江 泉，肖 涵

（河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院，江蘇南京,210098）

充填管袋筑堤具有就地取材、施工簡(jiǎn)單、周期短、費(fèi)用低、對(duì)軟基的適應(yīng)能力好、對(duì)環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到圍墾海堤建設(shè)中。但是充填管袋筑堤工藝在國(guó)內(nèi)的運(yùn)用在國(guó)內(nèi)起步較晚，技術(shù)相對(duì)不是十分成熟，很有必要開(kāi)展圍墾海堤施工期的安全監(jiān)控研究，通過(guò)監(jiān)測(cè)海堤沉降變形等有關(guān)安全指標(biāo)，定量地掌握海堤施工期的工作性態(tài)，為進(jìn)行工程的安全進(jìn)行提供實(shí)測(cè)依據(jù)。

管袋堤壩施工期有限元仿真模擬，主要是利用ABAQUS 有限元軟件，對(duì)管袋裸壩和堤基建立模型，模擬施工過(guò)程中的管袋逐層加載過(guò)程，計(jì)算獲得各個(gè)加載過(guò)程堤壩的沉降、應(yīng)力等狀態(tài)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，確保堤壩施工的安全進(jìn)行。

1 數(shù)值計(jì)算條件

1.1 模型計(jì)算斷面

以條子泥大型匡圍工程充填管袋裸壩為研究對(duì)象，壩高7.0m，壩頂寬8.0m，壩頂標(biāo)高9.0；堤壩臨水測(cè)上坡、下坡坡比均為1:2.5，背水側(cè)上坡、下坡坡比均為1:3；臨水測(cè)有一處平臺(tái)，平臺(tái)寬5.0m，標(biāo)高6.0，背水側(cè)有兩處平臺(tái)，上平臺(tái)寬3.0m，標(biāo)高5.50，下平臺(tái)寬3.0m，標(biāo)高4.0；棱體采用150m2土工布充泥管袋；為防止施工期越堤流對(duì)對(duì)棱體內(nèi)側(cè)坡腳的沖刷導(dǎo)致棱體失穩(wěn)，在外棱體底部設(shè)一層大砂袋，超出內(nèi)坡腳5.0m。

1.2 土工管袋模擬

土工管袋視為對(duì)堤身土體的加筋。目前雖然對(duì)荕土界面相互作用的研究很多，但由于影響荕土相互作用的因素很復(fù)雜，很難形成一種公認(rèn)的模擬方法。本文假設(shè)土工管袋和土體間沒(méi)有相對(duì)滑移，處于緊密咬合狀態(tài)，在ABAQUS 數(shù)值型中作嵌入處理。采用桁架單元（Truss 單元）模擬土工管袋。土工管袋只能承受拉力，所以在模型中設(shè)置桁架單元不受壓。堤身和堤基土層參數(shù)如表1所示。

表1 堤壩土層主要物理學(xué)指標(biāo)

1.3 本構(gòu)模型和邊界條件

依據(jù)土體試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本構(gòu)模型選用莫爾－庫(kù)侖模型,數(shù)值模型如圖1 所示。

數(shù)值計(jì)算模型中壩底寬58.0m，以兩側(cè)坡腳為基準(zhǔn)向外側(cè)各取50m 作為堤基計(jì)算邊界。壩底標(biāo)高2.0，向下取30m 作為堤基計(jì)算邊界。由于堤壩較長(zhǎng)，簡(jiǎn)化成平面應(yīng)變問(wèn)題建模。

圖1 網(wǎng)格模型

模型共有7945 個(gè)節(jié)點(diǎn)，7761 個(gè)單元。模型采用直角坐標(biāo)系。模型網(wǎng)格如圖1 所示。

堤基兩側(cè)設(shè)置法向約束；因?yàn)榈袒某两盗侩S深度的增加而減小，認(rèn)為堤基深30m 處不動(dòng)，堤基底部設(shè)置固端約束，表面自由。

2 施工期仿真模擬

充填管袋筑堤主要分兩步，第一步是充填和排水過(guò)程，第二步是固結(jié)過(guò)程，伴隨此過(guò)程堤壩會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的沉降、水平位移等變形。模型中第一步取一很短的時(shí)間，主要計(jì)算在第二步中完成。

在模型中可以認(rèn)為管袋和中間的吹填土是同時(shí)加載的。相同高度的左右兩層管袋和其中間的吹填土為同一層填土，整個(gè)管袋裸壩共分為14 層。

2.1 管袋筑堤模擬方法

堤壩由14 層管袋逐層加載建成，在模型中可以按照如下方法呈現(xiàn)筑堤過(guò)程：模型用了Load 和Con 兩組各14 個(gè)分析步，第一組用來(lái)模擬管袋的鋪設(shè)充填過(guò)程，第二組用來(lái)別模擬管袋的固結(jié)沉降過(guò)程。這兩組分析步兩兩交叉進(jìn)行，分別對(duì)應(yīng)充填排水和固結(jié)兩種過(guò)程。

由于管袋是分層加載的，在加載第一層管袋時(shí)，第二層到第十四層管袋不存在，因而要用到Abaqus 的生死單元功能。原理是，加載各層管袋前先將模型中的整個(gè)管袋裸壩移除（remove），每加載一層管袋就還原（add）一層，加載完第十四層管袋時(shí)，模型計(jì)算完成。

2.2 管袋筑堤模擬特點(diǎn)

圖2 是管袋堤壩工后沉降示意圖，堤壩經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的排水固結(jié)，逐漸從圖中的實(shí)線位置沉降到虛線位置。但施工過(guò)程中堤壩沉降形態(tài)與此并不相同。我們來(lái)研究已經(jīng)加載完成某些層，開(kāi)始加載下一層時(shí)的情況。

2.3 模型計(jì)算結(jié)果

加載第一層管袋后，堤基開(kāi)始發(fā)生變形，沉降最大處位于第一層填土中部，堤基和管袋接觸面處，數(shù)值為0.67cm，沉降量以該點(diǎn)為中心，向兩側(cè)逐漸減小，隨深度呈層狀遞減趨勢(shì)。

隨著管袋的逐層加載，堤基以及各管袋層的變形量增大。加載完第十四層后，管袋分層加載結(jié)束，堤壩沉降情況如圖3 所示，應(yīng)力分布如圖4 所示。整個(gè)沉降變形影響區(qū)域類似于一個(gè)橢球形，以第一層填土中部為中心，向外層狀遞減，最大沉降量為7.879cm。取沉降量最大的節(jié)點(diǎn)，與該點(diǎn)附近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)沉降數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，如圖5 所示。圖中曲線為數(shù)值模型中該點(diǎn)隨填土分層加載的沉降值變化曲線，散點(diǎn)為堤壩典型斷面第一層填土中部沉降磁環(huán)測(cè)得的數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)比可以清晰地看出，兩組數(shù)據(jù)趨勢(shì)相同，但是數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果7.879cm 要比實(shí)測(cè)沉降量9.3cm 小15.3%，原因主要有施工人員踩踏、施工機(jī)械碾壓、施工期延長(zhǎng)等原因。

壩體和堤基主要受壓應(yīng)力作用，最大有效應(yīng)力出現(xiàn)在模型底部，為326.9Kpa 。圖6 是模型第一層填土中部有效應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)壓力的對(duì)比，可以看到，模型計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值非常接近。在堤壩兩側(cè)坡腳下方的堤

圖3 沉降分布

圖4 應(yīng)力分布

圖5 沉降對(duì)比

基分別發(fā)生向兩側(cè)延伸的水平位移，數(shù)值較小，兩側(cè)最大水平位移均為1.3～1.4cm；水平方向應(yīng)力分布如圖7 所示，土工管袋承受水平方向的拉力，受力情況較均最大拉應(yīng)力為28.6Kpa，即0.143KN/m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于抗拉強(qiáng)度70KN/m，說(shuō)明在施工期中，土工管袋是安全的。從圖8 可以看到，土工管袋所受力分布明顯不同

圖7 水平應(yīng)力分布

于其周圍土體，這是由于土工管袋和土體產(chǎn)生了摩擦作用，土體在變形過(guò)程中，把水平方向的膨脹應(yīng)力傳遞給土工管袋，減小了土體在水平方向的膨脹變形。

3 結(jié)論

結(jié)果基本符合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。最大沉降量為7.88cm，位于第一層填土中部，比現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)小約15%；有效應(yīng)力與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)非常吻合。

土工管袋對(duì)土體起到了約束作用，減小了土體在水平方向的伸展變形。

Abaqus 具有強(qiáng)大的非線性求解功能，能夠很好地模擬管袋筑堤工程中管袋逐層加載的施工過(guò)程，獲得各階段壩體和堤基沉降、應(yīng)力分布、水平位移等變形數(shù)據(jù)，為堤壩施工期安全監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)支持。

圖2 分層沉降示意圖

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