直立型石籠護(hù)岸結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形及岸坡穩(wěn)定性影響因素分析

許長云

(江西省贛州市天鷹勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，江西 贛州 341000)

0 引 言

現(xiàn)代城市河流的治理除防洪外就是沿堤岸形成園林化景觀以及河流的水質(zhì)環(huán)保問題。因此，合理科學(xué)地建設(shè)城市堤防工程對(duì)保護(hù)河岸生態(tài)、控制生態(tài)破壞是十分必要的[1-3]。

生態(tài)型護(hù)岸型式能夠增進(jìn)河岸與河水的滲透性能，創(chuàng)造良好的生物生存環(huán)境，進(jìn)而促進(jìn)河道生物的多樣性，加強(qiáng)河水的自凈能力，同時(shí)也可創(chuàng)造出美麗的天然景觀[4-6]。

本文采用有限元數(shù)值模擬軟件，建立了石籠擋土結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型，考慮了3種填土壓實(shí)度、石籠高度、基礎(chǔ)延伸長度等因素，對(duì)石籠護(hù)岸結(jié)構(gòu)進(jìn)行了應(yīng)力變形分析及岸坡穩(wěn)定性分析，并對(duì)各因素進(jìn)行了敏感性分析。

1 生態(tài)型石籠擋土結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

石籠護(hù)岸結(jié)構(gòu)，也稱格賓結(jié)構(gòu)，早在古代就出現(xiàn)過，古人采用藤條編成的竹籠框里面填筑石塊，用于封堵河道缺口，比如在都江堰修建時(shí)，石籠結(jié)構(gòu)被大量運(yùn)用于水利工程的建設(shè)中[7-9]。

在國內(nèi)，石籠結(jié)構(gòu)用于河道護(hù)岸結(jié)構(gòu)的工程較多，大體上可以分為重力式擋墻結(jié)構(gòu)和加筋土擋墻結(jié)構(gòu)，其中重力式擋墻結(jié)構(gòu)又分為直背型和階梯型。如圖1所示，石籠結(jié)構(gòu)是由六邊形鋼線組成的方形籠子，具有六角形的網(wǎng)孔，內(nèi)部填筑塊石，塊石適用當(dāng)?shù)厣襟w石料。按高度分類，石籠網(wǎng)箱有三種型號(hào)，即1.0 m、0.5 m和0.4 m。

圖1 石籠及石籠擋土結(jié)構(gòu)斷面示意圖

2 石籠護(hù)岸結(jié)構(gòu)有限元模型建立

2.1 有限元幾何程序的確定

MIDAS-GTS是一款針對(duì)巖土領(lǐng)域研發(fā)的通用有限元分析軟件，不僅支持線性/非線性靜力分析、線性/非線性動(dòng)態(tài)分析、滲流和固結(jié)分析、邊坡穩(wěn)定分析、施工階段分析等多種分析類型，而且可以進(jìn)行滲流-應(yīng)力耦合、應(yīng)力-邊坡耦合、滲流-邊坡耦合、非線性動(dòng)力分析-邊坡耦合分析。廣泛運(yùn)用于地鐵隧道、邊坡、基坑、樁基、水利工程、礦山工程等各種工程的建模分析。本文采用此軟件對(duì)石籠擋土結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力變形、邊坡穩(wěn)定性分析。

2.2 石籠護(hù)岸結(jié)構(gòu)的幾何模型

采用有限元數(shù)值計(jì)算軟件，針對(duì)直立式的石籠擋土結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，同時(shí)考慮了石籠高度(7.0 m、6.0 m、5.0 m)、基礎(chǔ)延伸長度(0 m、1.0 m、2.0 m)。每層石籠高度為1.0 m，具體結(jié)構(gòu)尺寸和材料詳見模型幾何簡(jiǎn)圖如圖2。

圖2 直立型石籠擋土結(jié)構(gòu)計(jì)算工況簡(jiǎn)圖

2.3 計(jì)算假定及材料參數(shù)

為了探討石籠擋土結(jié)構(gòu)在施工過程中岸坡的力學(xué)響應(yīng)以及岸坡的穩(wěn)定性，采用了有限元數(shù)值計(jì)算軟件進(jìn)行分析。

雖然在實(shí)際工程中石籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)由石籠和塊石填料所組成，但工程中關(guān)注的是石籠擋土結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性以及其對(duì)岸坡的固坡效應(yīng)，因此，在數(shù)值模擬之前，提出以下假定：①假設(shè)石籠網(wǎng)與塊石填料之間無相互滑移，將兩者視為整體進(jìn)行考慮，材料采用理想彈塑性本構(gòu)模型，屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則；②將石籠塊石填料考慮成連續(xù)介質(zhì)。

計(jì)算所采用的材料力學(xué)參數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[10]進(jìn)行取值，如表1所示。

表1 計(jì)算材料參數(shù)

在有限元計(jì)算分析中，根據(jù)以下步驟進(jìn)行操作：①建立幾何模型；②對(duì)材料進(jìn)行分區(qū)，設(shè)置材料參數(shù)；③劃分有限元網(wǎng)格；④對(duì)模型施加重力和模型邊界條件，其中模型兩側(cè)施加水平約束，底部施加固定約束；⑤對(duì)原始地基進(jìn)行初始地應(yīng)力分析；⑥對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行換填；⑦分層施工石籠、填土，先施工石籠結(jié)構(gòu)，然后再填土，逐步施工至結(jié)束；⑧回填土體上部加工作荷載。⑨執(zhí)行計(jì)算，并分析。

2.4 計(jì)算工況

針對(duì)石籠擋土護(hù)岸結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，主要分析其在施工過程中的應(yīng)力變形情況以及不同因素對(duì)護(hù)岸結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。

工況1～3探討填料壓實(shí)度的影響，工況3～5探討石籠結(jié)構(gòu)高度的影響，工況3、6、7探討石籠結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)換填延伸長度的影響。

為方便計(jì)算，本文將填筑順序進(jìn)行以下處理。以工況1為例，當(dāng)基礎(chǔ)換填后，本文其分層填筑過程如下：①石籠第1～2層填筑；②填筑第1～2層回填土；③石籠第3～4層填筑；④填筑第3～4層回填土；⑤石籠第5層填筑；⑥填筑第5層回填土；⑦石籠第6層填筑；⑧填筑第6層回填土；⑨石籠第7層填筑；⑩填筑第7層回填土。

模型網(wǎng)格劃分圖如圖3所示。

表2 計(jì)算工況

圖3 模型網(wǎng)格劃分圖

為監(jiān)測(cè)施工過程中結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形數(shù)據(jù)，計(jì)算點(diǎn)設(shè)置如圖4所示，其中1～7點(diǎn)為監(jiān)測(cè)施工過程中的變形情況，A點(diǎn)為監(jiān)測(cè)水平、豎向應(yīng)力情況。

圖4 計(jì)算點(diǎn)示意圖

3 施工過程應(yīng)力變形分析

3.1 不同填土壓實(shí)度

通過提取工況1～7的模型中計(jì)算點(diǎn)1～7和A點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)，得到石籠擋墻墻背底部測(cè)點(diǎn)A的水平土壓力變化趨勢(shì)以及石籠擋墻前端變形數(shù)據(jù)。

從圖5可以看出，隨著填筑過程的進(jìn)行，測(cè)點(diǎn)A的水平土壓力逐漸增大，每次填筑回填土后，土壓力有一定幅度的增加，從增長規(guī)律來看，每層施工引起的土壓力增長比較均勻(第2步和第4步填筑了2層)。通過對(duì)比，發(fā)現(xiàn)回填土壓實(shí)度越高，墻背底部測(cè)點(diǎn)A的水平土壓力越小，說明提高回填土的壓實(shí)度有利于石籠結(jié)構(gòu)的受力。

圖5 施工過程中石籠擋土結(jié)構(gòu)A點(diǎn)水平土壓力變化趨勢(shì)(不同填土壓實(shí)度)

圖6 施工結(jié)束后石籠擋土結(jié)構(gòu)水平位移變化趨勢(shì)(不同填土壓實(shí)度)

圖6為施工結(jié)束后不同填土壓實(shí)度情況下石籠擋土結(jié)構(gòu)墻背水平位移變化趨勢(shì)。從水平位移規(guī)律分布情況來看，最大位移點(diǎn)并不處于石籠結(jié)構(gòu)的兩端部，而是出現(xiàn)在石籠擋土結(jié)構(gòu)的中部。由此說明，在回填土和頂部荷載引起的側(cè)向土壓力作用下，石籠擋土結(jié)構(gòu)有向外側(cè)傾斜的趨勢(shì)，其最大變形點(diǎn)處于墻中部，即向外鼓出。從數(shù)值大小來看，填土壓實(shí)度增大，石籠擋墻中下部的變形略有減小。

3.2 不同石籠高度

圖7為不同石籠高度對(duì)墻背底部測(cè)點(diǎn)A的水平土壓力的影響。從圖中發(fā)現(xiàn)，石籠高度越小，測(cè)點(diǎn)A的水平土壓力增長速度越快，施工結(jié)束后，三種工況下測(cè)點(diǎn)A的水平土壓力基本一致。

圖7 施工過程中石籠擋土結(jié)構(gòu)A點(diǎn)水平土壓力變化趨勢(shì)(不同石籠高度)

從圖8發(fā)現(xiàn)，對(duì)于石籠擋墻下部，石籠高度越大，其水平位移越??；對(duì)于石籠擋墻上部，石籠高度越大，其水平位移越大。在墻高4.0 m處，鼓脹變形達(dá)到最大，且石籠高度為7.0 m時(shí)其水平位移越小。

圖8 施工結(jié)束后石籠擋土結(jié)構(gòu)水平位移變化趨勢(shì)(不同石籠高度)

3.3 不同延伸長度

為探討不同基礎(chǔ)延伸長度對(duì)石籠擋土結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形的影響，給出圖9。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，基礎(chǔ)延伸至2.0 m后，墻背底部測(cè)點(diǎn)A的水平土壓力較基礎(chǔ)未延伸時(shí)增加了10 kPa左右，延伸1.0 m和延伸2.0 m增加的土壓力基本一致。

圖9 施工過程中石籠擋土結(jié)構(gòu)A點(diǎn)水平土壓力變化趨勢(shì)(不同延伸長度)

從圖10可說明，基礎(chǔ)延伸后，石籠擋土結(jié)構(gòu)中部的鼓脹變形得到了減小，而頂部變形發(fā)生增大。隨著延伸長度的增加，中部變形逐步減小，不過延伸1.0 m和延伸2.0 m效果基本一致，因此在本模型，為提供石籠擋墻的穩(wěn)定性，基礎(chǔ)延伸至1.0 m即可。

圖10 施工結(jié)束后石籠擋土結(jié)構(gòu)水平位移變化趨勢(shì)(不同延伸長度)

4 擋土結(jié)構(gòu)對(duì)岸坡穩(wěn)定性影響

采用有限元強(qiáng)度折減法對(duì)各方案的岸坡模型進(jìn)行穩(wěn)定性分析，計(jì)算結(jié)果如表3。

表3 不同計(jì)算工況下岸坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

從表3發(fā)現(xiàn)，回填土上方加荷后的穩(wěn)定性系數(shù)較填筑結(jié)束時(shí)的穩(wěn)定性系數(shù)略有下降，降幅在6.25%～8.06%之間。為進(jìn)行因素敏感性分析，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并作圖，分析結(jié)果如下。

4.1 不同填土壓實(shí)度

從圖11可知，對(duì)于石籠擋土結(jié)構(gòu)，當(dāng)回填土壓實(shí)度為90%、93%、95%時(shí)，岸坡穩(wěn)定性系數(shù)分別為2.73、2.80、3.05，總增幅為11.72%，說明提高回填土壓實(shí)度對(duì)岸坡的穩(wěn)定性是有利的。

圖11 不同填土壓實(shí)度對(duì)石籠岸坡穩(wěn)定性系數(shù)的影響

4.2 不同石籠高度

從圖12可知，當(dāng)石籠高度為5.0 m、6.0 m、7.0 m時(shí)，岸坡的穩(wěn)定性系數(shù)分別為3.78、3.36、3.05，總降幅為19.31%。

圖12 不同石籠高度對(duì)石籠岸坡穩(wěn)定性系數(shù)的影響

顯然，岸坡越高，穩(wěn)定性系數(shù)越小，在實(shí)際施工時(shí)，應(yīng)合理控制石籠擋土結(jié)構(gòu)的高度。

4.3 不同基礎(chǔ)延伸長度

圖13 不同基礎(chǔ)延伸長度對(duì)石籠岸坡穩(wěn)定性系數(shù)的影響

從圖13中可得到，基礎(chǔ)延伸長度對(duì)岸坡的穩(wěn)定性影響幾乎可忽略不計(jì)，分析其原因，主要是因?yàn)楸疚慕⒌陌镀履Ｐ椭凶钗ｋU(xiǎn)滑弧并不是深層滑動(dòng)形式，此外，原地基土體強(qiáng)度參數(shù)并未遠(yuǎn)小于石籠的參數(shù)，因此基礎(chǔ)延伸長度的加大對(duì)岸坡整體穩(wěn)定性的影響并不是很明顯，其目的主要是為了增強(qiáng)地基承載能力。

4.4 典型滑弧分析

以工況3中石籠高度為7.0 m、基礎(chǔ)延伸長度0 m、壓實(shí)度95%為例，采用強(qiáng)度折減法對(duì)施工結(jié)束后的岸坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，得到岸坡的位移矢量圖及最大剪應(yīng)變?cè)茍D，見圖14和圖15。

圖14 工況3岸坡位移矢量圖(強(qiáng)度折減法)

圖15 工況3岸坡塑性應(yīng)變?cè)茍D(強(qiáng)度折減系數(shù)=3.05)

從圖14可看出該岸坡有失穩(wěn)滑動(dòng)的變形趨勢(shì)，圖中黑色的曲線為大變形區(qū)域與小變形區(qū)域的分界線，與圖15中的最大剪應(yīng)變區(qū)域一致，可代表該岸坡的最危險(xiǎn)滑弧，均通過了第二層石籠填筑體(石籠高度2.0 m處)。

圖16 工況3石籠結(jié)構(gòu)變形云圖(強(qiáng)度折減法)

單獨(dú)觀察石籠結(jié)構(gòu)的變形，從圖16可發(fā)現(xiàn)，在第四層石籠填筑層(石籠高度為4.0 m處)，水平位移發(fā)生最大，與第3節(jié)描述相符合。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)直立式石籠護(hù)岸結(jié)構(gòu)，采用有限元數(shù)值模擬手段，考慮回填土壓實(shí)度、石籠高度、基礎(chǔ)延伸長度，對(duì)石籠擋土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變形及岸坡的穩(wěn)定性進(jìn)行敏感性分析。

結(jié)果表明，提高回填土的壓實(shí)度，有利于減小石籠擋墻的變形，同時(shí)有利于提高岸坡整體的穩(wěn)定性；石籠擋墻高度越低，其自身穩(wěn)定性及岸坡穩(wěn)定性越高；基礎(chǔ)延伸長度有利于石籠擋墻的穩(wěn)定性，因此在工程中對(duì)基礎(chǔ)延伸長度適當(dāng)控制即可。此外，在本文模型的幾何結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)的條件下，岸坡最危險(xiǎn)滑裂面并不是深層滑動(dòng)，因此增加基礎(chǔ)延伸長度對(duì)岸坡整體穩(wěn)定性基本無影響。