装配式挡墙组合支护形式的数值模拟研究

黄伟斌

(清远市水利水电勘测设计院有限公司，广东 清远 511500)

1 概 述

2016年9月，国务院在《关于大力发展装配式建筑的指导意见》中提出，在大约10年内，努力使装配式建筑占新建建筑、市政、道路交通工程的30%[1]。可以看出，装配式挡墙是挡土墙未来的发展趋势，它具有造价低、生产容易、绿色环保等优点，得到国家的大力支持，许多研究人员也对此进行了相关研究。黄元天[2]等以浙江省某公路挡墙为例，采用Midas Civil模拟和横向对比的方法，研究了锚栓柱板型装配式可绿化挡墙的标准化预制，研究结果表明该挡墙高度不小于2.5 m时，具有最好的经济效益。孟秀元[3]将装配式生态挡墙应用于山西阳蟒高速公路，从挡墙的特点、施工工艺、材料制备等角度分析了该支护系统的可行性，认为装配式生态挡墙起着工程防护和生态防护的作用。刘铁柱[4]等以四川省某公路为研究对象，详细阐述了装配式生态挡墙的施工工艺，并指出装配式生态挡墙应严格遵守工艺的每个步骤。周晓靖[5]设计了一种新型的钢筋砼生态挡土墙，将其与普通浆砌石挡墙和混凝土挡墙进行对比，提出该挡墙相比于传统挡墙具有立体绿化-结构一体化的特点。章宏生[6]等采用有限元法，分析了新型装配扶壁式挡土墙结构的位移与应力特性，结果表明新型挡墙支护效果良好，变形与位移满足工程要求。唐洪雷[7]运用有限元软件，模拟了直立式装配式挡墙和仰斜式装配式挡墙的位移与应力特点，结果表明两种新型挡墙超载后均会发生整体滑移破坏。张昕升[8]以Flac3d软件为平台，模拟了挡墙在自然、地震两种工况下的应力位移与受力特性，结果表明墙体从顶部至底部，位移逐渐减小，构造柱与地板连接处承受最大应力。

可以看出，现有研究基本只考虑了单一采用装配式挡墙的支护方式，而实际工程往往较为复杂，例如对于多级边坡，只采用装配式挡墙支护效果欠佳。基于此，本文结合某水利工程边坡支护工程，利用Flac3d软件，对装配式挡墙结合锚杆的治理措施进行综合评价。

2 边坡工程概况

水利工程开挖边坡见图1，该边坡主要由碎石土、风化土和泥岩夹砂岩组成。根据室内试验测定，该边坡的物理力学参数见表1。

图1 边坡示意图

表1 路堑边坡物理力学参数表

图1中，黄线为开挖边界，红色区域为拟采用的支护措施。其中，一级边坡采用装配式挡墙结合锚杆的组合支护结构，二级边坡使用锚杆进行加固。需要说明的是，由于左侧边坡高度较低，工程风险亦较低，同时为简化计算，后文建模将只对左侧边坡进行建模及数值模拟。

3 装配式挡墙与锚杆的组合支护结构

图2为本文拟采用的装配式挡墙。

图2 装配式挡墙

该装配式挡墙由n层标准化制备的预制块单元(图3)组装而成，每个预制块单元的尺寸为1.3 m(长)×0.5 m(宽)×0.6 m(高)，每根锚杆设置在两个预制块单元中间，最终形成的组合支护结构见图4。

图3 预制块单元

图4 装配式挡墙与锚杆组合结构图

4 数值模拟

4.1 模型建立

在建立边坡几何模型时，边坡的地表形态以及岩层组成均严格遵守该区域地质勘查报告。建模时，首先将边坡的CAD线文件导入犀牛，生成立体边坡模型，并在犀牛软件中采用四面体单元生成网格，最后导入Flac3d软件进行模拟。整体边坡模型长度为60 m，模型高度为40 m，一级直立边坡开挖高度5 m，该路堑边坡模型共计12 414个单元、13 765个节点，在模型的底部施加法向约束，顶面为自由，侧面施加法向约束。需要说明的是，根据铁路沿线的工程地质条件，没有发现有明显断层初露，因此三维模型不考虑断层的影响。图5为左侧路堑边坡模型图。

图5 边坡模型图

4.2 挡墙与锚杆参数取值

装配式挡墙与锚杆的物理力学参数均按照工程规范标准取值。其中，装配式绿化挡墙选用弹性本构，重度为11.5 kN/m3，剪切模量为0.9e4MPa,体积模量为2.4e4MPa。锚杆参数分别为锚杆总长9 m(锚固段长度7 m，自由段长度2 m)，锚杆设置倾角15°，抗拉强度3.2e5kPa。

4.3 模拟结果分析

4.3.1 边坡开挖分析

图6为边坡开挖后，边坡产生的水平位移云图。其中，一级直立边坡顶部出现最大水平位移54 mm，二、三级边坡出现条带状位移，分别有最大位移31、28 mm，边坡整体呈现位移数值从左向右递减的规律。

图7为路堑开挖后，边坡产生的竖向位移云图。其中，二、三级边坡均出现较大沉降位移，分别为44和34 mm，一级直立边坡的坡顶出现27 mm位移，边坡整体呈现从上往下位移数值递减的规律。

综合表明，该边坡开挖后将出现较大变形，一级边坡水平位移较大，可采取装配式挡墙结合锚杆的支护方式进行支护；二、三级边坡竖向位移较大，可采用锚杆进行坡体加固。

图6 边坡水平位移云图(边坡开挖)

图7 边坡竖向位移云图(边坡开挖)

4.3.2 组合支护结构分析

图8为采用装配式挡墙和锚杆组合支护结构支护后的边坡水平位移图。其中，最大水平位移5.1 mm，二、三级边坡位移在2～3 mm内。图9为支护后的竖向水平位移云图，边坡最大竖向位移4.2 mm。

结合边坡的水平位移和竖向位移来看，边坡整体位移较支护前得到有效控制，位移数值均小于10 mm，满足工程的位移要求，说明本文采取的支护结构能有效控制该路堑边坡的位移变形。

图8 边坡水平位移云图(组合支护)

图9 边坡竖向位移云图(组合支护)

图10为装配式挡墙的位移云图。从图10中可以看出，墙顶出现最大位移5.1 mm，且装配式挡墙整体呈现从墙顶到墙地位移逐渐减小的规律，基于此位移特性，工程后期应加强对墙顶位移的监测。

图11为锚杆的位移云图。由图11可知，一级直立边坡处锚杆位移由坡顶向下位移逐渐减小，坡顶处锚杆位移最大，约为6.4 mm。二级边坡处锚杆位移自上而下，位移逐渐增加，二级边坡坡脚处的锚杆出现最大位移5.8 mm。整体来看，所有锚杆的自由段位移明显大于锚固段位移，且靠近一级直立边坡坡顶的锚杆位移最大。故在实际支护边坡时，可适当增加一级边坡坡顶处的锚杆数，约束该部分坡体变形。

图12为锚杆应力云图。

图10 装配式挡墙位移云图

图11 锚杆位移云图

图12 锚杆应力云图

分析图12可知，一级边坡坡顶处的锚杆受力较大，上下两端的锚杆受力较小。这可能是因为一级边坡坡顶处的坡体位移较大，导致该区域锚杆所受拉应力较大，而上下两端坡体位移相对较小，故应力相对较小。分析锚杆的受力可知，最大应力锚杆数值为4.3e6kN/m2；结合锚杆的

材料属性可知，锚杆所受的最大应力为1.6e8kN/m2。因此，本文采用的锚杆受力远小于该锚杆的极限应力，说明本文锚杆的选取是符合工程要求的，不会对支护工程造成安全隐患。

5 结 论

本文以某水利工程边坡为实例，采用装配式挡墙结合锚杆的组合支护结构的支护方法，通过Flac3d软件模拟坡体位移、挡墙位移和锚杆的位移和受力特性，结论如下：

1) 该边坡在开挖后，一级边坡坡顶处将产生最大水平位移约54 mm；二、三级边坡变形较大，坡体整体处于不稳定状态。一级边坡坡顶以及二、三级边坡坡面处应设置位移监测点，防止出现大变形危害。

2) 采用组合加固措施后，一级边坡坡顶出现5.1 mm的最大位移，边坡整体位移得到控制，位移在工程允许位移范围内，支护效果较好。

3) 装配式挡墙墙顶出现最大位移5.1 mm，锚杆最大位移6.4 mm，结构最大位移均符合工程要求。靠近一级边坡坡顶的锚杆和挡墙位移均是最大值，工程实践中可通过增加该区域锚杆数量来控制其变形；同时应加强该区域以及二、三级边坡坡面的位移监测，防止出现变形垮塌。