劉 佳，平 凡

（贛州市水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，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)造良好的生物的生存環(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)造出漂亮的天然景觀[4-8]。

采用有限元數(shù)值模擬軟件，建立石籠擋土結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬，考慮3種填土壓實(shí)度、石籠高度、基礎(chǔ)延伸長(zhǎng)度等因素，對(duì)石籠護(hù)岸結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(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。

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。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3種型號(hào)，即1.0，0.5，0.4 m。

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。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)階梯型的石籠擋土結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，同時(shí)考慮了石籠高度（7，6，5 m）、基礎(chǔ)延伸長(zhǎng)度（0，1，2 m）。每層石籠高度為1 m，具體結(jié)構(gòu)尺寸和材料如圖1所示。

圖1 階梯型石籠（高度為7 m）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。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關(guān)作用，將兩者視為整體進(jìn)行考慮，其材料參數(shù)綜合考慮了兩者的共同作用，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)。

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。計(jì)算采用的材料力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 計(jì)算材料參數(shù)

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，具體計(jì)算工況如表2所示。

表2 計(jì)算工況

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

為方便計(jì)算，將填筑順序進(jìn)行以下處理。以方案1為例，當(dāng)基礎(chǔ)換填后，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。

為監(jiān)測(cè)施工過程中結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置如圖2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2 監(jiān)測(cè)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的模型中監(jiān)測(cè)點(diǎn)1—7和A點(diǎn)的監(jiān)測(cè)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，以及石籠擋墻前端變形數(shù)據(jù)如圖3（a）所示。

從圖3（a）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，填筑石籠結(jié)構(gòu)后，土壓力有一定幅度的衰減，從增長(zhǎng)規(guī)律來看，每層施工引起的土壓力增長(zhǎng)比較均勻（第2步和第4步填筑了2層）?；靥钔翂簩?shí)度對(duì)土壓力的影響較小，基本可忽略不計(jì)。

圖3 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)

圖4(（a）為施工結(jié)束后不同填土壓實(shí)度情況下階梯型石籠擋土結(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，在高程3～5 m之間，其水平位移達(dá)到最大。隨著填土壓實(shí)度的增大，水平位移明顯得到了降低，說明提高回填土的壓實(shí)度，即增加了回填土的粘結(jié)強(qiáng)度和摩擦強(qiáng)度，能減小石籠擋墻的變形。

3.2 不同石籠高度

從圖3（b）可觀察到，石籠高度對(duì)施工過程中墻背底部測(cè)點(diǎn)A的水平土壓力略有影響，在填筑第6步后，即填筑完第5層回填土后，石籠高度越低，其水平土壓力增長(zhǎng)速率越大，施工結(jié)束后，石籠高度越低，測(cè)點(diǎn)A的水平土壓力越小。

從圖4（b）發(fā)現(xiàn)，對(duì)于階梯型石籠擋土結(jié)構(gòu)，石籠高度越低，其墻外側(cè)的水平位移越小，當(dāng)石籠高度從7 m降至5 m后，其最大變形減小幅度達(dá)到近10 mm。

3.3 不同延伸長(zhǎng)度

圖3（c）為探討不同基礎(chǔ)延伸長(zhǎng)度對(duì)階梯型石籠擋土結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形的影響，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，基礎(chǔ)延伸至2 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 m和延伸2 m增加的土壓力基本一致。

從圖4（c）可說明，不同延伸長(zhǎng)度對(duì)階梯型擋土結(jié)構(gòu)的變形影響，發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)延伸長(zhǎng)度越大，反而增大了石籠墻體表面的水平位移，不過延伸長(zhǎng)度為1 m和2 m時(shí)的位移值相差不大。

圖4 施工結(jié)束后石籠擋土結(jié)構(gòu)水平位移變化趨勢(shì)

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。

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)行整理見圖5。

表3 不同計(jì)算工況下岸坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

4.1 不同填土壓實(shí)度

從圖5（a）可知，對(duì)于階梯型石籠擋土結(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2.11，2.15，2.18，總增幅為3.32%。

4.2 不同石籠高度

從圖5（b）可發(fā)現(xiàn)，對(duì)于階梯型石籠擋土結(jié)構(gòu)，當(dāng)石籠高度為5，6，7 m時(shí)，岸坡的穩(wěn)定性系數(shù)分別為2.92，2.48，2.18，總降幅為25.34%。

圖5 擋土結(jié)構(gòu)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(zhǎng)度

從圖5（c）中可得到，基礎(chǔ)延伸長(zhǎng)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(zhǎng)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。

5 結(jié)論

針對(duì)階梯型石籠護(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(zhǎng)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(zhǎng)度對(duì)階梯型石籠擋墻的影響較小，但延伸長(zhǎng)度超過1 m后對(duì)結(jié)構(gòu)的影響甚微，因此在工程中對(duì)基礎(chǔ)延伸長(zhǎng)度適當(dāng)控制即可。此外，由于模型的幾何結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)的原因，其最危險(xiǎn)滑裂面并不是深層滑動(dòng)，因此增加基礎(chǔ)延伸長(zhǎng)度對(duì)岸坡整體穩(wěn)定性基本無影響。