滚石防治的地面强化路堤：足尺实验的设计与评价.pdf

D O I ：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 6 7 2 4 0 11 2 0 1 3 0 4 0 6 7 滚石防治的地面强化路堤：足尺实验的设计与评价 D P e i l a C O g g e r iC C a s t i g l i a 段高勤译 ( 中国中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都6 1 0 0 3 1 ) 摘要：基础设施，如公路和铁路以及城市化地区， 处于山坡地带，经常会受到落石的威胁，因此需要避免其 受到冲击影响。在众多可行的防治措施中，地面强化路堤 可认为是一种可行的技术。本文提出一套用土工格栅强化 的地面路堤足尺实验并进行讨论。实验在一个专门设计和 建造的测试设备上进行，用重90 0 0k g 的混凝土块以约3 0 m s 的速度扔向用土工格栅加固的地面路堤上，用不同土 工格栅、不同砂和不同结构设计的几个路堤在不同冲击能 下进了实验，可据此定量评估这些结构的耐冲击性能。实 验结果与那些从一个动态有限元数值模型中得到的结论相 比，具有较好的一致性。 关键词：落石；地面强化路堤；足尺试验；动态有限 元建模；土工格栅 中圈分类号：U 4 1 7 1 + 2文献标志码：B 文章编号：1 6 7 2 4 0 1 1 ( 2 0 1 3 ) 0 4 0 1 4 6 0 4 0 前言 诸如铁路、居民区道路的成功防治措施，需要岩土工 程、地质学以及环境保护、风险评估和施工方法的相互结 合。在对岩质边坡下危险区域的界定、可能崩塌点的预测 和滚石运动轨迹的刻画后，才有可能在每个不同环境条件 下选择合适、可靠的防治措施( P e c k o v e r 和K e r r1 9 7 7 ；D u n c a n 和N o r m a n1 9 9 6 ；G i a n i1 9 9 2 ；P e l i z z a 等2 0 0 4 ) 。如能预 防岩块从岩壁上掉落( 主动防护) 和在落石滚动过程中将其 拦截( 被动防护) 。 被动防护被设置在斜坡上拦截沿可能的轨道滚落的块 石，正确的刻画滚石的运动轨迹( 包括滚动过程中的路径长 度、高度、速度、动能) 对设计来说是非常重要的。在最佳 位置，高度和被吸收的能量决定后，可以正确进行被动防 护结构的选择和设计。最主要的被动防护有落石槽、金属 拦网、地面路堤。 落石槽是一种钢筋混凝土结构，在顶部覆盖一层吸能 材料如回填土，他们能吸收滚石的冲击影响。基尔斯滕 ( 1 9 8 2 ) 提出了该结构的设计方案，并详细研究被各种类和 厚度回填土覆盖的混凝土板的性质。 由金属桩和绳组成的网栏结构固定住了钢丝。这种钢 丝网能够拦截运动块体，并把冲击力传递给地锚。在最近 原文出处：L a n d s l i d e s ，2 0 0 7 ，4 ( 3 ) ：2 5 5 2 6 5 原文D 0 1 ：1 0 1 0 0 7 8 1 0 3 4 6 0 0 7 - 0 0 8 1 4 ；P r i n tI S S N ：1 6 1 2 5 1 0 X 原文标曩：G r o u n dr e i n f o r c e de m b a n k m e n t sf o rr o e k f a l lp r o t e c t i o n ：d e s i g n a n de v a l u a t i o no ff u l ls c a l et e s t s 译者简介：段高勤( 1 9 6 4 一) ，男，云南大理人，工程师。 这些年，基于这种结构的很多研究取得了发展，他们都采 用足尺实验和数字动态模拟( S m i t ha n dD I I 鲫1 9 9 0 ；P e i l a 等 1 9 9 8 ，2 0 0 6 ；G e r b e r1 9 9 9 ；N i e o t 等2 0 0 1 ；C a z z a n i 等2 0 0 2 ) 。 地面路堤用在那些滚石体积或速度足够大的地区，他 们冲击力超过传统网栏的最大抵抗能力。简易路堤由天然 和适当压实的土或是大的岩块组成，或者是用钢丝网笼子 装满岩屑后做成。目前，可以注意到地面强化路堤正被日 益广泛的使用，这种路堤有不同加固方式，例如土工织布 或土工格栅，钢丝条或钢丝网。与落石网相比，在地面路 堤众多的优点中可以提及的是：面对多次崩塌的可行性、 撞击后的低维修、对环境影响小、抗冲击力强。不足之处 在于需要找到一个具有一定几何特征的场地能够适合 修建地面挡墙( 即斜坡的场地和坡度要适合) 和达到所在斜 坡的稳定性要求( P a r o n u z z i1 9 8 9 ；Y o s h i d a1 9 9 9 ；O g g e r ia n d P e i l a2 0 0 0 ；O g g e r i 等2 0 0 4 ) 。 很大动能的块体对地面强化路堤的影响，在分析和理 论评估上是不同的，以前，对崩塌采用路堤防护措施时， 是把相对路堤抛射实验( K a r1 9 7 8 ；K n i s h t1 9 8 0 ；B o g u s - l a v s k i i 等1 9 9 6 ) 或者是落石对覆盖土垫层的落石槽的冲击研 究作为计算依据( L a b i o u s e 等1 9 9 6 ；B e r t h e t R a m b a u d 等 2 0 0 4 ；M o n t a n i 等2 0 0 4 ；P i c k l e r 等2 0 0 5 ；D iP r i s c oa n dV e c c h o r d2 0 0 6 ) 。数量有限的足尺实验已经对真实情况下滚石 对地面强化路堤的冲击进行了全面的了解。 B 1 ，r 删g l l 8 等( 1 9 9 3 ) 对用土工合成材料强化的土制路堤 进行过实验。用于这次实验的路堤有2 4m 长，3i n 高，2 r n 厚，墙面是笔直的。橡树木制面板被铺设在墙面两边，这 样能更加容易的测得冲击力的影响。用于修筑路堤的土是 粘土、砂和碎石经压实到0 3 m 厚的土工格栅加固层。实验 用1 8 块形状和尺寸各异的滚石冲击路堤，而在下一块滚石 落下之前由前一块滚石对路堤带来的损坏不会修复。所有 滚石都沿斜坡滚落，预估的冲击能量在8 15 0 0k J 范围 内。由实验可知，所有的滚石都被路堤挡住，路堤没有在 滚石冲击下倒塌。 吉田( 1 9 9 9 ) 研究了地面路堤受冲击的影响，实验采用 土质地面路堤，用砂土压实到厚0 5m 的土工合成材料强 化层，在其背面有两个用砂袋筑成的垫层。实验中从斜坡 上滚落的石块对路堤的冲击能量在5 8 27 0 0k J 。每次滚石 撞击后都要对地面强化路堤正面和背面的变形进行测量。 整个实验中，在20 0 0k J 以下能量所产生的变形很微小， 这样的结果受到很大的局限。 在本文中足尺实验的重要性受到了很大的重视，因为 在路堤设计阶段，冲击的动态影响很大，在动态作用下进 万方数据 行地面强化路堤的一系列足尺实验，把这些数据用有限元 数值模型进行反分析，提供更有价值的结果，这些结果， 在防护结构类型和防护结构尺寸的设计上，对设计者能有 帮助。 1 地面强化路堤的足尺实验 这个实验在靠近T r e n t o ( N o r t h E a s to f l t a l y ) 的M e a n o 进行，这里修建了一个能以3 2m s 的速度发射重达1 00 0 0 l 【g 加筋水泥块的巨型装置，作用对象是如防护拦网和路堤 的被动防护结构。实验的目的是调查地面强化路堤受到冲 击时的特性，用他们来确定设计中用到的相关参数和防护 结构能承受的最大能量。表1 给出了不同类型土壤的强度 参数，他们用来修筑路堤，路堤的几何尺寸见图2 ，根据预 估的地面强化路堤防护标准对土壤进行了压实，9 5 的压 实度作为实验标准。表2 汇总了四次实验的相关参数。 表1从实验室获得的实验所用土工技术的土力学性质 编号 c k P a中。 y ( k N m 3 ) 备注 种类1 93 42 1 砂石土 种类2 5 03 0 1 7 淤泥质粘 21 号实验结果 滚石撞击在防护路堤的上部，从地面以上约3m 处( 到 达防护路堤第二层到第三层加筋土之间) ，这个位置防护路 堤的厚度约1 2m 。从实验看到，滚石既没有击穿防护路 堤，也没有对防护路堤造成无法修复的损坏。在防护路堤 背面形成的凹坑最大深度约0 6m ( 到路堤背面的垂直距 离) ，而在路堤的正面，防护路堤鼓出0 1 7m 。在撞击区域 外没有出现由撞击而产生的明显变形。在防护路堤中部发 现一张裂缝，最大宽度约1 4m ，延伸到加筋土的第三层， 导致穿过裂缝的土工格栅超荷。这可以反映在路堤撞击过 程中土工格栅抑制路堤变形的过程。 图1实验流程 B 型 图2 地面强化路堤的截面尺寸 32 号实验结果 实验所用路堤在几何形状、尺寸和土类上与1 号实验 基本相同，但不同的是要求在同一个地方以41 8 0k J 的能 量撞击3 次( 相同滚石和速度) 直到撞坏。可以观察到，在 受到2 次撞击后，防护路堤土层尽管发生了很大变形，但 还是能够拦住滚石，并且保持自身结构的稳定。为了让路 堤失稳破坏，进行了再一次撞击，最后一次的撞击导致路 堤几层土工格栅加固层都出现开裂。 在第一次撞击过程中，可见上土层由于受到高能量的 冲击而向上抬升。撞击后，在背面的坑洞直径约1 5m ，最 大深度大约0 9 5m ( 到路堤表面的距离) ，正面挤出的最大 距离有0 8 0m 。经过2 次撞击后，在被挤出的一面，位于 第4 个土层处，可以看到平行于表面的拉张裂缝。正是由 于土工格栅，整个实验过程中，正面路堤有了稳定保证。 第3 次撞击后，正面的土工格栅全部掉在路面上，最 上层发生倒塌，可以判定结构已经破坏。必须注意到，路 堤只是在滚石撞击影响区域发生破坏。 43 号实验结果 实验的路堤几何尺寸与1 、2 号实验相同，路堤所用土 类型和密实程度也与1 号实验相同。为了让路堤正面和背 面都不发生大的变形，在路堤背面中间位置安装了金属网。 虽然滚石被路堤挡住，但是在受到撞击后，路堤便破坏了。 因此，这将导致从变形发生起便不能进行任何测量的结果。 从录像上分析，在撞击过程中，在顶层中部沿着路堤 轴线发展一条比纵向长的裂缝。这种长裂缝与实验1 和实 验2 中所观察到的很相似，但是他没有受看土工格栅的限 制，当发展到顶层时便引起了结构的整体破坏。 54 号实验结果 实验在强化路堤上进行，路堤用的是第二种类型的土， 这种土的粘粒含量比工程实践的推荐值( J e w e l l1 9 9 1 ；C a n - c e l l ia n dC a z z u f f i1 9 9 4 ) 更高，所以用于地面强化路堤。这次 实验的目的是校核在崩塌防护路堤中用“塑性”理论获得 的结果。 滚石成功的被路堤所拦住，可以明显看到，在正背面 产生了一个相比于实验2 更大的塑性变形。根实验2 一样， 顶层也向上抬升，但是受损程度更大。受到撞击后，正面 坑洞直径约有1 5 0m ，最大深度约有1 1 0m ( 到表面) ，背 面被挤出的最大高度约0 8 0m 。变形结果与实验2 达到了 较好的一致性，所以可以说明这种类型的地面能够用于地 面强化路堤上。 6 地面强化路堤的数值分析 高速运动块体对地面强化路堤的撞击影响的演化过程 和随之发生的能量消散过程可以通过数字模型进行复杂的 运算而获得。主要的方法有： ( 1 ) 基于显示时间积分的有限元模型，考虑了问题的 动态影响( C a r o t t i 等2 0 0 0 ；P e i l a 等2 0 0 0 ，2 0 0 2 ) ，同时在模 型中允许大变形。 ( 2 ) 离散元模型是将地面材料模拟成相互作用的独立 万方数据 单元( B e r t r a n d 等2 0 0 5 ) 。 为了估计地面强化路堤的能量耗散和稳定性，进行了 三维有限元建模，对l 号实验和2 号实验的结果进行反分 析，从设计角度出发这是非常重要的。用A B A Q U S E x p l i e i t F E M 程序进行模拟。软件采用的数字方法是被称为“中心 差分法”的显式时间积分。分成时步进行模拟计算，每个时 步时每个单元的瞬时位移、速度和加速度都将进行估算。 时步延续是一个关于系统最大震动的和它相关模型倾 倒的函数，这个函数主要取决于材料弹性参数和每一时步 的最小单元，用他来达到数值稳定性需求。换而言之，稳 定时步必须自由调节，因为网格的位移取决于最小单元。 近一步说，重复节点算法被运用于模型中，允许在撞击区 内的大变形以及提高模型的稳定性。所以，无论何时地面 单元被观测到过度位移时，有限元网格便会自动修复，单 元参数( 加速度和速度) 也会自动添加到新的网格中。模型 的建立过程如下： ( 1 ) 地面采用三维立体模型，有八个集成结点，赋予 土的材料是完全弹塑性体，采用D r u c k e r P r a g e r 屈服准则。 土工材料性质如下：内聚力9k P a ，内摩擦角3 4 。，变形模 量1 5 0 M P a ，泊松比0 3 。 ( 2 ) 撞击试块采用三维立体模型，有八个集成结点， 考虑成完全刚性体。 ( 3 ) 土工格栅采用平面壳单元，有四个集成结点，考 虑成完弹性体，拉伸弹性模量为2 5 0M P a ，这个数据是 C N R I C I T E ( 1 9 9 8 ) 和T e n a xS P A ( 1 9 9 9 ) 实验获得。 ( 4 ) 土工格栅和土块之间的相互作用采用“主从加权 补偿法”建模，这种接触算法在给定的表面( 即在地面和土 工格栅之间) 上于每一时步检查可能的网格冲突，并且计算 表面抗力并用于下一个计算时步，因此，在冲突体间事先 没有设定任何连接单元，区别于传统接触式接口中使用的 弹簧元件。 计算中土工格栅的内摩擦角假定成3 5 。 模型计算中的边界条件： ( 1 ) 限制平行于坐标轴的位移( v x = 0 ) 。 ( 2 ) 底部结点采用铰支承( V X = v y = V Z = 0 ) ，土和土工 格栅面上共有1 82 3 7 个结点和1 38 6 1 个单元。 数值模型作以下简化： ( 1 ) 防护路堤两侧的钢丝网未引入模型。 ( 2 ) 忽略滚石的变形能力。 ( 3 ) 忽略碰撞过程中因摩擦在路堤表面和滚石表面生 热作用。 ( 4 ) 把土壤看成是均匀和各向同性的材料，土壤中的 水、水的固结作用和孔隙水压力被忽略。 动能与时间和能量的百分比，他们在发生不可恢复的 变形( 主要是由于土的屈服和土工格栅的滑动摩擦引起) 过 程中逐渐耗散，他们的值将在每一个模型中进行计算。获 得的结果在撞击过程中对防护路堤的变形特征进行刻画， 同时提供可靠的数据，从一个工程师的角度对此现象获得 理解。 7 1 号实验反分析 设置动能为25 0 0k J ，对数值模型撞击显示，滚石在约 0 1S 时间内被路堤阻挡停下来，在x 和Y 方向加速度减小 呈一个三角变化，最大值约为7 5 0m s 2 。对位移分析表明： ( 1 ) 受直接影响层之上的层位都有抬升，因此，地面 和土工格栅之间的摩擦力减少，防护堤上部内部稳定性降 低。 ( 2 ) 由于地面强化路堤的各向异性，受到撞击直接影 响的层位平行的转化为土工格栅方向。 ( 3 ) 滚石陷入背面深度大约有0 3 8m ( 水平方向测 量) ，然而，总位移有0 7 lr l l ( 垂直到表面) 。 ( 4 ) 在对应的正面，最大挤出有O 2m ，出现在从地 面至上的第3 5 层。 ( 5 ) 顶层在撞击过程中向上抬升。所有的这些结果跟 实验有较好的吻合。在给定的表面( 即在地面和土工格栅之 间) 对可能破坏的的网格进行计算，并且计算表面的反力使 之用于下一时步计算。因此，在破坏块体之间没有预设的 任何连接单元，而一般是弹性单元连接。土土工格栅 的摩擦角在程序计算中被设为3 5 。 模型中的边界条件如下： ( 1 ) 平面于墙轴面的面不能沿轴发生位移( V X = 0 ) ， ( 2 ) 底部节点为铰结连接( V X = V Y = V Z = 0 ) ，网格由 1 82 3 7 个节点和1 38 6 1 个单元组成( 土和土工格栅) 。 图3F E M 数值模型立体图 笔者对模型作了如下简化： ( 1 ) 防护路堤两则的钢筋网格没有考虑在模型中。 ( 2 ) 忽略块体的变形。 8 2 号实验反分析 用一个动能41 0 0k J 碰撞的数学模型显示，岩块被防 护路堤阻停，用时0 1S ( 跟先前分析一样) ；减速呈一个三 角形趋势，在x 与Y 轴都最大约9 0 0 m s 2 。在0 1S 后，岩 块的速度开始反向，所以，岩块开始离开路堤面，然而， 随着土工格栅不同层间的滑移所带来的能量损失，路堤内 部仍呈动态变化。通过对位移的分析表明： ( I ) 受到直接冲击的地面土层隆起，所以土工格栅与 地面间的摩擦力更低，防护路堤上层内部的稳定性降低。 ( 2 ) 路堤里的冲击现象可以被细分成几个阶段：伴 随着土的部分隆起变形的土的压缩阶段，这阶段损失了大 量块体的动能，并停止于0 LS 以后；过渡阶段。在该阶 段中，土工格栅层间的摩擦损失了剩余能量，本例中， F E M 模型计算出在摩擦中损失的能量为7 5 0k J ，总能量的 1 8 。所得结果与通过加入实验2 中实测值来考虑层间接 触的摩擦力的分析计算值很好的吻合。 ( 3 ) 块体向上游的渗透深度( 沿x 轴测量) 有0 9 5m ， 然而，下游下测的最大挤出约有0 5m ，在3 5 层( 从地基 万方数据 向上) 。 数值模型的结果与实验结果也很好的吻合。只要结合 能量损失，可以看出，由于土壤的塑性变形，8 2 的能量 损失；而剩下的1 8 的能量损失是由于不同层问的摩擦引 起的，即是通常说的土工格栅间的滑动。最终，可以看出 土工格栅中的最大计算拉应力有1 5M P a ，在3 与4 层土工 格栅接触面上( 直接被岩块影响到部分) ，瞬时压力峰值点达 到3 0M P a 。这些压力峰值点证明土工格栅的塑性变形现象， 这些现象在实验中是非常明显的。 9 数值模型和分析方法比较 仍在F E M 数值模型结果和应用的力、位移之间作比 较，力与位移能够通过一些工艺的相关解析公式计算而得， 用来核实他们在滚石防护路堤初步设计中的应用。 其中最著名的关系式是K a r ( 1 9 7 8 ) 年提出的，这个关 系式的得出源于对路堤抛射的军事研究，他给出了抛射渗 透入路堤的深度值，从冲击能量值开始。这种关系在过去 地面防护路堤的设计中使用很频繁( P a r o n u z z i1 9 8 9 ) ，但是因 为结果受抛射物的形状和速度的影响很大，他与实际的滚 石现象中的形状和速度有很大的还同，他被应用到实际滚 石事件是很困难和不确定的。所以，K 盯( 1 9 7 8 ) 的关系式是 欠考虑的。 另外一个方程式可能给出更好的结果，他是为了定义 滚石对地面最大冲击力而被提出的。 提出的，他是在基于实验而发展起来的，计算出量化了的 人工滚石防护槽顶的最小土层厚度。 = 1 7 6 5 峨4 肛2 ( 聊) IK N I 式中，M E 表示土的弹性模量( k N m 2 ) ；R 表示冲击滚石 的曲率半径( m ) ；w 是滚石的重量( k N ) ；H 是滚落高度( m ) 。 ( 2 ) 这个关系式是由M a y n 和J o n e s ( 1 9 8 3 ) 提出的，他 源于实验中的地形动态压缩。 。罴 式中，r o 表示冲击物的半径；1 J 表示土的泊松比；G 表 示土的动态剪切模量。 从这个力值中，用以下的关系式可能估计最大的渗入 深度： 8 = 1 耐，F 一 式中，V 表示冲击速度；m 表示冲击岩块的质量；F 一 表示计算最大力值。 通过对比实验数据、解析公式和数值模型表2 ，可以得 到以下结论： ( 1 ) 解析关系式得到的渗入深度比实验值小。 ( 2 ) 数值模型得到的位移值和实验结果很好的吻合。 ( 3 ) 峰值冲击力值有一个三角形变化趋势。 ( 4 ) 用解析模型得到的峰值冲击力值比用F E M 数值模 型得到的结果大。 ( 5 ) 受到岩石块体直接影响的土层的滑动不能用解析 ( 1 ) 这个关系式由L a b i o u s e ( 1 9 9 6 ) 和M o n t a n l 等( 2 0 0 4 ) 模型正确的评估。 表2实验数据、数值模型和解析计算渗入深度和大力值的比较 冲击能：2 5 0 0k J冲击能：4 5 0 0k J 模型和足尺实验渗入深度mP 渗入深度m 峰值力k N峰值力k N M o n t a n ie ta L ( 2 0 0 4 ) 9 ，1 5 0 O 5 2 M E = 2 0M P ar = 0 6 0m s o i lt y p e1 M o n t a n ie ta L ( 2 0 0 4 ) 1 3 ，8 0 0 O 6 1 M E = 2 0M