裝配式擋墻組合支護(hù)形式的數(shù)值模擬研究

黃偉斌

(清遠(yuǎn)市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 清遠(yuǎn) 511500)

1 概 述

2016年9月，國(guó)務(wù)院在《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見(jiàn)》中提出，在大約10年內(nèi)，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(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，它具有造價(jià)低、生產(chǎn)容易、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，得到國(guó)家的大力支持，許多研究人員也對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)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?qū)Ρ鹊姆椒ǎ芯苛隋^栓柱板型裝配式可綠化擋墻的標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制，研究結(jié)果表明該擋墻高度不小于2.5 m時(shí)，具有最好的經(jīng)濟(jì)效益。孟秀元[3]將裝配式生態(tài)擋墻應(yīng)用于山西陽(yáng)蟒高速公路，從擋墻的特點(diǎn)、施工工藝、材料制備等角度分析了該支護(hù)系統(tǒng)的可行性，認(rèn)為裝配式生態(tài)擋墻起著工程防護(hù)和生態(tài)防護(hù)的作用。劉鐵柱[4]等以四川省某公路為研究對(duì)象，詳細(xì)闡述了裝配式生態(tài)擋墻的施工工藝，并指出裝配式生態(tài)擋墻應(yīng)嚴(yán)格遵守工藝的每個(gè)步驟。周曉靖[5]設(shè)計(jì)了一種新型的鋼筋砼生態(tài)擋土墻，將其與普通漿砌石擋墻和混凝土擋墻進(jìn)行對(duì)比，提出該擋墻相比于傳統(tǒng)擋墻具有立體綠化-結(jié)構(gòu)一體化的特點(diǎn)。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(jié)構(gòu)的位移與應(yīng)力特性，結(jié)果表明新型擋墻支護(hù)效果良好，變形與位移滿(mǎn)足工程要求。唐洪雷[7]運(yùn)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(yīng)力特點(diǎn)，結(jié)果表明兩種新型擋墻超載后均會(huì)發(fā)生整體滑移破壞。張昕升[8]以Flac3d軟件為平臺(tái)，模擬了擋墻在自然、地震兩種工況下的應(yīng)力位移與受力特性，結(jié)果表明墻體從頂部至底部，位移逐漸減小，構(gòu)造柱與地板連接處承受最大應(yīng)力。

可以看出，現(xiàn)有研究基本只考慮了單一采用裝配式擋墻的支護(hù)方式，而實(shí)際工程往往較為復(fù)雜，例如對(duì)于多級(jí)邊坡，只采用裝配式擋墻支護(hù)效果欠佳。基于此，本文結(jié)合某水利工程邊坡支護(hù)工程，利用Flac3d軟件，對(duì)裝配式擋墻結(jié)合錨桿的治理措施進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

2 邊坡工程概況

水利工程開(kāi)挖邊坡見(jiàn)圖1，該邊坡主要由碎石土、風(fēng)化土和泥巖夾砂巖組成。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定，該邊坡的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 邊坡示意圖

表1 路塹邊坡物理力學(xué)參數(shù)表

圖1中，黃線(xiàn)為開(kāi)挖邊界，紅色區(qū)域?yàn)閿M采用的支護(hù)措施。其中，一級(jí)邊坡采用裝配式擋墻結(jié)合錨桿的組合支護(hù)結(jié)構(gòu)，二級(jí)邊坡使用錨桿進(jìn)行加固。需要說(shuō)明的是，由于左側(cè)邊坡高度較低，工程風(fēng)險(xiǎn)亦較低，同時(shí)為簡(jiǎn)化計(jì)算，后文建模將只對(duì)左側(cè)邊坡進(jìn)行建模及數(shù)值模擬。

3 裝配式擋墻與錨桿的組合支護(hù)結(jié)構(gòu)

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(biāo)準(zhǔn)化制備的預(yù)制塊單元(圖3)組裝而成，每個(gè)預(yù)制塊單元的尺寸為1.3 m(長(zhǎng))×0.5 m(寬)×0.6 m(高)，每根錨桿設(shè)置在兩個(gè)預(yù)制塊單元中間，最終形成的組合支護(hù)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖3 預(yù)制塊單元

圖4 裝配式擋墻與錨桿組合結(jié)構(gòu)圖

4 數(shù)值模擬

4.1 模型建立

在建立邊坡幾何模型時(shí)，邊坡的地表形態(tài)以及巖層組成均嚴(yán)格遵守該區(qū)域地質(zhì)勘查報(bào)告。建模時(shí)，首先將邊坡的CAD線(xiàn)文件導(dǎo)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(wǎng)格，最后導(dǎo)入Flac3d軟件進(jìn)行模擬。整體邊坡模型長(zhǎng)度為60 m，模型高度為40 m，一級(jí)直立邊坡開(kāi)挖高度5 m，該路塹邊坡模型共計(jì)12 414個(gè)單元、13 765個(gè)節(jié)點(diǎn)，在模型的底部施加法向約束，頂面為自由，側(cè)面施加法向約束。需要說(shuō)明的是，根據(jù)鐵路沿線(xiàn)的工程地質(zhì)條件，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)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(cè)路塹邊坡模型圖。

圖5 邊坡模型圖

4.2 擋墻與錨桿參數(shù)取值

裝配式擋墻與錨桿的物理力學(xué)參數(shù)均按照工程規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)取值。其中，裝配式綠化擋墻選用彈性本構(gòu)，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(shù)分別為錨桿總長(zhǎng)9 m(錨固段長(zhǎng)度7 m，自由段長(zhǎng)度2 m)，錨桿設(shè)置傾角15°，抗拉強(qiáng)度3.2e5kPa。

4.3 模擬結(jié)果分析

4.3.1 邊坡開(kāi)挖分析

圖6為邊坡開(kāi)挖后，邊坡產(chǎn)生的水平位移云圖。其中，一級(jí)直立邊坡頂部出現(xiàn)最大水平位移54 mm，二、三級(jí)邊坡出現(xiàn)條帶狀位移，分別有最大位移31、28 mm，邊坡整體呈現(xiàn)位移數(shù)值從左向右遞減的規(guī)律。

圖7為路塹開(kāi)挖后，邊坡產(chǎn)生的豎向位移云圖。其中，二、三級(jí)邊坡均出現(xiàn)較大沉降位移，分別為44和34 mm，一級(jí)直立邊坡的坡頂出現(xiàn)27 mm位移，邊坡整體呈現(xiàn)從上往下位移數(shù)值遞減的規(guī)律。

綜合表明，該邊坡開(kāi)挖后將出現(xiàn)較大變形，一級(jí)邊坡水平位移較大，可采取裝配式擋墻結(jié)合錨桿的支護(hù)方式進(jìn)行支護(hù)；二、三級(jí)邊坡豎向位移較大，可采用錨桿進(jìn)行坡體加固。

圖6 邊坡水平位移云圖(邊坡開(kāi)挖)

圖7 邊坡豎向位移云圖(邊坡開(kāi)挖)

4.3.2 組合支護(hù)結(jié)構(gòu)分析

圖8為采用裝配式擋墻和錨桿組合支護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)后的邊坡水平位移圖。其中，最大水平位移5.1 mm，二、三級(jí)邊坡位移在2～3 mm內(nèi)。圖9為支護(hù)后的豎向水平位移云圖，邊坡最大豎向位移4.2 mm。

結(jié)合邊坡的水平位移和豎向位移來(lái)看，邊坡整體位移較支護(hù)前得到有效控制，位移數(shù)值均小于10 mm，滿(mǎn)足工程的位移要求，說(shuō)明本文采取的支護(hù)結(jié)構(gòu)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(hù))

圖9 邊坡豎向位移云圖(組合支護(hù))

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(xiàn)最大位移5.1 mm，且裝配式擋墻整體呈現(xiàn)從墻頂?shù)綁Φ匚灰浦饾u減小的規(guī)律，基于此位移特性，工程后期應(yīng)加強(qiáng)對(duì)墻頂位移的監(jiān)測(cè)。

圖11為錨桿的位移云圖。由圖11可知，一級(jí)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(jí)邊坡處錨桿位移自上而下，位移逐漸增加，二級(jí)邊坡坡腳處的錨桿出現(xiàn)最大位移5.8 mm。整體來(lái)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(jí)直立邊坡坡頂?shù)腻^桿位移最大。故在實(shí)際支護(hù)邊坡時(shí)，可適當(dāng)增加一級(jí)邊坡坡頂處的錨桿數(shù)，約束該部分坡體變形。

圖12為錨桿應(yīng)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(yīng)力云圖

分析圖12可知，一級(jí)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?yàn)橐患?jí)邊坡坡頂處的坡體位移較大，導(dǎo)致該區(qū)域錨桿所受拉應(yīng)力較大，而上下兩端坡體位移相對(duì)較小，故應(yīng)力相對(duì)較小。分析錨桿的受力可知，最大應(yīng)力錨桿數(shù)值為4.3e6kN/m2；結(jié)合錨桿的

材料屬性可知，錨桿所受的最大應(yīng)力為1.6e8kN/m2。因此，本文采用的錨桿受力遠(yuǎn)小于該錨桿的極限應(yīng)力，說(shuō)明本文錨桿的選取是符合工程要求的，不會(huì)對(duì)支護(hù)工程造成安全隱患。

5 結(jié) 論

本文以某水利工程邊坡為實(shí)例，采用裝配式擋墻結(jié)合錨桿的組合支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)方法，通過(guò)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(jié)論如下：

1) 該邊坡在開(kāi)挖后，一級(jí)邊坡坡頂處將產(chǎn)生最大水平位移約54 mm；二、三級(jí)邊坡變形較大，坡體整體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。一級(jí)邊坡坡頂以及二、三級(jí)邊坡坡面處應(yīng)設(shè)置位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，防止出現(xiàn)大變形危害。

2) 采用組合加固措施后，一級(jí)邊坡坡頂出現(xiàn)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(nèi)，支護(hù)效果較好。

3) 裝配式擋墻墻頂出現(xiàn)最大位移5.1 mm，錨桿最大位移6.4 mm，結(jié)構(gòu)最大位移均符合工程要求。靠近一級(jí)邊坡坡頂?shù)腻^桿和擋墻位移均是最大值，工程實(shí)踐中可通過(guò)增加該區(qū)域錨桿數(shù)量來(lái)控制其變形；同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)該區(qū)域以及二、三級(jí)邊坡坡面的位移監(jiān)測(cè)，防止出現(xiàn)變形垮塌。