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退台式玄武岩纤维石笼河道护坡稳定性分析

2021-07-05 100 上传者：管理员

摘要：为了解玄武岩纤维在石笼护坡中的应用效果,结合某玄武岩纤维石笼护坡工程,采用PFC2D软件进行双轴压缩试验标定土体细观参数,通过单轴压缩试验标定玄武岩纤维石笼细观参数,构建了原状边坡及石笼护坡颗粒流模型,并在渗流条件下进行稳定性分析。结果表明,相比原状边坡圆弧状的滑面形式,石笼支护后,石笼对边坡土体的侧限约束效果显著,坡内土体颗粒断裂的接触粘结分布均匀,土体位移呈层状分布形式且未形成贯穿滑面,网箱结构整体较为稳定,但相邻两层的石笼网箱易出现错动。

关键词：
支护效果
玄武岩纤维
石笼护坡
稳定性分析
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1、引言

石笼作为一种生态护坡结构具有整体性好、施工简便和适应性强等优点，在国内主要用于公路挡土墙和河道岸坡防护。石笼网箱内填充的块石为一种典型的散体，在荷载作用下会发生位置变化。采用连续介质数值方法难以模拟散体结构，而颗粒离散元通过圆盘来模拟块石，较好地体现了散体的力学特性。柴贺军等[1]采用颗粒离散元程序建立石笼挡土墙模型，对不同位置挡土墙的土压力进行了数值计算；孟云伟等[2]采用颗粒离散元建立石笼挡土墙模型，研究了施工过程中石笼挡土墙的墙面位移发展及墙背填土的应力变化；田麒琳[3]通过单轴压缩试验标定石笼单体细观参数，类比了三种不同的石笼挡土墙设计方案。然而，已有研究并未详述石笼细观参数或标定细观参数时块石采用接触粘结模型（块石散体结构采用线性模型更为合理）。目前，采用颗粒离散元对石笼支护的研究集中在石笼挡土墙，针对石笼护坡的稳定性分析较少。玄武岩纤维材料是一种用天然玄武岩拉制的连续纤维材料，具有强度高、耐腐蚀的优异性能[4]，但目前国内对于此类生态防护技术的研究不多。鉴此，本文结合某玄武岩纤维石笼生态护坡工程，建立原状边坡和石笼护坡颗粒流模型，采用颗粒流强度折减法，从变形和应力特征两个不同角度进行稳定性分析，结果可为玄武岩纤维石笼护坡设计提供参考。

2、石笼生态护坡研究方法

2.1石笼生态护坡典型断面形式

某边坡工程采用生态防护技术将玄武岩纤维格栅护垫和玄武岩纤维复合筋石笼用于边坡支护。该边坡支护方案为坡脚左侧位置放置2个玄武岩纤维格栅护垫，尺寸为2.0m×1.0m×0.3m（长×宽×高），坡脚位置放置1个玄武岩纤维复合筋石笼，尺寸为1m×1m×1m（长×宽×高），坡面采用退台式放置10个玄武岩纤维复合筋石笼，尺寸为1.0m×1.0m×0.5m（长×宽×高），石笼网箱内填充块石（图1）。根据相应的设计资料，该石笼护坡工程相关岩土体力学参数见表1。

2.2细观参数及数值模型

2.2.1玄武岩纤维石笼单体的细观参数标定

工程中玄武岩纤维石笼单体采用退台式布置，通常会有一面暴露在外，故本文颗粒流数值试验采用无侧限单轴压缩试验，建立单轴压缩试验的石笼单体尺寸为1.0m×0.5m（宽×高）。复合筋网箱中填充的块石为一种典型的散体，采用线性模型可很好地模拟荷载作用下块石的位置错动。使用直径为5mm、平行粘结并具有一定重叠的颗粒建立玄武岩纤维复合筋网箱。平行粘结模型在线性模型基础上增加了粘结功能，可较好地传递力和弯矩，模拟复合筋的受拉和受弯特性。在PFC中模拟石笼单体的无侧限单轴压缩试验时，通过上、下两个墙体的移动模拟加载（图2），其中墙体的加载速率为0.05m/s。

图1玄武岩纤维石笼生态护坡断面图

表1石笼护坡岩土体力学参数

图2颗粒流无侧限单轴压缩试验

以蒋洋等[5]做的石笼单体单轴压缩试验作为参考，采用试错法确定石笼单体细观参数见表2，数值模拟的应力-应变曲线与室内试验C1试样结果对比见图2。由图2可看出，标定的细观参数可较好地反映石笼的力学特性。石笼与石笼之间及石笼与坡体之间的接触均采用线性接触模型，经过计算调试，其细观参数见表3。

表2石笼单体的细观参数

表3石笼护坡材料界面间的细观参数

2.2.2土的细观参数标定

为获得土体颗粒的细观参数，采用双轴压缩不固结不排水试验对土体进行细观参数标定，土体颗粒采用接触粘结模型，该模型可较好地反映粘土类粘性材料的剪切特性。本文采用PFC2D构建的土体双轴压缩试验模型见图3。模型尺寸为1.5m×3.0m（宽×高），颗粒粒径为0.04～0.06m，土体试样颗粒共1901个。使用试错法进行调试，最终得到土体颗粒细观力学参数见表4。分别施加100、200、300kPa的围压，对土样进行双轴压缩试验绘制应力应变关系图，并根据摩尔库伦理论绘制强度包络线图。采用Matlab回归分析可求得土体强度参数c=15.76kPa、φ=15.80°，与土体的力学参数c=15.5kPa、φ=16.0°吻合较好。

图3土体双轴压缩试验模型

表4土体的细观参数

2.2.3数值模型

(1）原状边坡颗粒流数值模型。根据原状边坡断面图，首先在CAD软件中绘制长36.13m、高12m的边坡并导出dxf文件，然后利用geometryimport与wallimportgeometry命令将dxf文件导入PFC2D生成边坡的轮廓与墙体，运用balldistribute命令生成土体颗粒并删除多余颗粒，以颗粒的最大不平衡力小于最大接触力的1.0×10-5作为平衡条件，达到条件循环停止，速度和位移清零。最终建立的边坡颗粒流模型颗粒总数为120888个，两侧及底面采用刚性墙体约束。在原状边坡由坡顶至坡脚分别布置4个半径为1.0m的测量圆，记录相应位置土体颗粒在坡体滑动过程中应力的变化情况。

(2）石笼护坡颗粒流数值模型。石笼护坡土体部分的建模方法与原状边坡相同，石笼单体模型采用FISH函数编制，最终建立的石笼护坡颗粒流模型颗粒总数为130527个，其中土体颗粒117601个，块石颗粒878个，玄武岩纤维复合筋颗粒12048个，土体与石笼间及石笼单体间的接触均采用线性接触模型。由坡顶至坡脚分别在石笼护坡的4个不同位置设置半径为1.0m的测量圆，记录相应位置土体颗粒在坡体滑动过程中应力的变化情况。

2.3研究方法

2.3.1渗流模拟

由于PFC2D软件无内置的渗流计算程序，模拟岩土体受渗流影响的基本思路为：(1)采用有限元软件计算该边坡在相应水头下的渗流场；(2)导出单元的水力梯度，进而计算渗透体力；(3)以有限元网格节点为圆心、网格尺寸为半径作圆；(4)对所有有限元网格节点作的圆、离散元土体颗粒形心进行循环，若土体颗粒的形心在圆内，则将计算得到的渗透体力通过PFC的内置函数施加到相应土体颗粒上。

为减小边界的影响，模型采用有限元软件GeoStudio计算边坡附近约130m、高25m范围内的渗流场，由于浸润线以下的土体颗粒受到浮力作用，在颗粒流计算时，这部分土体颗粒需采用浮重度。在水位为141.75m时，原状边坡渗流状态见图4(a），石笼护坡渗流状态见图4(b）。

2.3.2颗粒流的强度折减法

强度折减法的基本原理是逐渐增加强度折减系数，不断折减土体所能提供的抗剪强度，使折减后的土体抗剪强度逐渐接近土体实际发挥的抗剪强度，这时土坡刚好处于临界位移状态。周健等[6]将强度折减法引入颗粒离散元中，其基本思路为同时折减土体的摩擦系数、法向粘结力及切向粘结力，使土坡达到临界破坏状态。公式为：

图4141.75m水位时的渗流状态（单位：m)

（公式）

式中，Fs为稳定安全系数；ffric为岩土颗粒间的摩擦系数；ffriccr为临界破坏状态岩土颗粒间的摩擦系数；nbcr、sbcr分别为临界破坏状态岩土颗粒的法向粘结力、切向粘结力。

3、基于颗粒流的退台式玄武岩纤维石笼河道护坡稳定性分析

3.1原状边坡

在水位为141.75m时，根据式（1）进行颗粒流的强度折减，设置初始的折减系数为1.0，逐渐增加强度折减系数，以累计位移导致边坡失稳作为判断标准[3]，当强度折减系数增加到1.50时，原状边坡刚好处于临界状态，这时的强度折减系数即为原状边坡在水位为141.75m时的稳定安全系数。

3.1.1应力特征

原状边坡滑坡破坏过程中测量圆所监测到的应力变化规律为在边坡破坏滑移的过程中，坡顶产生张拉裂缝，滑坡体下滑，#1测量圆位于坡顶下方，圆内y方向压应力随着坡体下滑明显减小，x方向略有减小，后期变化趋势逐渐平缓。#2测量圆位于边坡中上部，x、y方向压应力随着测量圆内土颗粒的下滑有所波动，总体变化趋势较为平缓。因为y方向的应力主要来自上覆土重而x方向的应力主要受推挤作用的影响，所以在土颗粒下滑时#3测量圆内x、y方向的应力也随之不断波动，由于上覆岩体变厚，y方向应力变化更加明显。#4测量圆位于坡脚位置，由于土颗粒受到上覆坡体重力的作用，受挤压滑出坡面，在坡脚处堆积，因此y方向的应力显著增加。

3.1.2变形特征

对原状边坡施加重力和渗透体力，计算时步取100×104步。原状边坡的滑坡破坏形态规律为在初始阶段坡脚处的土体颗粒受到上覆坡体重力的作用，部分颗粒的变形不断累积，有向外挤出的趋势；10×104步时由于坡脚受挤压破坏，坡体失去支撑，导致变形加剧，部分坡体颗粒接触粘结断裂，开始形成圆弧形的滑动面，土体在抗剪强度薄弱处出现剪切破坏；20×104步时在上覆压力的作用下，坡体发生剪切破坏的部分产生应力集中，剪切破坏继续发展，变形加剧，坡顶颗粒失去了下部支撑沿滑动面下滑；土体颗粒间接触粘结的断裂随着时间继续发展，坡体在重力作用下整体下滑，30×104步时随着坡体颗粒间接触粘结断裂的增加与扩展，滑坡体局部破碎，颗粒滑出坡面，开始在坡脚处堆积；50×104步时坡体的顶部有明显的张拉裂缝，坡体沿圆弧状滑动面下滑，坡脚处的颗粒进一步堆积；100×104步时滑坡体趋于稳定，最终坡体整体破坏。

3.2石笼护坡

分析水位为141.75m情况下的石笼护坡效果，根据式（1）进行颗粒流的强度折减，对土体颗粒的法向、切向粘结强度和摩擦系数同时折减1.70倍，对护坡施加重力和渗透体力进行100×104时步的计算。计算完成时坡内土体颗粒断裂的接触粘结分布均匀，无法形成贯穿的滑动面，石笼护坡未发生滑动破坏，仅石笼单体之间出现错位和脱开现象，这表明采用石笼支护可有效地防止坡内土体的破坏和滑动。由于边坡未发生破坏，可认为石笼护坡的稳定系数在1.70以上，从安全角度出发其稳定系数可取1.70，相比原状边坡的稳定系数提高了13%。

3.2.1应力特征

石笼护坡破坏过程中测量圆所监测到的应力变化见图5。由图5可看出，4个测量圆在计算初期一定的时步x、y方向的应力基本为零，这是由于土体颗粒的位移是从坡脚逐渐向坡顶发展，位移发展过程需要一定时间，在建立石笼护坡模型时土体颗粒已达到平衡，其接触力趋于零，因此测量圆得到的应力基本为零。#1测量圆的位置靠近坡顶，#4测量圆的位置靠近坡脚，因此#1测量圆x、y方向的应力基本为零的时间最长，#4测量圆的最短。随着时间的推移，在坡脚与坡面石笼单体重力的作用下，土体颗粒紧密接触，记录的x、y方向应力增大。在石笼支护作用下，坡内土体颗粒断裂的接触粘结无法形成贯穿的滑动面，土体颗粒主要受到自身重力、渗透体力及石笼重力的作用，故y方向的应力一般比x方向大。

图5石笼护坡测量圆的应力变化曲线（以拉为正）

3.2.2变形特征

对石笼护坡施加重力和渗透体力，计算时步取100×104步，破坏形态见图6。由图6可看出，30×104步时，在重力和渗透体力作用下，土体颗粒的位移从底部逐渐向坡顶处发展，石笼单体在块石颗粒和土颗粒的共同作用下，坡脚处玄武岩复合筋产生受弯变形，微向上凸；50×104步时，位移向坡内中部发展，由于周围土体颗粒的挤压作用，位于坡脚左侧两个玄武岩纤维格栅护垫的位置发生上下错动；70×104步时，位移向坡顶处发展，呈层状分布，由于周围土体颗粒发生沉降，石笼单体的复合筋受弯脱开；100×104步时，坡内土体的位移发展基本完成，坡顶位置位移最大，石笼单体之间出现了更加明显的脱开现象，坡内土体颗粒断裂的接触粘结分布均匀，无法形成贯穿滑动面，因此坡体未发生滑动破坏，石笼护坡的变形特征主要表现为土颗粒位移的层状分布及石笼单体的错位与脱开。

4、结论

a．采用平行粘结模型模拟玄武岩纤维复合筋网箱、线性模型模拟填料石块能较为真实地反映材料的力学特性，数值计算较好地模拟了石笼网箱受弯、错动、脱开的现象。

图6石笼护坡破坏形态

b．采用玄武岩纤维石笼支护，相当于在坡脚左侧至坡面加了盖重，加上石笼单体间及石笼与土体间的摩擦作用限制了土体的侧向位移，相比原状边坡，石笼护坡的稳定系数从1.50增至1.70，提高了13%，坡内土体颗粒断裂的接触粘结分布均匀，无法形成贯穿的滑动面，采用石笼支护能有效地防止坡内土体的破坏和滑动。

参考文献：

[1]柴贺军,孟云伟,贾学明.柔性石笼挡墙土压力的PFC2D数值模拟[J].公路交通科技,2007,24(5):48-51.

[2]孟云伟,柴贺军,贾学明.石笼挡土墙的颗粒离散元细观力学模拟研究[J].岩土力学,2010,31(8):2677-2681.

[3]田麒琳.公路边坡石笼挡土墙支护技术数值模拟研究[D].重庆:重庆大学,2014.

[4]吴智深,汪昕,史健喆.玄武岩纤维复合材料性能提升及其新型结构[J].工程力学,2020,37(5):1-14.

[5]蒋洋,徐慧,柴贺军,等.石笼单体结构应力-应变特征试验研究[J]﹒公路交通科技(应用技术版),2008(2):94-97.

文章来源：马煜钧,苏超,戴健健,张恒,祝凡.基于颗粒流的退台式玄武岩纤维石笼河道护坡稳定性分析[J].水电能源科学,2021,39(06):131-135.