碎屑流沖擊下樁梁組合結(jié)構(gòu)攔擋效果及受力特征研究

王文沛殷躍平胡卸文李 濱劉明學(xué)祁小博

1.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院,北京 100081;

2.西南交通大學(xué),四川 成都 610031;

3.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所,北京 100081

0 引言

樁梁組合結(jié)構(gòu)多指在呈雁列型交錯布置的樁林結(jié)構(gòu)同排間,以及前后排間利用“一”字型、“Y”型水平連系梁聯(lián)結(jié)形成整體剛度的可抵御泥石流、碎屑流的新型攔擋結(jié)構(gòu)(殷躍平和張永雙,2013;冉永紅等,2018;張楠,2018),該組合結(jié)構(gòu)是由國內(nèi)專家在2010年甘肅舟曲“8·8”特大泥石流災(zāi)害的防治工作中率先提出,充分考慮了結(jié)構(gòu)對泥石流的“水石分流”功能,以及泥石流中巨石對結(jié)構(gòu)的強大沖擊作用(李瑞冬等,2011;胡向德等,2012)。樁梁組合結(jié)構(gòu)現(xiàn)已成功運用于甘肅舟曲三眼峪、四川汶川七盤溝、云南魯?shù)辇堫^山、西藏波密縣古鄉(xiāng)溝等強震區(qū)高位泥石流防治工程中(王秀麗等,2015;許彬,2018;楊開成,2020)。目前研究表明,樁梁結(jié)構(gòu)在泥石流中巨石撞擊下具有良好的抗沖性能和側(cè)向極限抗壓性能(李瑞冬等,2011;楊開成,2020)。此外,樁梁組合結(jié)構(gòu)前部攔截的巨石靜止堆積后還可進(jìn)一步形成“拱圈效應(yīng)”,避免組合結(jié)構(gòu)承受巨石連續(xù)沖擊(孫其誠等,2015;張楠,2018)。

雖然樁梁組合結(jié)構(gòu)具有上述優(yōu)點,然而該組合結(jié)構(gòu)由于應(yīng)用時間較短,現(xiàn)有案例不夠多,防護機理、力學(xué)規(guī)律尚不明確,理論研究還未達(dá)到可直接指導(dǎo)設(shè)計和工程實踐的程度?；诖?國內(nèi)外眾多學(xué)者對樁梁組合結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)及攔擋效果進(jìn)行了卓有成效的研究。王東坡等(2020)通過物理模型試驗開展了碎屑流沖擊作用下樁林?jǐn)r擋結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)研究,發(fā)現(xiàn)樁林?jǐn)r擋結(jié)構(gòu)可有效降低碎屑流運動距離并減緩其運動速度,并認(rèn)為可形成緩沖墊層的內(nèi)凹型弧形樁攔擋效果更為明顯。張萬澤等(2018)則以七盤溝泥石流溝樁梁組合結(jié)構(gòu)中單“品”字型結(jié)構(gòu)單元為原型,利用數(shù)值模擬方法模擬發(fā)現(xiàn)巨石撞擊樁身時的破壞形式為彎剪破壞,撞擊點剪切裂縫呈45°向上下展開。王朋(2016)選用鋼管混凝土樁梁組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行沖擊物理模型試驗,發(fā)現(xiàn)撞擊過程中會發(fā)生應(yīng)力波的傳遞,出現(xiàn)破壞狀態(tài)為擦傷、凹陷、節(jié)點處裂開和梁管剪切破壞四種。Bi et al. (2018)將多排減速墩柱結(jié)構(gòu)布置在滑坡碎屑流源區(qū),從而對碎屑流的能量進(jìn)行充分耗散,使得碎屑流不至形成整體流一次性沖擊到下游成災(zāi)。楊開成(2020)從樁林?jǐn)r擋結(jié)構(gòu)攔截調(diào)控泥石流角度提出,泥石流重度越大,攔擋結(jié)構(gòu)的攔截效果越好;根據(jù)泥石流攔截調(diào)控能力可將其劃分為全閉塞類型、部分閉塞類型、不閉塞類型三種類型。劉鐵驥等(2020)利用Massflow連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型對比分析了泥石流防治工程效果,為攔擋防治結(jié)構(gòu)空間布置提供了新思路。

近年來,隨著鐵路、水電開發(fā)等國家大型工程興建,高位碎屑流、泥石流、崩塌等鏈?zhǔn)綖?zāi)害防災(zāi)減災(zāi)的需求日趨強烈(Wang et al., 2020a;王靖,2021),尤其高位碎屑流、泥石流的體積放大效應(yīng)和流化增速效應(yīng)易造成巨大的生命財產(chǎn)損失(高楊等,2020;李壯等,2020)。因此,加強高位碎屑流、泥石流防治工程的建設(shè),特別是加快樁梁組合結(jié)構(gòu)等行之有效的新型攔擋技術(shù)理論研究迫在眉睫(郭長寶等,2006;鄒子南等,2019;劉錚等,2020;邊江豪等,2021)。

文章在總結(jié)已有樁梁組合結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,通過碎屑流沖擊下單排、多排樁林及樁梁組合結(jié)構(gòu)的攔擋效果對比模擬,提出樁-巨石力鏈攔擋效應(yīng)及樁梁組合結(jié)構(gòu)空間優(yōu)化布置思路。通過碎屑流巨石撞擊樁梁組合結(jié)構(gòu)動力模擬,獲得結(jié)構(gòu)應(yīng)力和傳遞特征。研究將對今后樁梁組合結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用提供些許的參考價值。

1 樁梁組合結(jié)構(gòu)攔擋效果模擬

1.1 不同結(jié)構(gòu)攔擋效果對比

基于前述樁梁組合結(jié)構(gòu)實際工程現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果(圖1),選取舟曲三眼峪高位泥石流樁梁組合結(jié)構(gòu)作為原型,研究樁梁組合結(jié)構(gòu)對于碎屑流的攔擋效果。

圖1 樁梁組合結(jié)構(gòu)Fig.1 Photos of pile-beam composite structures

初始碎屑流滑體位于斜坡上,樁梁組合結(jié)構(gòu)位于斜坡下部水平面上,兩側(cè)直立的邊界近似模擬溝谷形態(tài)。為說明樁梁攔擋組合結(jié)構(gòu)空間位置、樁梁結(jié)構(gòu)型式及間距對于高位滑坡碎屑流的攔擋效果,利用顆粒流分析仿真軟件EDEM展開模擬,樁梁組合結(jié)構(gòu)設(shè)置為剛體,不考慮結(jié)構(gòu)自身的受力變形特征。EDEM ?是一款模擬顆粒介質(zhì)運動及其相互作用的數(shù)值仿真軟件(Cundall and Strack, 1979;Wang et al., 2020b)。它通過牛頓第二運動定律計算顆粒間的相對位移及不平衡力。以記錄和輸出每個顆粒的物理信息和受力情況,并通過時步迭代進(jìn)行數(shù)據(jù)更新。相關(guān)模型設(shè)置及參數(shù)詳見圖2和表1。

初始碎屑流滑體初始方量1.2×104m3,放置于坡角30°斜坡上,斜坡兩側(cè)為直立的邊界,滑坡顆粒粒徑D為0.6～6 m隨機分布,結(jié)構(gòu)的基本尺寸見表1、圖2,其中前排樁均為前端圓弧形狀的馬蹄形結(jié)構(gòu),一般而言,圓形所受最大沖擊力小于矩形結(jié)構(gòu)(畢鈺璋等,2017)?，F(xiàn)選用以下四種型式的攔擋結(jié)構(gòu)進(jìn)行工況對比模擬,便于分析樁間距關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)依據(jù)。

表1 碎屑流及攔擋結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)Table 1 Geometric parameters for the blocking structures and the debris flow

工況1:單排樁結(jié)構(gòu)(圖2a),樁間距n1。工況2:單排樁結(jié)構(gòu)(圖2b),樁間距n2。工況3:雙排樁林結(jié)構(gòu)(圖2c)。工況4:樁梁組合結(jié)構(gòu)(圖2d)。

圖2 理想碎屑流攔擋結(jié)構(gòu)布局Fig.2 Layout of blocking piles in an idealized avalanche zone

碎屑流及攔擋結(jié)構(gòu)參數(shù)詳見表2。碎屑流最終堆積數(shù)值模擬結(jié)果如圖3所示,紅色條紋為接觸力形成的力鏈,該力鏈主要由較大粒徑顆粒與結(jié)構(gòu)、邊界接觸形成的,穩(wěn)定的力鏈進(jìn)而在樁前形成新的攔擋體系,能有效攔擋、遲滯后續(xù)碎屑流運動,可稱之為樁-巨石力鏈攔擋效應(yīng)。結(jié)合碎屑流最終堆積形態(tài),可發(fā)現(xiàn):

表2 碎屑流及攔擋結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Dynamic coefficient of the blocking structures and the debris flow

(1)工況1單排樁未能如同工況2—工況4形成連續(xù)的力鏈體系,較大粒徑顆粒從樁間逃逸出來,后續(xù)碎屑流隨即也在樁間逃逸堆積在遠(yuǎn)處;

(2)對比工況1—工況4,碎屑流最終堆積范圍從大到小依次為單排樁結(jié)構(gòu)(樁間距n1)＞單排樁結(jié)構(gòu)(樁間距n2)＞雙排樁林結(jié)構(gòu)＞樁梁組合結(jié)構(gòu),攔擋后堆積形態(tài)依次為矩形、梯形、船形和窄帶形,樁梁組合結(jié)構(gòu)攔擋效果最明顯;

(3)工況2雖然在樁前形成了連續(xù)的力鏈體系,攔擋效果顯著,但仍有相當(dāng)一部分細(xì)顆粒以較高的速度逃逸堆積到遠(yuǎn)處,也就是說細(xì)顆粒一旦成功從樁間逃逸,并無抑制其速度的方法;相反,工況3、工況4只有很少細(xì)顆粒以較高的速度逃逸堆積到遠(yuǎn)處,說明逃逸的細(xì)顆粒第一排樁和第二排樁之間由于改流區(qū)存在(譚援強等,2016),速度得到抑制;該現(xiàn)象與Bi et al.(2019)文獻(xiàn)中提到的阻擋區(qū)是一致的。

因此在攔擋結(jié)構(gòu)設(shè)計計算中,需注意樁間距的設(shè)定與顆粒尺寸相關(guān)性較大,若間距超過較大粒徑顆粒,造成較大粒徑顆粒逃逸,進(jìn)而導(dǎo)致力鏈非連續(xù),結(jié)構(gòu)攔擋將不能起到很好的攔截作用。即使樁-巨石形成連續(xù)的力鏈體系,細(xì)顆粒的逃逸不可忽視,需注意有多排減速障樁進(jìn)行逐級抑制速度,或通過雙排樁林結(jié)構(gòu)、樁梁組合結(jié)構(gòu)提前利用改流區(qū)遲滯細(xì)顆粒逃逸。

1.2 不同位置樁梁組合結(jié)構(gòu)攔擋效果對比

為進(jìn)一步說明樁梁組合結(jié)構(gòu)位置對于碎屑流攔擋效果的影響,文中設(shè)置了三種工況(圖4)用以模擬對比。

圖4 理想碎屑流區(qū)不同位置樁梁組合結(jié)構(gòu)攔擋效果對比圖Fig.4 Comparison diagrams showing the blocking effectiveness of a pile-beam composite structure laid out in different positions

工況1:樁梁組合結(jié)構(gòu)設(shè)置于斜坡上,初始碎屑流滑體下方。工況2:樁梁組合結(jié)構(gòu)設(shè)置于斜坡轉(zhuǎn)角處。工況3:樁梁組合結(jié)構(gòu)設(shè)置情況同圖2d。三種模擬結(jié)果對比可發(fā)現(xiàn):

(1)工況1由于距離初始碎屑流最近,受到休止角作用,碎屑流上部出現(xiàn)樁頂躍頂逃逸的現(xiàn)象,部分細(xì)顆粒以較高的速度逃逸堆積到遠(yuǎn)處;工況2樁頂躍頂逃逸的現(xiàn)象較工況1不明顯,細(xì)顆粒高速逃逸到遠(yuǎn)處的現(xiàn)象幾乎沒有;工況3未出現(xiàn)樁頂躍頂逃逸的現(xiàn)象;

(2)雖然工況1、工況2均出現(xiàn)碎屑流躍頂逃逸的現(xiàn)象,但碎屑流主體堆積位置前緣均未有工況3遠(yuǎn)。

因此樁梁組合結(jié)構(gòu)在設(shè)計布置位置時,一方面要考慮在碎屑流啟動、勢動轉(zhuǎn)換過程中盡早抑制碎屑流速度,另一方面仍需重視庫容的設(shè)計,謹(jǐn)防躍頂造成部分碎屑流逃逸,在上述二者之間選擇最優(yōu)解進(jìn)行位置布置。

2 樁梁組合結(jié)構(gòu)受力特征

考慮到上述樁梁組合結(jié)構(gòu)攔擋效果模擬并未考慮結(jié)構(gòu)自身的受力特征,因此專門針對碎屑流中巨石撞擊樁梁組合結(jié)構(gòu)引起的結(jié)構(gòu)受力特征展開研究,以期獲得規(guī)律性的結(jié)果。根據(jù)陳古華等(2022)的研究成果,大粒徑顆粒具有“跳動”現(xiàn)象且對樁林的瞬時沖擊作用明顯,大粒徑顆粒沖擊甚至可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)撞毀破壞(He et al., 2019),因此文中以大粒徑巨石沖擊樁梁組合結(jié)構(gòu)開展研究。

2.1 模型建立

選用ANSYS/Explicitdynamics通用顯示動力分析軟件,結(jié)構(gòu)模型仍以舟曲三眼峪高位泥石流樁梁組合結(jié)構(gòu)作為原型(圖5),尺寸與圖2d完全一致,其中鋼筋混凝土單樁水平截面呈馬蹄形,長為3 m(含弧形段0.5 m),寬2 m,樁長12 m,采用梅花型布置二排,樁間設(shè)鋼筋混凝土連梁,保護層厚度92 mm,混凝土均采用C30澆筑。樁內(nèi)縱筋采用96Φ32 mm(其中,迎沖面弧形段66Φ 32 mm,并在底部增設(shè)10 m長30Φ32進(jìn)行加密),箍筋采用56Φ14 mm,間距200 mm。碎屑流巨石采用的是直徑2.5 m球體,沖擊速度10 m/s。沖擊位置為2/3樁長處(8 m)。

圖5 碎屑流巨石撞擊樁梁組合結(jié)構(gòu)模型圖Fig.5 Model diagram showing a pile-beam composite structure impacted by a debris flow boulder

混凝土結(jié)構(gòu)采用八節(jié)點Solid實體單元模擬,鋼筋則采用兩節(jié)點beam線單元模擬。鋼筋材料為常用的Johnson-Cook金屬模型,樁體混凝土材料混凝用RHT本構(gòu)模型(李廣博和羅乙杰,2022)。RHT模型有三個極限面,即彈性極限面、失效極限面和殘余強度極限面,分別代表混凝土的初始屈服強度、峰值屈服強度及峰后殘余強度。基本計算參數(shù)詳見表3。

表3 結(jié)構(gòu)與滾石基本參數(shù)Table 3 Basic parameters of the pile-beam composite structure and the boulder

混凝土單元與鋼筋單元之間采用強化連接(Reinforcement),鋼筋單元與單元鋼筋之間采用綁定連接(Bonded)。滾石與混凝土單元、鋼筋單元采用無摩擦(Frictionless)連接。

2.2 模擬結(jié)果

碎屑流巨石沖擊樁梁組合結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖(圖6,圖7)可發(fā)現(xiàn),樁梁組合結(jié)構(gòu)將樁林懸臂力學(xué)承載結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為多點承載結(jié)構(gòu)后,沖擊力在撞擊位置迅速將應(yīng)力通過連梁分散傳遞到后排樁,將沖擊造成的局部區(qū)域混凝土侵徹深度77 mm,未達(dá)到混凝土保護層厚度(92 mm),巨石未能直接與鋼筋接觸造成變形。

圖6 樁梁攔擋組合結(jié)構(gòu)混凝土等效應(yīng)力圖Fig.6 Von-Mises stress of the pile-beam composite structure

圖7 樁梁攔擋組合結(jié)構(gòu)鋼筋應(yīng)力Fig.7 Steel stress of the pile-beam composite structure

鋼筋應(yīng)力更直觀地反映出雖然沖擊局部區(qū)域鋼筋未有實質(zhì)塑性變形,但沖擊過程中出現(xiàn)的應(yīng)力傳遞已使得連系梁兩端連接部分幾乎達(dá)到屈服,這也是今后需要考慮加強的部位。

3 結(jié)論與建議

文章針對近年來在高位泥石流、碎屑流區(qū)運用的樁梁組合新型攔擋結(jié)構(gòu)為研究對象,以舟曲三眼峪高位泥石流樁梁組合結(jié)構(gòu)作為原型,開展碎屑流沖擊下單排、多排樁林及樁梁組合結(jié)構(gòu)攔擋效果、不同位置樁梁組合結(jié)構(gòu)攔擋效果對比模擬以及樁梁組合結(jié)構(gòu)受力特征模擬研究,得出以下結(jié)論:

(1)較大粒徑顆粒與攔擋結(jié)構(gòu)、兩側(cè)溝道邊界接觸形成的樁-巨石力鏈攔擋效應(yīng)可有效攔擋、遲滯后續(xù)碎屑流運動,樁梁組合結(jié)構(gòu)樁-巨石力鏈攔擋效應(yīng)最佳;同時,第一排樁和第二排樁之間改流區(qū)進(jìn)一步抑制了碎屑流速度;

(2)樁梁組合結(jié)構(gòu)在設(shè)計布置位置時,一方面要考慮在碎屑流啟動、勢動轉(zhuǎn)換過程中盡早抑制碎屑流速度,另一方面仍需重視庫容的設(shè)計,謹(jǐn)防躍頂造成部分碎屑流逃逸;在上述二者之間選擇最優(yōu)解進(jìn)行位置布置;

(3)碎屑流巨石沖擊樁梁組合結(jié)構(gòu)時,沖擊應(yīng)力將通過連梁分散傳遞到后排樁,連系梁兩端連接部分應(yīng)力幾乎達(dá)到屈服強度,需加強配筋。

文中未耦合考慮碎屑流沖擊下結(jié)構(gòu)攔擋效果及結(jié)構(gòu)本身的受力損傷情況,這將是今后研究工作的重點考慮方向。

致謝:審稿專家與編輯老師對本文提出了許多寶貴意見與建議,甘肅省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院、四川省華地建設(shè)工程有限責(zé)任公司提供相關(guān)數(shù)據(jù),在此一并表示衷心的感謝。