新型预制块拱形骨架护坡结构的数值模拟分析

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(1.湖南科技大学 土木工程学院， 湖南 湘潭 411201； 2.湖南省交通规划勘察设计院， 湖南 长沙 410008)

新型预制块拱形骨架护坡结构的数值模拟分析

唐赛乾1，徐暘2，聂忆华1

(1.湖南科技大学 土木工程学院， 湖南 湘潭 411201； 2.湖南省交通规划勘察设计院， 湖南 长沙 410008)

拱形骨架护坡是路基边坡工程中最常用的防护形式之一，新型预制块拱形骨架护坡因其施工便利、节能环保等优势得到推广和应用。选用传统浆砌片石砌筑结构与砂浆基础预制块铺面砌筑的新型结构等2种典型的拱形骨架护坡结构，根据实体工程尺寸建立数值分析模型，模拟在同等加载条件下不同结构的应力与位移响应规律。数值模拟分析结果表明：2种结构位移响应基本一致，新型结构略大；应力响应新型结构明显小于传统结构；综合力学响应性能新型结构较优，可推广应用。

路基边坡； 拱形骨架； 结构选型； 数值分析

0 引言

公路土基边坡在雨水等环境作用下易发生冲蚀、滑塌等病害，影响路基边坡的稳定性和耐久性。《公路路基设计规范》[1]规定：对受自然因素作用易产生破坏的边坡坡面，应根据气候条件、岩土性质、边坡高度、边坡坡率、水文地质条件、施工条件、环境保护、水土保持要求等因素经技术经济比较后选择适宜的防护措施。

骨架护坡的作用在于支撑和分割坡面，消除坡面较大范围内的相互渐变牵引的影响。拱形骨架护坡是公路土路基护坡防护工程中最常用的形式之一。拱形骨架对土体的稳固作用较好，因为拱本身对坡面土体有一定的支撑加固作用[2]。

国内学者主要集中于研究路基边坡自身稳定性，而忽视边坡防护骨架结构自身稳定性对路基边坡的影响。2012年，李龙[3]等利用莫尔 — 库伦模型探讨了骨架护坡在黄土路基边坡的防护作用，研究表明骨架护坡结构稳定性对边坡本身稳定性有影响，边坡本身和边坡骨架护坡结构同时保持稳定是路基边坡长期稳定的必要因素。但是目前关于边坡骨架护坡结构，国内研究文献[4-11]仍主要集中于施工工艺、质量管理、生态防护作用，国外学者[12-15]研究重点在于边坡防护中生态恢复防护及机理、边坡本身稳定性分析，对于骨架护坡结构本身的稳定性研究较少。近2 a，笔者研究团队[16-20]采用数值分析和模型试验对公路路基边坡防护骨架结构及自身稳定性进行了研究。

近些年来，预制混凝土技术、装配式施工方法及预制混凝土结构体系不断推广，且预制构件技术有利于推行文明施工、废料循环利用、环境保护等可持续建设理念得到了快速发展与应用。本文选用传统纯浆砌片石拱形结构和新型预制块拱形结构进行研究，建立数值分析模型进行力学响应分析。

1 拱形骨架护坡结构形式

本文选取常用2种材料组合拱形骨架结构：传统拱形骨架护坡结构和新型拱形骨架护坡结构(下文将其简称为传统结构和新型结构)。2种结构尺寸完全一致，尺寸为：高6.514 m、宽7.000 m、长11.360 m，边坡坡率1∶1.5，斜坡坡长11.112 m，路基坡顶设置26 cm宽普通水泥混凝土路面，在模型坡面砌筑2排3列拱形骨架。2种结构的区别在于骨架结构材料组成，传统结构骨架由30 cm厚浆砌片石砌筑而成，新型结构先砌筑20 cm厚砂浆基础，在砂浆基础上用砂浆砌筑10 cm厚平缝预制块。拱形骨架护坡正面尺寸见图1。

图1 正面模型尺寸(单位： mm)

计算关键位置：拱形骨架护坡结构计算关键点位P1～P6共6个，分别代表坡顶、上排拱顶、上排拱脚、下排拱顶、下排拱脚、坡脚。选通过点P3、P5、P6的关键坡线2-2。分别对上述6个点位、1条关键坡线进行力学响应分析。关键点位、坡线及坡面位置分布，见图2。

图2 关键点位、坡线及剖面位置分布图

2 数值模型分析

2.1 数值模型分析条件及参数

根据工程实际拱形骨架尺寸建立数值模型，采用ANSYS11.0进行分析[21,22]，划分网格单元类型为solid45，采用对称结构。传统结构和新型结构数值模型网络划分见图3。

a) 传统结构b) 新型结构

加载边界条件：顶面面力为0.7 MPa，中心面和侧面是对称边界平面，底面X、Y、Z方向位移全部约束，中心面之相对面的X方向位移约束，其余方向自由，加上各种材料的重力加速度，运用glue布尔运算粘结不同材料之间的接触面，模型采用的材料参数见表1。

表1 数值模型采用的材料参数材料名称弹性模量/MPa密度/(kg·m-3)泊松比土基4015000．35预制块2800023600．17路面混凝土3000024300．15浆砌片石700023000．2

2.2 数值模拟结果与分析

2.2.1 竖向位移分析

对于2种拱形骨架结构，在相同受力条件下，关键点位、关键坡线竖向位移分布分别如图4、图5所示，由图分析可以得到：总体上2种结构关键点位和关键坡线的竖向位移随离坡顶斜距的增加而非线性减少，自上而下位移减速由快到慢；2种结构的关键点位竖向位移和关键坡线竖向位移最大值与最大差值出现在坡顶P1处，最大值均为41.6 mm，最大差值均为6.1 mm，新型结构竖向位移略大。

图4 关键点位竖向位移分布

图5 关键坡线竖向位移分布

2.2.2 水平位移分析

对于2种拱形骨架结构，在相同受力条件下，关键点位、关键坡线水平位移(平行于路基横断面的水平线)分布见图6、图7，由图分析可得：总体上2种结构关键点位和关键坡线的水平位移出现正负变化，表明在坡面中部范围均出现横向外凸变形；水平位移最大值出现在上排拱顶P2处，说明P2处为水平位移最不利位置；2种结构的关键点位水平位移和关键坡线水平位移分别为16.2 mm和12.5 mm，最大差值分别为3.7 mm和3.5 mm，新型结构水平位移略大。

图6 关键点位水平位移分布

图7 关键坡线水平位移分布

2.2.3 等效应力分析

对于2种拱形骨架结构，在相同受力条件下，关键点位、关键坡线等效应力分布见图8、图9，由图分析可得：总体上2种结构各拱圈关键点位上等效应力呈波浪线形，拱顶处应力位于波谷，拱脚处应力位于波峰，说明拱脚为各拱圈受力不利位置；总体上2种结构关键坡线上等效应力呈波浪线形变化，拱脚处应力位于波谷，表明相邻拱在拱脚交接处有应力抵消现象；除坡顶P1处新型结构等效应力大于传统结构外，其它位置新型结构等效应力均小于传统结构，差值较大，关键点位与关键坡线最大等效应力分别为14.3 MPa和14.5 MPa，最大差值分别达到10.4 MPa和8.8 MPa，新型结构等效应力明显小于传统结构。

图8 关键点位等效应力分布

图9 关键坡线等效应力分布

3 结论

本文对新型和传统2种材料组合的双排拱形骨架护坡结构进行数值模拟，并对其竖向位移、水平位移、等效应力等进行对比分析，可以得到如下结论：

1) 在相同力学条件下，新型结构在关键点位和关键坡线上的竖向位移与水平位移都略大于传统结构的,总体差异不大，竖向位移主要集中在坡顶至上排拱顶处范围，边坡中部范围有横向凸出变形现象，今后可以考虑进一步对这些区域进行加固。

2) 在相同力学条件下，新型结构在关键点位和关键坡线上的等效应力明显小于传统结构；2种结构各拱圈的拱脚均为应力不利位置；2种结构各拱柱上的拱脚处因相邻拱的协力作用等效应力变小。

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1008-844X(2017)03-0014-04

U 418.5+2

A

2016-12-29

湖南省教育厅科学研究重点项目(15A065)；湖南省交通厅科技计划项目(201104)

唐赛乾(1990-)，男，研究方向： 道路工程。