基于FLAC3D的预应力锚索挡墙正交优化设计

2018-09-20张向东张维庆

中国地质灾害与防治学报 2018年4期

张向东，张维庆

(辽宁工程技术大学土木工程学院，辽宁阜新 123000)

0 引言

挡墙是公路和铁路建设中普遍采用的一种路基边坡支挡结构[1]。当边坡存在滑坡隐患时，可采用预应力锚索加挡墙的组合加固方案。国内外学者在路基挡墙和锚索工程的稳定性方面展开了一定的研究工作。吴顺川等[2]对坡间路基挡土墙进行了参数优化数值模拟，提出了“双锚”的支护方案。吴顺川等[3]对车辆荷载下路基挡土结构进行失稳机理数值模拟，为类似失稳路基挡土结构加固方案和综合治理措施的确立奠定科学基础。邓宗伟等[4]对预应力锚索桩板墙的变形特性进行研究，得出了挡墙分别在施工阶段和施工后的最大变形位置。唐湖北等[5]研究了锚杆锚固角、锚固长度、锚固位置等影响因素对边坡稳定性的影响。彭文祥等[6]以安全系数作为边坡稳定的判断依据，提出了对边坡稳定性影响显著的锚固因素顺序。吴定略等[7]通过数值模拟计算，分析了路基沉降对沿线边坡和线下边坡稳定性的影响。高成雷等[8]对山区公路半填半挖路基沉降进行研究，得出了控制指标。

以上研究多是通过解析法或数值模拟法，对既有支护结构进行研究，确定相应的变形特征和稳定性规律，尚未形成一种有效的结构优化设计方法。为此，本文以锦州市兴海公司南环路边坡支护工程为例，建立有效的结构稳定性评价指标，采用正交试验方法确定数值模拟方案，利用FLAC3D进行数值分析，确定锚索布置的最优化方案，系统地揭示了预应力锚索路基挡墙的受力、沉降特性及主要影响因素，对工程设计具有重要理论价值，为现场施工提供技术支持。

1 工程概况及模型建立

1.1 工程概况

工程所在区域场地地形较为平坦，场区岩层由素填土、强风化砂岩及中风化砂岩组成。挡墙采用钢筋混凝土结构(混凝土为C30，钢筋采用HPB300，单根长度600 mm)，锚索采用3根φ15.2 mm的钢绞线。挡墙后的填土采用碎石类土。

选取代表性区域(图1)，计算宽度为25 m，挡墙高度9 m，边坡倾角47°，路基宽度7.5 m，作用静载荷20 kPa。结构剖面见图2。

图1 边坡支护区域Fig.1 Slope supporting area

图2 剖面图Fig.2 Sectionof the subgrade

1.2 模型及边界条件设立

模型网格划分见图3。

模型施加位移边界条件：整体施加y方向约束，左侧挡墙底部和模型右边界施加x方向约束，上部设定为自由面，底部施加固定约束。路面施加应力边界条件。

图3 三维模型网格划分图Fig.3 Mesh of the 3D numerical model

1.3 模型参数选取

填土与边坡岩土体均为弹塑性体，选择Mohr-Coulomb模型，锚索采用cable单元。采用的物理力学参数见表1。

表1 岩土体物理力学性质参数

挡土墙配筋参数：弹性模量Es=2×105MPa、抗拉强度=310 MPa、泊松比0.2。

挡墙与墙后填土的接触面采用无厚度接触单元，接触面本构模型采用库伦剪切模型，接触面法向刚度kn和剪切刚度ks取周围“最硬”相邻区域的等效刚度的10倍，即：

式中：Δzmin——接触面法向连接区域上的最小尺寸；

K——体积模量；

G——剪切模量。

2 锚固方案正交试验设计

影响锚固效果的因素很多，既有物理参数又有几何参数，要做全面分析是很困难的，而且如果对所有影响因素的每个水平都进行组合试验，试验次数是惊人的。因此根据实际工程地质情况与施工水平条件，保持锚固角度和锚固长度保持不变(不列入考核变量)，选取三因素三水平试验方案：将锚索横向间距、纵向间距和预应力值三个方面作为设计考察因素，每个因素选取三水平，且不考虑试验因素间的交互作用，设计见表2。

表2 正交设计因素及水平表

2.1 试验安排及计算结果

根据三因素三水平的正交表，最少需要进行9次试验[9]，其组合原则与要求为：

(1)根据试验目的，确定评价指标，选取主要考察因素，略去次要因素，因素一般以3～7个为宜。

(2)因素数应小于等于正交表列数，因素水平数与正交表对应的水平数一致，在满足前提下，可选择较小的正交表。

(3)本试验设计中，空列为误差列，其位置一般放在中间或靠后。

(4)正交表中各列上的数字1、2、3分别代表该列所填因素在各个试验中的水平数，因此正交表的每一行都对应一个试验方案，即各因素的水平组合。

试验安排及计算结果见表3，结果分析见表4。

对表4中引入的三个符号的解释：

(1)Ki表示任一列上水平号为i(本文中i=1,2,3)时，所对应的试验结果之和。

(2)ki=Ki/s,其中s为任一列上各水平出现的次数，本文中为3次。

(3)R称为极差，在任一列上R=max{K1，K2，K3}-min{K1，K2，K3}

表3 试验方案及计算结果

表4 试验结果分析

2.2 趋势图与最优方案的选取

根据规范中对路基边坡监测项目的要求，评价指标确定为挡墙面板顶部位移和路基中心沉降量，计算后的评价指标趋势图见图4和图5。

因素主次与优方案的确定原则：

图4 趋势图1Fig.4 Trend chart 1

图5 趋势图2Fig.5 Trend chart 2

(1)极差R表明了一列所在因素的数值在试验范围内的变化，所以极差最大的一列为对试验结果影响最大的因素，即最主要的因素。

(2)优方案指在试验范围内，各因素的较优水平组合。优水平的确定与试验指标有关：本文中，试验指标是挡墙面板顶部位移和路基中心沉降量，指标均是越小越好，所以选取每个因素的K1、K2、K3中最小的值对于的水平。

从趋势图和表4可以得出：

因素A：对于两个指标来说，都是以A3为最佳水平，所以选A3。

因素B：对于两个指标来说，从极差来看，B因素都是最重要的因素，在确定优化水平时重点考虑：对于路基中心沉降值，从趋势图来看，取B2最佳；对于面板顶部位移值，B2与B3相差不大，所以选B2。

因素C：对于路基中心取沉降值，从趋势图来看，B2与B3相差不大；对于面板顶部位移值，取C3最佳，所以选C3。

综上，最优方案为A3-B2-C3，即锚索横向间距3.0 m、纵向间距3.0 m、预应力值180 kN。

3 监测值与模拟结果的对比分析

3.1 路基沉降

为确定数值计算结果的可靠性，根据上述最优锚索布设方案，沿路基宽度方向每隔0.5 m选取一个监测点来读取路基的沉降。由图6可知，路基中心位置沉降最大。由图7可知，挡墙路基的实际监测结果(最大沉降量-9.78 mm，最小沉降量-1.19 mm)与模拟结果(最大沉降量-13.83 mm，最小沉降量-1.56 mm)存在一定差距，但整体变化趋势相同，最大差值不足5 mm，说明模拟结果具有较高的准确性。

图6 静载条件下竖向位移云图Fig. 6 Vertical displacement nephogram under static load

图7 路基表面沿宽度方向沉降曲线Fig.7 Settlement curve of subgrade surface along width direction

3.2 面板侧向位移

面板最大侧向位移都发生在顶部，实测最大位移为-13.28 mm，而模拟值为-8.32 mm，这是由于挡墙顶端缺乏锚索的约束，在荷载的作用下逐渐产生了较为明显的向外挠曲现象。同时，模拟值与实测值较为吻合，证明了计算结果的合理性(图8、图9)。

图8 静载条件下水平位移云图Fig.8 Horizontal displacement nephogram under static load

图9 挡墙面板侧向位移曲线Fig.9 Lateral displacement curve of retaining wall panel

3.3 侧向土压力

图10和图11表明，土体的滑动方向为从边坡向挡墙方向滑动。土体应力呈现先增大后减小的趋势，应力变化较为均匀，实际土压力峰值-45.09 kPa较模拟值-36.78 kPa大些，趋势基本相同，这是由于上下两排锚索承担了一部分墙后土体推力，阻挡了墙后土体的滑动和变形，使得墙后土体产生了一定的应力集中与放大。