王文沛殷跃平胡卸文李 滨刘明学祁小博

1.中国地质环境监测院,北京 100081;

2.西南交通大学,四川 成都 610031;

3.中国地质科学院地质力学研究所,北京 100081

0 引言

桩梁组合结构多指在呈雁列型交错布置的桩林结构同排间,以及前后排间利用“一”字型、“Y”型水平连系梁联结形成整体刚度的可抵御泥石流、碎屑流的新型拦挡结构(殷跃平和张永双,2013;冉永红等,2018;张楠,2018),该组合结构是由国内专家在2010年甘肃舟曲“8·8”特大泥石流灾害的防治工作中率先提出,充分考虑了结构对泥石流的“水石分流”功能,以及泥石流中巨石对结构的强大冲击作用(李瑞冬等,2011;胡向德等,2012)。桩梁组合结构现已成功运用于甘肃舟曲三眼峪、四川汶川七盘沟、云南鲁甸龙头山、西藏波密县古乡沟等强震区高位泥石流防治工程中(王秀丽等,2015;许彬,2018;杨开成,2020)。目前研究表明,桩梁结构在泥石流中巨石撞击下具有良好的抗冲性能和侧向极限抗压性能(李瑞冬等,2011;杨开成,2020)。此外,桩梁组合结构前部拦截的巨石静止堆积后还可进一步形成“拱圈效应”,避免组合结构承受巨石连续冲击(孙其诚等,2015;张楠,2018)。

虽然桩梁组合结构具有上述优点,然而该组合结构由于应用时间较短,现有案例不够多,防护机理、力学规律尚不明确,理论研究还未达到可直接指导设计和工程实践的程度。基于此,国内外众多学者对桩梁组合结构动力响应及拦挡效果进行了卓有成效的研究。王东坡等(2020)通过物理模型试验开展了碎屑流冲击作用下桩林拦挡结构动力响应研究,发现桩林拦挡结构可有效降低碎屑流运动距离并减缓其运动速度,并认为可形成缓冲垫层的内凹型弧形桩拦挡效果更为明显。张万泽等(2018)则以七盘沟泥石流沟桩梁组合结构中单“品”字型结构单元为原型,利用数值模拟方法模拟发现巨石撞击桩身时的破坏形式为弯剪破坏,撞击点剪切裂缝呈45°向上下展开。王朋(2016)选用钢管混凝土桩梁组合结构进行冲击物理模型试验,发现撞击过程中会发生应力波的传递,出现破坏状态为擦伤、凹陷、节点处裂开和梁管剪切破坏四种。Bi et al. (2018)将多排减速墩柱结构布置在滑坡碎屑流源区,从而对碎屑流的能量进行充分耗散,使得碎屑流不至形成整体流一次性冲击到下游成灾。杨开成(2020)从桩林拦挡结构拦截调控泥石流角度提出,泥石流重度越大,拦挡结构的拦截效果越好;根据泥石流拦截调控能力可将其划分为全闭塞类型、部分闭塞类型、不闭塞类型三种类型。刘铁骥等(2020)利用Massflow连续介质力学模型对比分析了泥石流防治工程效果,为拦挡防治结构空间布置提供了新思路。

近年来,随着铁路、水电开发等国家大型工程兴建,高位碎屑流、泥石流、崩塌等链式灾害防灾减灾的需求日趋强烈(Wang et al., 2020a;王靖,2021),尤其高位碎屑流、泥石流的体积放大效应和流化增速效应易造成巨大的生命财产损失(高杨等,2020;李壮等,2020)。因此,加强高位碎屑流、泥石流防治工程的建设,特别是加快桩梁组合结构等行之有效的新型拦挡技术理论研究迫在眉睫(郭长宝等,2006;邹子南等,2019;刘铮等,2020;边江豪等,2021)。

文章在总结已有桩梁组合结构的基础上,通过碎屑流冲击下单排、多排桩林及桩梁组合结构的拦挡效果对比模拟,提出桩-巨石力链拦挡效应及桩梁组合结构空间优化布置思路。通过碎屑流巨石撞击桩梁组合结构动力模拟,获得结构应力和传递特征。研究将对今后桩梁组合结构设计应用提供些许的参考价值。

1 桩梁组合结构拦挡效果模拟

1.1 不同结构拦挡效果对比

基于前述桩梁组合结构实际工程现场调查结果(图1),选取舟曲三眼峪高位泥石流桩梁组合结构作为原型,研究桩梁组合结构对于碎屑流的拦挡效果。

图1 桩梁组合结构Fig.1 Photos of pile-beam composite structures

初始碎屑流滑体位于斜坡上,桩梁组合结构位于斜坡下部水平面上,两侧直立的边界近似模拟沟谷形态。为说明桩梁拦挡组合结构空间位置、桩梁结构型式及间距对于高位滑坡碎屑流的拦挡效果,利用颗粒流分析仿真软件EDEM展开模拟,桩梁组合结构设置为刚体,不考虑结构自身的受力变形特征。EDEM ®是一款模拟颗粒介质运动及其相互作用的数值仿真软件(Cundall and Strack, 1979;Wang et al., 2020b)。它通过牛顿第二运动定律计算颗粒间的相对位移及不平衡力。以记录和输出每个颗粒的物理信息和受力情况,并通过时步迭代进行数据更新。相关模型设置及参数详见图2和表1。

初始碎屑流滑体初始方量1.2×104m3,放置于坡角30°斜坡上,斜坡两侧为直立的边界,滑坡颗粒粒径D为0.6～6 m随机分布,结构的基本尺寸见表1、图2,其中前排桩均为前端圆弧形状的马蹄形结构,一般而言,圆形所受最大冲击力小于矩形结构(毕钰璋等,2017)。现选用以下四种型式的拦挡结构进行工况对比模拟,便于分析桩间距关键设计参数依据。

表1 碎屑流及拦挡结构几何参数Table 1 Geometric parameters for the blocking structures and the debris flow

工况1:单排桩结构(图2a),桩间距n1。工况2:单排桩结构(图2b),桩间距n2。工况3:双排桩林结构(图2c)。工况4:桩梁组合结构(图2d)。

图2 理想碎屑流拦挡结构布局Fig.2 Layout of blocking piles in an idealized avalanche zone

碎屑流及拦挡结构参数详见表2。碎屑流最终堆积数值模拟结果如图3所示,红色条纹为接触力形成的力链,该力链主要由较大粒径颗粒与结构、边界接触形成的,稳定的力链进而在桩前形成新的拦挡体系,能有效拦挡、迟滞后续碎屑流运动,可称之为桩-巨石力链拦挡效应。结合碎屑流最终堆积形态,可发现:

表2 碎屑流及拦挡结构参数Table 2 Dynamic coefficient of the blocking structures and the debris flow

(1)工况1单排桩未能如同工况2—工况4形成连续的力链体系,较大粒径颗粒从桩间逃逸出来,后续碎屑流随即也在桩间逃逸堆积在远处;

(2)对比工况1—工况4,碎屑流最终堆积范围从大到小依次为单排桩结构(桩间距n1)＞单排桩结构(桩间距n2)＞双排桩林结构＞桩梁组合结构,拦挡后堆积形态依次为矩形、梯形、船形和窄带形,桩梁组合结构拦挡效果最明显;

(3)工况2虽然在桩前形成了连续的力链体系,拦挡效果显著,但仍有相当一部分细颗粒以较高的速度逃逸堆积到远处,也就是说细颗粒一旦成功从桩间逃逸,并无抑制其速度的方法;相反,工况3、工况4只有很少细颗粒以较高的速度逃逸堆积到远处,说明逃逸的细颗粒第一排桩和第二排桩之间由于改流区存在(谭援强等,2016),速度得到抑制;该现象与Bi et al.(2019)文献中提到的阻挡区是一致的。

因此在拦挡结构设计计算中,需注意桩间距的设定与颗粒尺寸相关性较大,若间距超过较大粒径颗粒,造成较大粒径颗粒逃逸,进而导致力链非连续,结构拦挡将不能起到很好的拦截作用。即使桩-巨石形成连续的力链体系,细颗粒的逃逸不可忽视,需注意有多排减速障桩进行逐级抑制速度,或通过双排桩林结构、桩梁组合结构提前利用改流区迟滞细颗粒逃逸。

1.2 不同位置桩梁组合结构拦挡效果对比

为进一步说明桩梁组合结构位置对于碎屑流拦挡效果的影响,文中设置了三种工况(图4)用以模拟对比。

图4 理想碎屑流区不同位置桩梁组合结构拦挡效果对比图Fig.4 Comparison diagrams showing the blocking effectiveness of a pile-beam composite structure laid out in different positions

工况1:桩梁组合结构设置于斜坡上,初始碎屑流滑体下方。工况2:桩梁组合结构设置于斜坡转角处。工况3:桩梁组合结构设置情况同图2d。三种模拟结果对比可发现:

(1)工况1由于距离初始碎屑流最近,受到休止角作用,碎屑流上部出现桩顶跃顶逃逸的现象,部分细颗粒以较高的速度逃逸堆积到远处;工况2桩顶跃顶逃逸的现象较工况1不明显,细颗粒高速逃逸到远处的现象几乎没有;工况3未出现桩顶跃顶逃逸的现象;

(2)虽然工况1、工况2均出现碎屑流跃顶逃逸的现象,但碎屑流主体堆积位置前缘均未有工况3远。

因此桩梁组合结构在设计布置位置时,一方面要考虑在碎屑流启动、势动转换过程中尽早抑制碎屑流速度,另一方面仍需重视库容的设计,谨防跃顶造成部分碎屑流逃逸,在上述二者之间选择最优解进行位置布置。

2 桩梁组合结构受力特征

考虑到上述桩梁组合结构拦挡效果模拟并未考虑结构自身的受力特征,因此专门针对碎屑流中巨石撞击桩梁组合结构引起的结构受力特征展开研究,以期获得规律性的结果。根据陈古华等(2022)的研究成果,大粒径颗粒具有“跳动”现象且对桩林的瞬时冲击作用明显,大粒径颗粒冲击甚至可能导致结构撞毁破坏(He et al., 2019),因此文中以大粒径巨石冲击桩梁组合结构开展研究。

2.1 模型建立

选用ANSYS/Explicitdynamics通用显示动力分析软件,结构模型仍以舟曲三眼峪高位泥石流桩梁组合结构作为原型(图5),尺寸与图2d完全一致,其中钢筋混凝土单桩水平截面呈马蹄形,长为3 m(含弧形段0.5 m),宽2 m,桩长12 m,采用梅花型布置二排,桩间设钢筋混凝土连梁,保护层厚度92 mm,混凝土均采用C30浇筑。桩内纵筋采用96Φ32 mm(其中,迎冲面弧形段66Φ 32 mm,并在底部增设10 m长30Φ32进行加密),箍筋采用56Φ14 mm,间距200 mm。碎屑流巨石采用的是直径2.5 m球体,冲击速度10 m/s。冲击位置为2/3桩长处(8 m)。

图5 碎屑流巨石撞击桩梁组合结构模型图Fig.5 Model diagram showing a pile-beam composite structure impacted by a debris flow boulder

混凝土结构采用八节点Solid实体单元模拟,钢筋则采用两节点beam线单元模拟。钢筋材料为常用的Johnson-Cook金属模型,桩体混凝土材料混凝用RHT本构模型(李广博和罗乙杰,2022)。RHT模型有三个极限面,即弹性极限面、失效极限面和残余强度极限面,分别代表混凝土的初始屈服强度、峰值屈服强度及峰后残余强度。基本计算参数详见表3。

表3 结构与滚石基本参数Table 3 Basic parameters of the pile-beam composite structure and the boulder

混凝土单元与钢筋单元之间采用强化连接(Reinforcement),钢筋单元与单元钢筋之间采用绑定连接(Bonded)。滚石与混凝土单元、钢筋单元采用无摩擦(Frictionless)连接。

2.2 模拟结果

碎屑流巨石冲击桩梁组合结构应力图(图6,图7)可发现,桩梁组合结构将桩林悬臂力学承载结构转化为多点承载结构后,冲击力在撞击位置迅速将应力通过连梁分散传递到后排桩,将冲击造成的局部区域混凝土侵彻深度77 mm,未达到混凝土保护层厚度(92 mm),巨石未能直接与钢筋接触造成变形。

图6 桩梁拦挡组合结构混凝土等效应力图Fig.6 Von-Mises stress of the pile-beam composite structure

图7 桩梁拦挡组合结构钢筋应力Fig.7 Steel stress of the pile-beam composite structure

钢筋应力更直观地反映出虽然冲击局部区域钢筋未有实质塑性变形,但冲击过程中出现的应力传递已使得连系梁两端连接部分几乎达到屈服,这也是今后需要考虑加强的部位。

3 结论与建议

文章针对近年来在高位泥石流、碎屑流区运用的桩梁组合新型拦挡结构为研究对象,以舟曲三眼峪高位泥石流桩梁组合结构作为原型,开展碎屑流冲击下单排、多排桩林及桩梁组合结构拦挡效果、不同位置桩梁组合结构拦挡效果对比模拟以及桩梁组合结构受力特征模拟研究,得出以下结论:

(1)较大粒径颗粒与拦挡结构、两侧沟道边界接触形成的桩-巨石力链拦挡效应可有效拦挡、迟滞后续碎屑流运动,桩梁组合结构桩-巨石力链拦挡效应最佳;同时,第一排桩和第二排桩之间改流区进一步抑制了碎屑流速度;

(2)桩梁组合结构在设计布置位置时,一方面要考虑在碎屑流启动、势动转换过程中尽早抑制碎屑流速度,另一方面仍需重视库容的设计,谨防跃顶造成部分碎屑流逃逸;在上述二者之间选择最优解进行位置布置;

(3)碎屑流巨石冲击桩梁组合结构时,冲击应力将通过连梁分散传递到后排桩,连系梁两端连接部分应力几乎达到屈服强度,需加强配筋。

文中未耦合考虑碎屑流冲击下结构拦挡效果及结构本身的受力损伤情况,这将是今后研究工作的重点考虑方向。

致谢:审稿专家与编辑老师对本文提出了许多宝贵意见与建议,甘肃省地质环境监测院、四川省华地建设工程有限责任公司提供相关数据,在此一并表示衷心的感谢。