趙穎

（江西省奉新縣水利局，江西 奉新330700）

1 引言

總結(jié)前人針對溜砂坡災(zāi)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(wǎng)”組合支護結(jié)構(gòu)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(zhì)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(wǎng)”的支護措施，二級邊坡開挖坡率為1∶1.50，坡面設(shè)置防護網(wǎng)對巖屑淺表層進行約束。邊坡巖土體物理力學參數(shù)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(shù)表

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

根據(jù)地質(zhì)勘察確定溜砂坡幾何形態(tài)，再根據(jù)Rhino軟件建立溜砂坡實體模型，并采用四面體單元進行網(wǎng)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(cè)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(wǎng)格節(jié)點。

3.2 邊坡開挖穩(wěn)定性分析（不采取支護措施）

邊坡開挖穩(wěn)定性將從邊坡的位移、應(yīng)力以及塑性區(qū)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(xiàn)最大位移，數(shù)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(xiàn)943 mm 位移。分析可知，邊坡在開挖后整體將產(chǎn)生數(shù)值較大的位移，出現(xiàn)了明顯的直線型滑動面，邊坡將失穩(wěn)滑動。而產(chǎn)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(zhì)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(yīng)變增量云圖，由圖可知，溜砂坡出現(xiàn)了從坡頂至一級邊坡坡腳的“直線型”貫通面，一級邊坡坡頂?shù)淖畲蠹魬?yīng)變增量相對較小，而一級邊坡坡腳出現(xiàn)最大剪應(yīng)變增量，數(shù)值約為0.47，說明溜砂坡坡腳是最容易發(fā)生剪切破壞的部位，而出現(xiàn)這一現(xiàn)象也符合邊坡坡腳出現(xiàn)應(yīng)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(yīng)變增量云圖

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

3.3 溜砂坡支護后穩(wěn)定性分析

采用“裝配式擋墻+防護網(wǎng)”組合支護結(jié)構(gòu)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(yīng)變增量可以得出，溜砂坡最大剪應(yīng)變增量已減小至0.01，且溜砂坡的直線型貫通面已經(jīng)消失，但二級邊坡頂面仍有較小的剪應(yīng)變增量區(qū)，因此在實際工程中，可對二級邊坡進一步采取錨桿支護，穩(wěn)定邊坡。

3.4 組合支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

模擬裝配式擋墻位移云結(jié)果顯示，擋墻頂部及壓頂梁產(chǎn)生位移最大，數(shù)值約為9 mm，擋墻底部及基礎(chǔ)梁位移較小，數(shù)值約為1 mm，整體呈現(xiàn)從擋墻頂部到底部位移逐漸減小的規(guī)律，同時根據(jù)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(nèi)。

分析可知，壓頂梁剪應(yīng)力最小，數(shù)值約為4×103Pa，而在邊坡坡腳處出現(xiàn)相對較大剪應(yīng)力，數(shù)值約為1.6×105Pa，而基礎(chǔ)梁剪應(yīng)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(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，導致坡腳處剪應(yīng)力較大。值得注意的是，裝配式擋墻內(nèi)的預制塊單元所受剪應(yīng)力也相對較大，最大數(shù)值約為2.2×105Pa，由此可見預制塊單元內(nèi)部受力也需要引起重視。但綜合擋墻整體剪應(yīng)力數(shù)值來看，最大剪應(yīng)力遠小于材料允許剪應(yīng)力5×105Pa，因此，擋墻剪應(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)，起到了較好的支護效果。

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

防護網(wǎng)最大剪應(yīng)力模擬結(jié)果顯示，最大剪應(yīng)力主要集中在防護網(wǎng)底部，數(shù)值約為2.1×105Pa，這一現(xiàn)象與邊坡坡腳應(yīng)力集中相吻合，整體數(shù)值均小于4×105Pa，小于材料允許最大剪應(yīng)力，因此，符合工程安全要求。

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

3.5 溜砂坡監(jiān)測位移與數(shù)值模擬結(jié)果對比分析

為驗證此研究數(shù)值模擬有效性，在一級邊坡坡腳處設(shè)置了位移監(jiān)測點。將溜砂坡坡腳位移監(jiān)測與數(shù)值模擬結(jié)果對比，坡腳處位移在一級邊坡開挖時產(chǎn)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(shù)值模擬結(jié)果約為3.80 mm，產(chǎn)生相對誤差僅為18%，且位移變化趨勢與實測數(shù)據(jù)基本一致，因此，可認為此研究數(shù)值模擬具有一定的可靠性。

4 結(jié)論

①邊坡開挖后，溜砂坡將沿著貫通面產(chǎn)生滑動破壞，采取“裝配式擋墻+主動防護網(wǎng)”后，最大位移減小至10 mm，最大剪應(yīng)變增量從0.47 減小至0.01，邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，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(wǎng)約束溜砂坡巖屑層位移的同時，結(jié)構(gòu)的位移與最大剪應(yīng)力均滿足工程安全要求，采用“裝配式擋墻+防護網(wǎng)”的組合支護是合理有效的；③坡腳位移的數(shù)值模擬結(jié)果說明本研究數(shù)值模擬具有一定的可靠性。