容易發生剪切破壞的部位，而出現這一現象也符合邊坡坡腳出現應力集中，且最大下滑力將集中在邊坡坡腳的原因。

圖3 最大剪應變增量云圖

綜合分析溜砂坡的位移與剪應變可得，二級邊坡坡面位移較大，可采取主動防護網加固，防止二邊坡坡面表層發生相對滑動，產生破壞。而一級邊坡坡腳容易發生剪切破壞，可采取裝配式擋墻結合防護網得支護措施，抵抗溜砂坡下滑力。

3.3 溜砂坡支護后穩定性分析

采用“裝配式擋墻+防護網”組合支護結構進行加固后的邊坡位移，可知，盡管最大位移仍處于二級邊坡頂部及坡面處，但最大位移僅為10 mm，邊坡整體位移均滿足工程安全要求，說明邊坡整體位移得到了有效約束。

采取支護措施后邊坡剪應變增量可以得出，溜砂坡最大剪應變增量已減小至0.01，且溜砂坡的直線型貫通面已經消失，但二級邊坡頂面仍有較小的剪應變增量區，因此在實際工程中，可對二級邊坡進一步采取錨桿支護，穩定邊坡。

3.4 組合支護結構穩定性分析

模擬裝配式擋墻位移云結果顯示，擋墻頂部及壓頂梁產生位移最大，數值約為9 mm，擋墻底部及基礎梁位移較小，數值約為1 mm，整體呈現從擋墻頂部到底部位移逐漸減小的規律，同時根據擋墻位移均小于擋墻的變形安全要求10 mm，說明擋墻變形在工程安全位移允許范圍內。

分析可知，壓頂梁剪應力最小，數值約為4×103Pa，而在邊坡坡腳處出現相對較大剪應力，數值約為1.6×105Pa，而基礎梁剪應力相比于坡腳更小，主要原因是坡腳處受較大下滑力作用，出現應力集中現象，導致坡腳處剪應力較大。值得注意的是，裝配式擋墻內的預制塊單元所受剪應力也相對較大，最大數值約為2.2×105Pa，由此可見預制塊單元內部受力也需要引起重視。但綜合擋墻整體剪應力數值來看，最大剪應力遠小于材料允許剪應力5×105Pa，因此，擋墻剪應力是滿足工程安全的。

綜合分析可知，擋墻整體位移以及最大剪應力均滿足工程安全要求。因此，研究采取的裝配式擋墻在加固溜砂坡的同時，結構處于穩定狀態，起到了較好的支護效果。

模擬防護網位移顯示，一級邊坡防護網位移較二級邊坡位移更大，防護網位移呈現從頂部到底部位移逐漸減小的變化規律，產生這一現象的原因主要是因為溜砂坡頂部產生較大位移滑動導致防護網產生較大變形。其中一級邊坡防護網最大位移數值約為27 mm，二級邊坡防護網最大位移約為21 mm。由于位移數值均小于防護網安全要求范圍50 mm，因此防護網在支護時所產生的位移是滿足工程安全需求的。

防護網最大剪應力模擬結果顯示，最大剪應力主要集中在防護網底部，數值約為2.1×105Pa，這一現象與邊坡坡腳應力集中相吻合，整體數值均小于4×105Pa，小于材料允許最大剪應力，因此，符合工程安全要求。

綜合防護網的位移以及剪應力可知，防護網在約束溜砂坡巖屑層位移的同時，材料自身處于安全穩定狀態，本研究采用“裝配式擋墻+防護網”的組合支護結是合理有效的。

3.5 溜砂坡監測位移與數值模擬結果對比分析

為驗證此研究數值模擬有效性，在一級邊坡坡腳處設置了位移監測點。將溜砂坡坡腳位移監測與數值模擬結果對比，坡腳處位移在一級邊坡開挖時產生的位移較小，速率逐漸增加，位移增大至2.50 mm；而在二級邊坡開挖后，位移急劇增加，逐漸收斂至3.20 mm。坡腳位移的數值模擬結果約為3.80 mm，產生相對誤差僅為18%，且位移變化趨勢與實測數據基本一致，因此，可認為此研究數值模擬具有一定的可靠性。

4 結論

①邊坡開挖后，溜砂坡將沿著貫通面產生滑動破壞，采取“裝配式擋墻+主動防護網”后，最大位移減小至10 mm，最大剪應變增量從0.47 減小至0.01，邊坡整體處于穩定狀態，但實際工程中仍需進一步采取錨桿支護二級邊坡；②裝配式擋墻與防護網約束溜砂坡巖屑層位移的同時，結構的位移與最大剪應力均滿足工程安全要求，采用“裝配式擋墻+防護網”的組合支護是合理有效的；③坡腳位移的數值模擬結果說明本研究數值模擬具有一定的可靠性。