階梯型石籠護岸結(jié)構(gòu)及岸坡穩(wěn)定性分析

劉 佳，平 凡

（贛州市水利電力勘測設(shè)計研究院，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)城市堤防工程對保護河岸生態(tài)、控制生態(tài)破壞是十分必要的[1-3]。

生態(tài)型護岸型式能夠增進河岸與河水的滲透性能，創(chuàng)造良好的生物的生存環(huán)境，進而促進河道生物的多樣性，加強河水的自凈能力，同時也可創(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種填土壓實度、石籠高度、基礎(chǔ)延伸長度等因素，對石籠護岸結(jié)構(gòu)進行應(yīng)力變形分析及岸坡穩(wěn)定性分析，并對各因素進行敏感性分析。

1 生態(tài)型石籠擋土結(jié)構(gòu)特點

石籠護岸結(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，石籠結(jié)構(gòu)被大量運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，即1.0，0.5，0.4 m。

2 石籠護岸結(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、非線性動力分析-邊坡耦合分析。廣泛運用于地鐵隧道、邊坡、基坑、樁基、水利工程、礦山工程等各種工程的建模分析。采用此軟件對石籠擋土結(jié)構(gòu)進行應(yīng)力變形、邊坡穩(wěn)定性分析。

2.2 石籠護岸結(jié)構(gòu)的幾何模型

采用有限元數(shù)值計算軟件，針對階梯型的石籠擋土結(jié)構(gòu)進行建模，同時考慮了石籠高度（7，6，5 m）、基礎(chǔ)延伸長度（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)計算工況簡圖

2.3 計算假定及材料參數(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)值計算軟件進行分析。在實際工程中，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)。

在有限元計算分析中，根據(jù)以下步驟進行操作：①建立幾何模型；②對材料進行分區(qū)，設(shè)置材料參數(shù)；③劃分有限元網(wǎng)格；④對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對原始地基進行初始地應(yīng)力分析；⑥對基礎(chǔ)進行換填；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)行計算，并分析。計算采用的材料力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 計算材料參數(shù)

2.4 計算工況

針對石籠擋土護岸結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬，主要分析其在施工過程中的應(yīng)力變形情況，以及不同因素對護岸結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，具體計算工況如表2所示。

表2 計算工況

方案1～3探討填料壓實度的影響，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)換填延伸長度的影響。

為方便計算，將填筑順序進行以下處理。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)測施工過程中結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形數(shù)據(jù)，監(jiān)測點設(shè)置如圖2所示，其中1～7點為監(jiān)測施工過程中的變形情況，A點為監(jiān)測水平、豎向應(yīng)力情況。

圖2 監(jiān)測點示意圖

3 施工過程應(yīng)力變形分析

3.1 不同填土壓實度

通過提取工況1—7的模型中監(jiān)測點1—7和A點的監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到石籠擋墻墻背底部測點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，隨著填筑過程的進行，測點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）?；靥钔翂簩嵍葘ν翂毫Φ挠绊戄^小，基本可忽略不計。

圖3 施工過程中石籠擋土結(jié)構(gòu)A點水平土壓力變化趨勢

圖4(（a）為施工結(jié)束后不同填土壓實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。從水平位移規(guī)律分布情況來看，在高程3～5 m之間，其水平位移達到最大。隨著填土壓實度的增大，水平位移明顯得到了降低，說明提高回填土的壓實度，即增加了回填土的粘結(jié)強度和摩擦強度，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，石籠高度對施工過程中墻背底部測點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，其水平土壓力增長速率越大，施工結(jié)束后，石籠高度越低，測點A的水平土壓力越小。

從圖4（b）發(fā)現(xiàn)，對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到近10 mm。

3.3 不同延伸長度

圖3（c）為探討不同基礎(chǔ)延伸長度對階梯型石籠擋土結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形的影響，對比發(fā)現(xiàn)，基礎(chǔ)延伸至2 m后，墻背底部測點A的水平土壓力較基礎(chǔ)未延伸時增加了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，不同延伸長度對階梯型擋土結(jié)構(gòu)的變形影響，發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)延伸長度越大，反而增大了石籠墻體表面的水平位移，不過延伸長度為1 m和2 m時的位移值相差不大。

圖4 施工結(jié)束后石籠擋土結(jié)構(gòu)水平位移變化趨勢

4 擋土結(jié)構(gòu)對岸坡穩(wěn)定性影響

采用有限元強度折減法對各方案的岸坡模型進行穩(wěn)定性分析，計算結(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)束時的穩(wěn)定性系數(shù)略有下降，降幅在6.25%～8.06%之間。為進行因素敏感性分析，對數(shù)據(jù)進行整理見圖5。

表3 不同計算工況下岸坡穩(wěn)定性計算結(jié)果

4.1 不同填土壓實度

從圖5（a）可知，對于階梯型石籠擋土結(jié)構(gòu)，當(dāng)回填土壓實度為90%，93%，95%時，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)，對于階梯型石籠擋土結(jié)構(gòu)，當(dāng)石籠高度為5，6，7 m時，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，在實際施工時，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

從圖5（c）中可得到，基礎(chǔ)延伸長度對岸坡的穩(wěn)定性影響幾乎可忽略不計，分析其原因，主要是因為本文建立的岸坡模型中最危險滑弧并不是深層滑動形式，此外，原地基土體強度參數(shù)并未遠小于石籠的參數(shù)，因此基礎(chǔ)延伸長度的加大對岸坡整體穩(wěn)定性的影響并不是很明顯，其目的主要是為了增強地基承載能力。

5 結(jié)論

針對階梯型石籠護岸結(jié)構(gòu)，采用有限元數(shù)值模擬手段，考慮回填土壓實度、石籠高度、基礎(chǔ)延伸長度，對石籠擋土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變形及岸坡的穩(wěn)定性進行敏感性分析。

結(jié)果表明，提高回填土的壓實度，有利于減小石籠擋墻的變形，同時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)延伸長度對階梯型石籠擋墻的影響較小，但延伸長度超過1 m后對結(jié)構(gòu)的影響甚微，因此在工程中對基礎(chǔ)延伸長度適當(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，其最危險滑裂面并不是深層滑動，因此增加基礎(chǔ)延伸長度對岸坡整體穩(wěn)定性基本無影響。