摘要
为了满足站场扩线落石防护范围需求,在既有棚洞防护措施基础上,提出了棚洞‑拦石墙组合结构。该结构底部为既有棚洞或新建门式基础,上部为锚索肋板式拦石墙。根据受力分析,计算了棚洞‑拦石墙组合结构稳定安全系数,并通过ANSYS/LS‑DYNA软件对落石冲击该组合结构的动力响应进行了研究。结果表明:棚洞‑拦石墙组合结构稳定安全系数较高,能够满足抗滑动和抗倾覆稳定性要求;落石冲击拦石墙面板后,受重力作用,会回弹继续冲击棚洞或新建门式基础顶板缓冲层;该组合结构能够抵抗落石对拦石墙的冲击作用,增加站场扩线防护范围。
随着中国铁路事业快速发展,交通干线逐渐向山区延伸,落石灾害越来越突出,时常危及铁路行车安全。例如,2010年5月23日,沪昆铁路余江至东乡段落石灾害,导致列车脱线,造成19人死亡,71人受伤。落石防护措施包括预防岩块从山体上脱落(主动防护)和在岩块滚落过程中将其拦截或疏导(被动防护
拦石墙是一种常见的危岩落石防护措施,其为刚性拦截结构物,可阻止大的落石侵入铁路限界,是使用最广泛的一种防护措施。卢谅
相对拦石墙而言,棚洞结构同样属于被动防护系统。Kishi
众多学者对棚洞和拦石墙进行了大量研究,两者各有优点,但对两者结合的防护措施鲜有报道。本文在既有棚洞防护措施基础上,为了解决站场扩线落石防护范围增加问题,结合拦石墙和棚洞结构各自优点,提出棚洞‑拦石墙组合防护结构,以期有效运用于落石防护区棚洞改造及站场扩线等落石防护范围不满足需求的地段,为中国铁路事业快速发展提供技术支撑。
新建黔江至张家界至常德铁路位于湘西北、鄂西南和渝东南交界地带,线路自渝怀铁路黔江站引出东行,沿途经重庆市、湖北省、湖南省,正线长336.3 km。沿线地形起伏较大,岩壁陡峻,基岩出露,地层为第四系全新统坡积粉质黏土、细角砾土,全新统及上更新统冲积粉质黏土、细(粗)圆砾土,下伏基岩为志留系下统龙马溪组页岩夹砂岩。地质灾害突出,其中以危岩落石不良地质灾害对铁路线路的危害较为严重。
工点地貌属低山山麓及澧水宽谷区,山坡坡度较陡,植被茂密。为防止落石,确保行车安全,运营部门曾增设了137 m长的棚洞工程,在自然边坡设主动防护网,并于山体坡麓处和棚洞顶部适当位置设一道被动防护网,建设初期效果较好。但由于硬质岩石边坡未设防护工程,边坡坡率高(1∶0.1~1∶0.3),导致运营期间曾发生山体坍塌及落石灾害,因此既有措施防护范围有限,不能满足工点车站扩场后防护宽度需要,亟待提出的新的解决方式。既有棚洞防护措施示意图如

图1 既有137 m长的棚洞
Fig. 1 The existing 137 m rock shed
由于新设工点车站为焦柳、黔张常两场并场,由单线铁路扩线成8股道规模,原有单线棚洞满足不了现有落石防护范围需求;已经修建的主被动网状防护结构长期处于野外自然环境下,养护维修不便,存在破损进而落石漏网隐患。为此,提出了在既有棚洞顶部或新建门式基础和顶板上加设锚索肋板式拦石墙的方案。
棚洞‑拦石墙组合结构分为上、下两层。其中下部结构共有两种形式。在既有棚洞地段,棚洞顶部开孔,新建墩柱基础落地,并在墩柱基础顶部设置水平横梁和纵梁,形成下部基础,拦石墙置于下部基础上面,解决了既有棚洞增加载荷难题;在左右两端没有棚洞地段,采用新建门式基础和顶板作为拦石墙下部基础,上面设置拦石墙。
棚洞‑拦石墙组合结构上部采用锚索肋板式拦石墙。锚索肋板式拦石墙沿线路纵向每隔3.5~5.5 m设置一道横向肋板,肋板内设置2道锚索,锚索被锚固到边坡中。拦石墙面板沿线路纵向贯通设置,面板每2跨设置一道横向伸缩缝,缝内填塞沥青麻筋。既有棚洞及新建门式基础顶板上方铺设一定厚度填土缓冲层。棚洞‑拦石墙组合结构设计方案如

图2 棚洞‑拦石墙组合结构设计方案
Fig. 2 Schematic design of rock shed ‑ rockfall embankments


图3 有棚洞地段棚洞‑拦石墙组合结构正视图和侧视图
Fig. 3 Front and side views of the rock shed‑rockfall embankments in the lot with rock shed


图4 无棚洞地段棚洞‑拦石墙组合结构正视图和侧视图
Fig. 4 Front and side views of the rock shed‑rockfall embankments in the lot without rock shed
由于棚洞‑拦石墙组合结构是一种新型结构,因此需要对其稳定性进行验算。
抗滑动稳定性指作用于该结构上的最大可能抗滑力与实际滑动力之比,用抗滑动稳定安全系数表示。棚洞‑拦石墙组合结构主要受锚索肋板墙重力、拦石墙面板墙重力、落石冲击荷载、上锚索拉力及下锚索拉力的作用。由于落石冲击荷载水平冲击拦石墙面板中间顶部位置时冲击力最大,使该结构容易倾倒而受到破坏。因此,保守计算,选择冲击力为水平方向。受力示意如

图5 棚洞‑拦石墙组合结构受力示意图
Fig. 5 Schematic diagram of the force on the rock shed‑ rockfall embankments
根据受力分析,棚洞‑拦石墙组合结构沿基底抗滑动稳定安全系数为:
(1) |
其中, 按下式计算:
(2) |
式中 为作用于基底上的总垂直力;为落石对墙体冲击力;为拦石墙基底与下部棚洞顶板摩擦因数;,分别为上下锚索拉力水平分力;,分别为上下锚索拉力垂直分力。
参考崩塌防治工程设计规范(T/CAGHP 032—2018
锚索倾斜角=11.5°,锚索极限抗拔承载力 kN。根据落石运动模拟软件计算结果,边坡上未设有主被动防护网措施时,落石在边坡底部最大冲击速度约20 m/s。虽然现场设有主被动防护网,为保守计算,选取现场代表性落石尺寸(直径0.5 m)以最大冲击速度20 m/s计算棚洞‑拦石墙组合结构的稳定性。参考文献[
抗倾覆稳定性指棚洞‑拦石墙组合结构在落石冲击作用下,棚洞‑拦石墙组合结构抵抗绕墙趾向外转动倾覆的能力,即稳定力系对墙趾总力矩与倾覆力系对墙趾总力矩的比值,用抗倾覆稳定安全系数表示。棚洞‑拦石墙组合结构的受力及力臂如

图6 棚洞‑拦石墙组合结构受力及力臂示意图
Fig. 6 Schematic diagram of the force and force arm of the rock shed‑rockfall embankments
根据受力分析,棚洞‑拦石墙组合结构抗倾覆稳定安全系数为:
(3) |
其中,稳定力系对墙趾的总力矩和倾覆力系对墙趾的总力矩分别如下:
(4) |
(5) |
式中 为稳定力系对拦石墙面板右墙趾总力矩;为倾覆力系对拦石墙面板右墙趾总力矩;,分别为上下锚索水平受力力臂;,分别为拦石墙肋板墙、面板墙重力力臂;为落石冲击力力臂。
参考崩塌防治工程设计规范(T/CAGHP 032—2018
为了模拟落石冲击棚洞‑拦石墙组合结构动力响应,采用ANSYS/LS‑DYNA软件进行数值模
ANSYS/LS‑DYNA软件冲击过程中动量方程为:
(6) |
式中 为柯西应力;为单位质量体积力;为加速度。
根据质量守恒原理有:
(7) |
式中 为质量密度;J为三维空间位置移动量;为初始质量密度。
能量方程为:
(8) |
式中 为现时构形的体积;为偏应力;为应变率张量;p为压力;为体积黏性阻力。
根据上述软件能够对冲击过程中动力响应进行分析。
棚洞‑拦石墙组合结构面板之间设有横向伸缩缝,故选取其中某单块面板进行分析。棚洞‑拦石墙组合结构主要由落石、锚索肋板式拦石墙、既有棚洞、填土缓冲层4部分组成。落石简化为球体,直径为0.5 m;拦石墙面板沿线路纵向长9 m,高8.5 m,厚80 cm;棚洞沿线路纵向长9 m,侧面宽10 m,厚80 cm;棚洞上覆盖50 cm厚度填土缓冲层。有限元模型按照实际尺寸进行建模,采用solid164实体单元,单元尺寸设置5 cm。土体与墙体之间建立接触,以便进行力的传递,结构中的阻尼选用软件中推荐的阻尼系数进行计算。由于锚索对拦石墙起到稳定作用,为了增加计算效率,把锚索对拦石墙的作用力施加到肋板墙侧面。建立的三维数值模型如

图7 三维数值模型图
Fig. 7 Numerical model diagram
落石、肋板式拦石墙、既有棚洞采用各向同性线弹性模型(Linear Elastic),该材料模型本构关系为:
(9) |
式中 为应力率;为材料弹性常数;为应变率。
缓冲土层采用双线性各向同性弹塑性模型(Bilinear Isotropic),该模型下填土层的屈服强度为:
(10) |
式中 为屈服应力;为静屈服强度;为塑性硬化模量;为有效塑性应变。
本文主要研究落石对棚洞‑拦石墙组合结构的冲击作用,不涉及混凝土结构中钢筋受力,保守起见,以混凝土弹性模量代替钢筋混凝土弹性模量。模型中落石、肋板式拦石墙、既有棚洞、填土缓冲层的材料参数如
材料 | 密度/(kg | 弹性模量/GPa | 泊松比 | 内摩擦角/(°) | 黏聚力/kPa |
---|---|---|---|---|---|
落石 | 2500 | 25 | 0.25 | - | - |
肋板式拦石墙 | 2500 | 31.5 | 0.2 | - | - |
既有 棚洞 | 2550 | 33 | 0.2 | - | - |
缓冲层 | 1870 | 0.035 | 0.37 | 35 | 17 |
选用Automatic (ASTS)接触,使落石无论接触拦石墙面板还是填土缓冲层,都能够自动搜索接触面建立接触,以更好地反映实际情况。
为了增加计算效率,选取落石下落后与拦石墙面板接触之前某特定时刻作为分析初始时刻,并赋予落石20 m/s的水平初始速度,计算时间为2 s。
对落石施加重力加速度,以便观察落石冲击后的运动过程。
落石冲击拦石墙面板有可能造成拦石墙面板倾覆,因此有必要对拦石墙面板位移进行分析,以判断整个过程中拦石墙面板最大位移值。整个冲击过程中,拦石墙面板位移时程曲线如

图8 拦石墙面板位移时程曲线
Fig. 8 Displacement time course curve of rockfallembankment panel
从
落石与拦石墙面板接触后,并未产生较大位移,说明拦石墙面板在落石冲击下并未产生倾覆,锚索肋板式拦石墙结构形式比较合理,能够承受落石冲击作用。
落石冲击拦石墙面板速度动力响应如

图9 拦石墙面板速度时程曲线
Fig. 9 Velocity time course curve of rockfall embankment panel
从
落石冲击拦石墙面板加速度动力响应如

图10 拦石墙面板加速度时程曲线
Fig. 10 Acceleration time course curve of rockfallembankment panel
从
落石冲击时,拦石墙面板应力云图如

图11 棚洞‑拦石墙应力云图(t=0.5 s)
Fig. 11 Stress cloud diagram of rock shed‑rockfall embankments (t=0.5 s)
落石冲击拦石墙面板后,在肋板墙与拦石墙面板接口处产生了最大应力,通过对整个动力响应过程的分析,最大应力值约为23.46 MPa。因此,肋板墙与拦石墙面板接口处最易受到破坏,在设计施工中应加强此处强度指标,防止结构破坏。
落石冲击拦石墙面板后,速度方向发生改变,受重力作用落石下落冲击棚洞或新建门式基础顶板缓冲层。因此有必要对顶板上方铺设的填土缓冲层进行动力响应分析。
落石下落冲击缓冲层后,缓冲层竖向位移时程曲线如

图12 缓冲层竖向位移时程曲线
Fig. 12 Vertical displacement time course curve of buffer layer
从
落石与缓冲层接触后(1.1 s之后),缓冲层开始产生较大竖向位移,最大位移为25 cm。之后竖向位移有一定回升,但未回到接触之前位置,说明缓冲层不仅产生了弹性变形还产生了塑性变形。竖向位移时程曲线有两个较大峰值(1.1 s之后),说明落石冲击缓冲层后发生反弹并重新跌落,对缓冲层产生了二次冲击;在此之后,缓冲层竖向位移逐渐稳定在16 cm左右。
棚洞‑拦石墙组合结构为防护危岩落石的一种新型组合结构,能够解决落石防护区棚洞改造及站场扩线等落石防护范围不满足需求的问题。本文计算了棚洞‑拦石墙组合结构稳定性,并利用ANSYS/LS‑DYNA软件分析了落石冲击棚洞‑拦石墙组合结构的动力响应规律,得出如下结论:
(1) 棚洞‑拦石墙组合结构稳定安全系数较高,能够抵抗落石对其的冲击作用;
(2) 落石冲击棚洞‑拦石墙组合结构面板,会使面板产生振荡位移、速度以及加速度,面板通过振荡效应消耗了冲击能量,根据曲线趋势,最终会使面板位移、速度、加速度逐渐降为零;
(3) 在落石冲击棚洞‑拦石墙组合结构过程中,肋板墙与面板墙接口处最易受到破坏,在设计中应提交此处强度指标;
(4) 落石冲击棚洞‑拦石墙组合结构面板后速度方向发生改变,受重力作用会继续下落冲击既有棚洞或门式基础顶板缓冲层。
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