陳福全 劉斯航 張智超 李大勇

(①福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福州 350116，中國) (②國土資源部丘陵山地地質(zhì)災(zāi)害防治重點實驗室，福州 350002，中國)

0 引 言

落石是山區(qū)常見的自然危害。落石災(zāi)害給諸如公路、鐵路等處于山坡地帶的基礎(chǔ)設(shè)施帶來安全隱患，有時還會造成人員傷亡。例如，2015年4月22日，湖北省興山縣發(fā)生落石事故，一塊約7m3的落石砸中山體下方的一座工棚，該事件致5人死亡、2人受傷。如何針對落石問題提供合理的防護工程措施，已成為相關(guān)科研工作者和工程技術(shù)人員的研究問題(Volkwein et al.，2011)。落石防護措施包括預(yù)防巖塊從山體上脫落(主動防護)和在巖塊滾落過程中將其攔截或疏導(dǎo)(被動防護)。最主要的攔截措施有截石溝、滾石防護屏障和滾石防護擋墻(張路青，2003；張中儉等，2007；Vogel et al.，2009)。

滾石防護擋墻是豎直建造于斜坡上的大型土方工程，通常用于攔截大體積或高速滾落的山坡落石，能有效攔截具有高沖擊動能的巖塊滾落。對比滾石防護屏障，防護擋墻的優(yōu)點在于能承受極高的沖擊動能，所能承受的最大抗沖擊能力高于屏障，受撞擊后結(jié)構(gòu)破壞程度低，維修成本低，使用壽命長(Cerro et al.，2016)。

表 1 已有擋墻類型總匯Table1 Summary of existing embankment types

地點示意圖類型緩沖層擋墻材料瓦雷澤-意大利夯實土瓦萊達奧斯塔-意大利石塊烏迪內(nèi)-意大利 石籠網(wǎng)夯實土法國石籠瑞士木材、鋼筋加固的夯實土日本 沙袋土工布或土工格室加筋的夯實土瓦萊達奧斯塔-意大利 土工布、土工格柵或金屬網(wǎng)加筋的夯實土法國 石籠土工格柵加筋的夯實土

如今，人們已設(shè)計出各種不同類型的防護擋墻。表 1羅列了世界范圍內(nèi)所使用的具有代表性的擋墻，使用最廣泛的是加筋土擋墻。加筋土擋墻主要由夯實的天然砂土建造而成，利用土工合成材料等加筋材料進行加固，加筋材料可以顯著提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性(陳建峰等，2012；Heerten et al.，2013；王睿等，2016)。有些設(shè)計中還會在防護擋墻受撞擊面安置緩沖墊層進行保護。

然而，由于加筋土防護擋墻受撞擊后墻體變形大且不可逆、加筋土體應(yīng)力-應(yīng)變性狀非線性、土體與加筋材料接觸界面特性和它們之間相互作用機制的復(fù)雜性，在沖擊載荷作用下的加筋土防護擋墻設(shè)計是非常復(fù)雜的。落石災(zāi)害的問題在國內(nèi)研究時間較短，常是將其作為邊坡治理的附加研究，有關(guān)其防護措施的研究相對較少(張路青，2003；崔喆等，2018)。國內(nèi)關(guān)于滾石防護加筋土擋墻的理論研究滯后于工程應(yīng)用。通過總結(jié)國內(nèi)外已有文獻和試驗的研究成果，重點闡述受滾石撞擊的加筋土擋墻結(jié)構(gòu)響應(yīng)機理與主要設(shè)計原則，指出目前滾石防治的加筋土擋墻研究與設(shè)計的不足點，為今后研究提供參考。

1 研究概況

1.1 試驗研究

加筋土防護擋墻作為較大型基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)，需要足夠的建造空間。近年來，為驗證加筋土擋墻能夠成功攔截大體積或高速滾動的巖塊下落，科研人員對此進行了許多研究。第1次滾石防護加筋擋墻足尺試驗是由Hearn et al. (1995)完成的。試驗結(jié)構(gòu)為兩面無紡?fù)凉げ技咏畹牧⒚鎿鯄?。擋墻長24m，高度分別為3.1m和3.7m，厚度分別為1.8m和2.4m。試驗結(jié)果是加筋防護墻成功攔截滾石，墻體結(jié)構(gòu)并未發(fā)生致命破壞。通過試驗可以明確觀察到，受滾石撞擊后擋墻背面(撞擊面)形成一個坑洞，擋墻正面凸出，其凸出變形值隨其厚度的增加而減小。面對動能為1410kJ的滾石沖擊，兩例防護擋墻的最大正面凸出變形分別為0.756m和0.336m。Peila et al. (2007)進行了傳統(tǒng)加筋土防護擋墻足尺試驗，試驗結(jié)構(gòu)如圖 1a所示。試驗證實，加筋土擋墻能承受高沖擊動能的滾石多次撞擊，結(jié)果如表 2所示。Peila et al. (2007)采用高塑性黏土建造擋墻進行試驗對比。在略微增大結(jié)構(gòu)幾何尺寸條件下(圖 1b)，擋墻成功攔截相同沖擊動能滾石撞擊。試驗表明了采用黏土建造防護擋墻的可行性。Brandl(2011)根據(jù)1︰50的小比例模型試驗分析了土工布對滾石防護結(jié)構(gòu)的加筋作用。分別對土工布加筋防護擋墻和無加筋防護擋墻進行試驗，表明使用土工合成材料加筋能夠顯著提高擋墻的承載力。

圖 1 Peila試驗結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Reinforced embankment tested by Peilaa. 砂土試驗擋墻；b. 黏土試驗擋墻

表 2 部分試驗數(shù)據(jù)總匯Table2 Summary of some experimental data

作者類型高度/m厚度(上底/下底)/m沖擊能量/kJ變形正面/m背面(撞擊面)/mPeila et al. (2007)加筋土擋墻4.20.9/5.025000.170.604.20.9/5.041800.800.95未加筋擋墻4.20.9/5.04180破壞破壞Yoshida(1999)附有沙袋墊層加筋土擋墻4.03.3/5.39700.000.224.03.3/5.320000.094.03.3/5.327000.50Maegawa et al. (2011b)附有土工格室墊層加筋土擋墻4.22.2/4.312430.271.564.23.0/5.115670.091.444.22.2/4.320370.241.73

圖 2 沙袋墊層加筋土擋墻示意圖Fig. 2 Reinforced soil embankment by two layers of sand bags

日本學(xué)者提出了帶有受撞擊面層的加筋土防護擋墻設(shè)計方案(圖 2)。Obata et al. (1998)，Yoshida(1999)在加筋土擋墻背面附上兩道沙袋墊層，使?jié)L石撞擊至面層上，利用沙袋作為緩沖層，吸收滾石對加筋土防護擋墻墻體的沖擊能量。試驗中滾石對擋墻的沖擊能量為58～2700kJ。試驗結(jié)果證明，該結(jié)構(gòu)能有效攔截高沖擊動能滾石，沖擊能量在2000kJ以下時加筋土防護擋墻受滾石沖擊后產(chǎn)生的變形較小(表 2)。Maegawa et al. (2011a)對土工格室作為緩沖墊層的加筋土擋墻進行足尺試驗，分析緩沖墊層對擋墻攔截效能的影響。通過緩沖墊層厚度、擋墻受到的最大沖擊力和滾石穿透度等參數(shù)的比較分析，表明緩沖層能夠有效耗散部分的滾石沖擊動能，減少擋墻受撞擊后產(chǎn)生的變形。

圖 3 格賓加筋土擋墻示意圖Fig. 3 Schematic diagram of gabion-reinforced soil embankment

近年來，在帶防撞面層加筋土擋墻的基礎(chǔ)上發(fā)展出一種新型格賓滾石防護加筋結(jié)構(gòu)(圖 3)。該復(fù)合結(jié)構(gòu)采用石籠作為緩沖墊層，石籠內(nèi)填充不同的材料。其目的是利用填充材料的力學(xué)特性將滾石的沖擊動能轉(zhuǎn)化為應(yīng)變能，增加應(yīng)力擴散，減小結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力傳遞，使大部分能量耗散在石籠中，從而減小滾石對擋墻的沖擊能量。此類結(jié)構(gòu)相比于傳統(tǒng)加筋土擋墻占地面積更小，易于修復(fù)。不同的填充材料具有不同的力學(xué)特性。為研究格賓加筋土擋墻填充材料的最佳選擇，Lambert et al. (2009)對此類結(jié)構(gòu)進行了足尺試驗，對不同填充材料與邊界條件的土工格室面層進行沖擊響應(yīng)性狀研究。通過對撞擊過程中滾石沖擊力、受滾石撞擊作用下格室傳遞至基座的作用力等參數(shù)的記錄分析，發(fā)現(xiàn)采用粗顆粒(碎石)作為填充材料，允許側(cè)向變形的土工格室作為防護結(jié)構(gòu)的前置面層(受撞擊層)能極大程度上將沖擊動能轉(zhuǎn)化為變形能，有效吸收滾石對防護結(jié)構(gòu)的沖擊能量。Lambert et al. (2009)研究對象是結(jié)構(gòu)的單個格室，無法考慮結(jié)構(gòu)整體內(nèi)應(yīng)力擴散這一因素。Heymann et al. (2010)對格賓加筋土擋墻進行了1︰2比例模型試驗，評估砂石、砂石-輪胎碎屑混合物、碎石3種填充材料對結(jié)構(gòu)耗散滾石沖擊能量的影響。試驗結(jié)果證明，松散的細顆粒(砂石或砂石-輪胎碎屑混合物)是最佳內(nèi)側(cè)石籠墊層填充材料，能有效減少沖擊力的能量傳遞。

Aminata et al. (2008)對礫石填充的球墨鑄鐵面板墊層加筋擋墻進行了足尺試驗。根據(jù)滾石的沖擊力、速度、加速度以及結(jié)構(gòu)的變形和吸收能量等參數(shù)進行比較分析，指出此類面板作為緩沖層具有較高的耗散能力。Maegawa et al. (2011b)進行了格賓加筋土擋墻足尺試驗。擋墻由土工合成材料加筋砂土建造，附有礫石填充的土工格室緩沖面層。試驗結(jié)果表明，格賓加筋土擋墻能有效攔截滾石(表 2)。Maegawa et al. (2011b)還展示了滾石沖擊力與沖擊能量間的關(guān)系。Hennebert et al. (2014)考慮了此類結(jié)構(gòu)填充材料對環(huán)境的影響，評估了擋墻內(nèi)砂石-輪胎碎屑混合物填充材料對環(huán)境的危害。其指出除非發(fā)生火災(zāi)，材料殘留物為有害物質(zhì)外，正常使用狀態(tài)下此類填充材料對環(huán)境危害很小。

1.2 數(shù)值分析研究

試驗研究需要大型實驗設(shè)備，設(shè)備昂貴且操作復(fù)雜，在科研人員研究中有著諸多不便。數(shù)值模擬已經(jīng)與實際試驗同步發(fā)展，可以進行工程上復(fù)雜問題的定性分析，很好地反映加筋土防護擋墻受撞擊的響應(yīng)機理。目前，主要借助有限元法(FEM)和離散元法(DEM)兩種方法對受滾石撞擊影響的加筋土擋墻進行模擬研究。

Obata et al. (1999)使用有限元法對沙袋面板墊層的加筋土防護擋墻的受撞擊過程進行動態(tài)響應(yīng)分析。其分析了擋墻底部固定與擋墻底部滑動摩擦兩種模型。根據(jù)足尺試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的對比，確定了填土材料物理參數(shù)取值的合理性。Peila et al. (2007)利用ABAQUS/Explicit FEM進行模擬，對足尺試驗進行反分析。數(shù)值模型得到的位移值和試驗結(jié)果吻合良好，表明了有限元模擬的可行性。Ronco et al. (2009)在上述基礎(chǔ)上，分析了滾石撞擊加筋土擋墻過程中滾石沖擊能量的耗散過程及加筋土擋墻變形特征，提出防護擋墻設(shè)計原則。Ho et al. (2011)研究了沙面板墊層的沖擊響應(yīng)，對剪切模量、阻尼因子及邊界條件等參數(shù)的影響進行了分析。Murashev et al. (2014)模擬研究了不同土工格柵間距、有無鋼絲網(wǎng)的加筋土擋墻受滾石撞擊過程，揭示了滾石沖擊角度、格柵設(shè)置間距等參數(shù)對擋墻的影響。模擬結(jié)果充分反映各種類型的加筋土擋墻的攔截效能，認為數(shù)值模擬可用于優(yōu)化加筋土防護擋墻的設(shè)計。鄧力源等(2015)利用ANSYS/LS-DYNA軟件研究廢舊輪胎作為擋墻緩沖層材料受滾石沖擊時的耗能特點。分析表明，廢舊輪胎能有效減緩滾石對擋墻的沖擊，設(shè)置緩沖墊層是一種提高擋墻防護能力的有效方法。胡卸文等(2019)采用有限元與無限元耦合方法進行沖擊荷載作用下的防護擋墻結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析，利用“無限元”邊界減小應(yīng)力波在人工截斷邊界處反射造成的誤差。分析表明，格柵整體吸收的塑性應(yīng)變能較小，土體耗能能力遠大于格柵。

Toe et al. (2018)利用有限元模擬的結(jié)果建立元模型(Meta Model)，對落石防護結(jié)構(gòu)攔截落石事件的成功與否以及落石撞擊擋墻后沖擊動能消散程度進行預(yù)測。研究結(jié)果表明，該模型能夠準(zhǔn)確再現(xiàn)任何沖擊條件下防護結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)性狀，為擋墻設(shè)計提供了一種新方法。

有限元模擬操作便捷，但有些力學(xué)機制難以反映，如土顆粒轉(zhuǎn)動、土體大變形運動等。目前，離散元法廣泛用于研究顆粒材料的行為(Bertrand et al.，2005，2008；徐佩華等，2012)。由于石籠填充材料力學(xué)特性，科研人員更多利用離散元法研究格賓擋墻的沖擊響應(yīng)性狀。Plassiard et al. (2004)用離散元法模擬了高沖擊能量滾石撞擊格賓加筋土擋墻的過程。數(shù)值模型分析結(jié)果與試驗結(jié)果良好吻合，表明了離散元方法的可行性。Plassiard et al. (2009，2010)使用SDEC(Spherical Discrete Element Code)軟件研究格賓加筋土擋墻受撞擊過程，評估了滾石直徑、質(zhì)量、速度、撞擊高度、角度以及擋墻的幾何、力學(xué)特性等參數(shù)對結(jié)構(gòu)受撞擊響應(yīng)性狀的影響。研究表明，滾石的旋轉(zhuǎn)動能不可忽略，旋轉(zhuǎn)動能會造成碰撞過程中平動動能的增加；加筋土擋墻的耗散能力不僅取決于其力學(xué)特性，還取決于墻體幾何特性。Bertrand et al. (2007)利用PFC軟件對格賓加筋土擋墻進行了4次連續(xù)撞擊模擬實驗。實驗結(jié)果顯示，在4次相同的沖擊力下，相比第1次撞擊，后續(xù)撞擊產(chǎn)生的穿透度減小約一半，作用反力增大約一倍。第1次撞擊使格賓加筋土防護擋墻結(jié)構(gòu)特性發(fā)生明顯變化，耗散能力顯著下降。Bourrier et al. (2010，2011)對格賓擋墻進行多尺度數(shù)值模擬。通過石籠內(nèi)粗、細顆粒填充材料以及加筋土擋墻受撞擊響應(yīng)性狀的分析，對整體加筋土防護擋墻結(jié)構(gòu)的響應(yīng)性狀進行研究。

Breugnot et al. (2010，2016)用離散-連續(xù)耦合方法(Combined FDEM)研究加筋土擋墻受撞擊的響應(yīng)性狀。離散元法用于擋墻碰撞區(qū)的模擬，有限元法用于擋墻碰撞區(qū)外部分的模擬，該方法融合了有限元法和離散元法的優(yōu)點。

2 設(shè)計原則

2.1 針對落石軌跡的設(shè)計

一個指定區(qū)域是否需要設(shè)置落石防護措施首先需要進行落石風(fēng)險分析。落石風(fēng)險分析能夠?qū)χ付▍^(qū)域進行有效的災(zāi)害識別、預(yù)測和評價。國內(nèi)外許多學(xué)者對此進行過研究(Crosta et al.，2003；張路青，2003；Agliardi et al.，2009；周建昆等，2009；Genis et al.，2017；Mineo et al.，2018；王學(xué)良等，2018)。落石風(fēng)險分析需要綜合地區(qū)發(fā)生落石事件的概率、落石軌跡分析以及實際情況的預(yù)算成本等因素進行評估(Agliardi et al.，2009)。落石軌跡分析可通過地層類型、斜坡地形、巖塊質(zhì)量以及巖塊脫落位置等參數(shù)進行分析計算，提供落石飛行高度、飛行速度以及沖擊動能的統(tǒng)計分布，這在擋墻設(shè)計中起著重要作用(Bourrier et al.，2009a；Grimod et al.，2013；羅曉娟等，2015)。嚴格的落石軌跡分析需要收集現(xiàn)有資料、實地研究、模擬數(shù)據(jù)，然后使用軌跡分析方法進行數(shù)值模擬或試驗?zāi)M分析，最后還需要對結(jié)果進行驗證(Dorren et al.，2011)。Crosta et al. (2003)，Agliardi et al. (2003)使用落石模擬工具Stone進行落石風(fēng)險分析。Dorren et al. (2006)，Bourrier et al. (2009b)研究并改進了落石軌跡分析工具Rockyfor。研究結(jié)果表明，軌跡分析工具能夠很好地模擬出落石在山體斜坡中下落的運動軌跡。黃潤秋等(2007)，崔圣華等(2013)借助正交試驗對滾石進行模擬試驗。研究表明，試驗?zāi)M分析方法能準(zhǔn)確反應(yīng)滾石運動特征。

滾石防護加筋土擋墻設(shè)計首先根據(jù)落石飛行軌跡和速度推算建造防護擋墻的合理位置。此外，還需要根據(jù)現(xiàn)場施工設(shè)備的可到達性，通過實際和經(jīng)濟因素，進一步確定擋墻的最佳建造位置(Lambert et al.，2013)。其次是設(shè)計擋墻高度，根據(jù)落石最高飛行高度和擋墻上部土層厚度確定。Ronco et al. (2009)，Grimod et al. (2013)提出擋墻高度設(shè)計公式：

(1)

式中：γh為安全系數(shù)；hd為落石軌跡最大飛行高度(m)；hi為防護擋墻攔截高度(m)，即防護擋墻設(shè)計高度減去上部土層厚度。

防護擋墻上部土層厚度的定義是為防止?jié)L石撞擊至擋墻頂部附近位置，其值取決于滾石最大直徑，通常為滾石直徑的1～4倍(Lambert et al.，2017a)。防護擋墻頂部附近受滾石撞擊會使擋墻產(chǎn)生更大的變形，從而導(dǎo)致滾石翻滾過擋墻的現(xiàn)象出現(xiàn)(Breugnot et al.，2016)。除此之外，為防止?jié)L石翻滾過防護擋墻，Kister et al. (2017)指出，擋墻背面坡角設(shè)計為至少60°。當(dāng)今加筋土防護擋墻設(shè)計中，通常將墻背面坡角提高至80°(Nicot et al.，2007)。

2.2 擋墻穩(wěn)定性設(shè)計

解決有關(guān)落石軌跡方面的問題后，加筋土防護擋墻的設(shè)計需要考慮結(jié)構(gòu)受撞擊后的穩(wěn)定性問題。下面先對滾石撞擊擋墻的沖擊響應(yīng)性狀進行分析，然后介紹當(dāng)今設(shè)計方法。

2.2.1 滾石撞擊擋墻的響應(yīng)機理

擋墻的撞擊響應(yīng)通常根據(jù)擋墻受撞擊后的變形、滾石沖擊動能和速度的變化等參數(shù)進行分析。根據(jù)實驗和數(shù)值研究，擋墻受撞擊響應(yīng)具有以下特征：

(1)沖擊力只會對受撞擊區(qū)域附近的墻體造成影響，以壓縮波的形式從沖擊點開始呈截錐形向墻體后方傳播(Ronco et al.，2009)。防護墻其余部分沒有顯著的變化，仍然起到支撐作用，支撐著墻體受撞擊區(qū)域使其能夠發(fā)生擊實、滑動(Lambert et al.，2013)。當(dāng)壓縮波傳遞至墻體后方，由于防護擋墻正面為自由邊界，擋墻正面產(chǎn)生凸出變形。同樣，擋墻頂部為自由邊界，在沖擊過程中受直接撞擊位置之上的墻體會向上抬升，造成土體和加筋材料之間摩擦力減小，擋墻上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)部穩(wěn)定性降低(Peila et al.，2007)。撞擊響應(yīng)機制僅在擋墻一定區(qū)域結(jié)構(gòu)內(nèi)(受撞擊影響區(qū)域及其上部土層)發(fā)生，(Lambert et al.，2017a)稱其為沖擊擾動區(qū)。沖擊擾動區(qū)的幾何形狀取決于擋墻類型、幾何尺寸以及落石沖擊角度等因素。

(2)受撞擊區(qū)域內(nèi)填土材料發(fā)生擊實，加筋土層之間發(fā)生滑動摩擦。80%～85%的沖擊動能通過土體擊實的方式塑性耗散，15%～20%的沖擊動能通過加筋土層之間的滑動摩擦耗散(Ronco et al.，2009)。

(3)當(dāng)沖擊能量較大時，擋墻中部土層可能會產(chǎn)生平行于加筋層的張力裂縫，并導(dǎo)致穿過裂縫的加筋材料(如土工格柵)超荷，這反映了擋墻受沖擊過程中加筋材料抑制擋墻變形的過程(Peila et al.，2007)。

當(dāng)防護擋墻設(shè)有格賓緩沖層保護時，滾石撞擊至面層，沖擊動能以壓縮波的形式通過格賓墊層耗散后傳遞至擋墻?？紤]到石籠內(nèi)填充材料的力學(xué)特性，除了上述撞擊響應(yīng)特征外，還具有以下特點：

(1)墻體變形主要發(fā)生在粗顆粒填充的墊層內(nèi)。細顆粒填充墊層具有很高的彈性恢復(fù)特性，受撞擊后先產(chǎn)生彈性變形而后發(fā)生回彈(Lambert et al.，2014)。

(2)撞擊使墻體內(nèi)粒狀材料破碎，沖擊動能通過破碎、擊實和摩擦3種方式耗散，擊實耗散仍占主導(dǎo)地位(Heymann et al.，2010；Lambert et al.，2014)。粗顆粒的破碎限定了應(yīng)力傳遞的閾值，其值取決于顆粒材料的大小和強度(Lambert et al.，2009)。

(3)當(dāng)沖擊能量較大時，在墊層面板-擋墻界面附近的擋墻頂部會產(chǎn)生平行于交界面的裂縫(Lambert et al.，2014)。

加筋土防護擋墻受滾石撞擊后，受撞擊墻面(或防撞面層)凹陷并形成一個坑洞，擋墻正面產(chǎn)生凸出變形。正背面的變形值隨沖擊能量增大而增大，直至沖擊能量達到擋墻承載能力時結(jié)構(gòu)坍塌?；瑒幽Σ梁纳⒌哪芰侩S沖擊能量增大而增大(Ronco et al.，2009)。當(dāng)沖擊能量較小時，15%的沖擊動能通過滑動摩擦耗散，擋墻正面因滑動而凸出的變形值很小。滾石沖擊能量增大，滑動摩擦所耗散的能量慢慢趨于總能量的20%，擋墻正面變形值隨之增大。此外，相同沖擊動能下，對于相同厚度的加筋土擋墻，設(shè)有防撞面層的防護擋墻正面凸出變形值小于傳統(tǒng)防護擋墻。

2.2.2 現(xiàn)存設(shè)計方法

防護擋墻的穩(wěn)定性設(shè)計，即是設(shè)計合理的擋墻厚度，選擇合適的材料類型，保證受撞擊后結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定。大多數(shù)國家針對滾石防護加筋土擋墻穩(wěn)定性設(shè)計沒有給出明確的設(shè)計指南，當(dāng)今世界所使用的加筋土防護擋墻大多數(shù)是根據(jù)工程師經(jīng)驗設(shè)計的(Lambert et al.，2017b)。

目前，針對滾石防護加筋土擋墻穩(wěn)定性的設(shè)計方法有如下幾種。

(1)能量平衡法，即引入安全系數(shù)后的擋墻沖擊擾動區(qū)內(nèi)耗能能力需大于滾石沖擊能量(Ronco et al.，2009；Grimod et al.，2013)。擋墻耗能能力根據(jù)滾石穿透度(δ)以及擋墻正面凸出變形值計算而得，墻正面變形值即為不同剪切面的摩擦耗散能力，穿透度(δ)即為土體擊實耗散能力，可以通過滾石沖擊力計算(Peila et al.，2007；Ronco et al.，2009)，

(2)

滾石最大沖擊力Fmax根據(jù)由實驗結(jié)果推得的公式計算而得。在加筋土防護擋墻設(shè)計中，最早使用的是由Kar(1978)提出的計算公式。然而，由于計算結(jié)果受滾石形狀和速度影響很大，Kar模型中所使用的拋射物的形狀和速度與實際事件中的滾石差別較大，計算結(jié)果誤差較大(Peila et al.，2007)。目前，具有代表性的滾石最大沖擊力計算公式有：

(a)由Mayne et al. (1983)提出的關(guān)系式：

(3)

式中：G為土或緩沖層的動態(tài)剪切模量(kPa)；W為滾石重量(kN)；H為滾石下落高度(m)；r0為滾石半徑(m)；μ為土或緩沖層的泊松比。

(b)由Labiouse et al. (1996)為計算人工滾石防護槽槽頂?shù)淖钚⊥翂|層厚度而提出的關(guān)系式，

(4)

式中：ME為土或緩沖層的彈性模量(kPa)；R為滾石曲率半徑(m)。

(c)由Kawahara et al. (2006)提出的關(guān)系式：

(5)

(d)由楊其新等(1996)提出的關(guān)系式：

(6)

袁進科等(2014)對后3種最大沖擊力計算關(guān)系式得到的結(jié)果與實測沖擊力進行過比較。結(jié)果表明，計算關(guān)系式得到的結(jié)果都與實測值存在偏差，撞擊速度越大誤差越大。究其原因，最大沖擊力的計算關(guān)系式是通過靜態(tài)實驗的結(jié)果推導(dǎo)而得，各實驗都是在特定沖擊方式、特定結(jié)構(gòu)類型下進行，不具有廣泛性。

(2)沖擊強度準(zhǔn)則。Lambert et al. (2018)研究表明，防護擋墻受撞擊后正面凸出變形值小于擋墻寬度的25%。Lambert et al. (2018)為評估防護擋墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，提出了一種簡易的沖擊強度計算方法：

(7)

式中：KE為滾石沖擊動能(kJ);A為防護擋墻橫截面面積(m2)。

需要注意的是，這一沖擊強度準(zhǔn)則是根據(jù)已有文獻的試驗結(jié)果分析計算而得，適用范圍受滾石撞擊條件所限制：滾石直徑約為墻體高度一半，撞擊作用點在墻體中部范圍內(nèi)，撞擊角度大于25°，沖擊動能小于4500kJ。在此撞擊條件范圍的加筋土擋墻才能應(yīng)用這一強度準(zhǔn)則。

(3)數(shù)值模擬法。通過數(shù)值模擬的方法模擬滾石沖擊防護擋墻，得到設(shè)計擋墻受滾石撞擊后破壞程度的模擬結(jié)果，保證防護擋墻受撞擊后結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定。對于工程設(shè)計師來說，數(shù)值模擬軟件的操作更為復(fù)雜。因此，在工程實際中很少使用數(shù)值模擬的方法進行擋墻設(shè)計。數(shù)值模擬更多地被科研人員在研究中使用。

2.2.3 對已有方法的討論

上述加筋土防護擋墻設(shè)計方法各有特點和不足。

能量平衡法是對撞擊過程中滾石的平移動能和擋墻耗散的能量進行比較的一種解析法，計算方法較為完善。但需要設(shè)計人員先得知分別由壓實和摩擦引起的擋墻墻體體積變形量，這需要滾石沖擊能量及撞擊位置等數(shù)據(jù)。這一要求造成了該方法的局限性(Lambert et al.，2013)。

沖擊強度準(zhǔn)則計算簡單，適用于各類型擋墻。但它是根據(jù)已有足尺試驗數(shù)據(jù)結(jié)果得出的一種評估方法，只適用于受撞擊情況在條件范圍內(nèi)的防護擋墻。

相比于解析法，數(shù)值模擬法得到的結(jié)果更加準(zhǔn)確(Peila et al.，2007)。數(shù)值模擬能夠?qū)咏钔练雷o擋墻受撞擊過程進行結(jié)構(gòu)動力分析，全面考慮各參數(shù)對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。但局部沖擊荷載作用下土體和土工合成材料之間的相互作用機理尚未解決，材料內(nèi)的摩擦通過內(nèi)摩擦角和黏聚力表征，這些參數(shù)通常通過靜態(tài)實驗得到。因此，各種材料的沖擊響應(yīng)特征還有待于進一步研究，利用數(shù)值工具模擬的模型依然有待改進。

考慮經(jīng)濟因素，防護擋墻穩(wěn)定性設(shè)計最關(guān)鍵的問題在于攔截滾石后擋墻是否還具有防護能力，是否需要重新修建。如果結(jié)構(gòu)沒有明顯破壞，則認為擋墻的防護能力未發(fā)生變化；當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生較為明顯破壞后，需對其重新評估(Lambert et al.，2013)。無論使用解析法還是數(shù)值法進行評估，都需要已知滾石沖擊能量這一難以估算的數(shù)據(jù)。因此，更易維修的設(shè)有緩沖墊層的加筋土擋墻比普通加筋土擋墻更為經(jīng)濟實用。

3 結(jié)論與展望

從試驗研究、數(shù)值研究等方面總結(jié)了滾石防護加筋土擋墻研究概況，可以發(fā)現(xiàn)，加筋土擋墻作為最有效益的滾石防護設(shè)計之一，已經(jīng)被工程人員廣泛研究與應(yīng)用。但國內(nèi)對這方面的研究與使用卻明顯缺乏。

現(xiàn)有滾石防護加筋土擋墻的設(shè)計理論研究仍存在許多不足，滯后于工程實際應(yīng)用，以下幾個方面尚需進一步研究：

(1)加筋土防護擋墻受滾石沖擊的響應(yīng)特征取決于滾石沖擊力、擋墻材料類型及墻體尺寸?，F(xiàn)有解析模型大多數(shù)無法有效地計算沖擊力、穿透度及能量耗散等參數(shù)。從動力學(xué)方面對解析模型的全面研究還需進一步發(fā)展。

(2)由于對相關(guān)材料的實際沖擊響應(yīng)性狀的了解有限，對于滾石與擋墻、土工合成材料與土層之間的相互作用的數(shù)值模擬結(jié)果與實際作用機理差別明顯。不同土工材料的動力響應(yīng)性質(zhì)、土體與土工材料以及落石與擋墻間的撞擊響應(yīng)性狀需要進一步研究。

(3)已有文獻證明落石旋轉(zhuǎn)動能、撞擊角度在擋墻受沖擊響應(yīng)分析中不可忽略，但考慮滾石運動對防護擋墻攔截滾石效能影響的研究還很少。目前還沒有文獻提出將落石運動參數(shù)考慮在內(nèi)的防護擋墻基本設(shè)計方法。因此，在未來的研究中需要將滾石運動參數(shù)考慮在內(nèi)分析防護擋墻受沖擊響應(yīng)性狀，提出更完善的設(shè)計方法。