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        階梯型石籠護(hù)岸結(jié)構(gòu)及岸坡穩(wěn)定性分析

        2018-12-12 08:58:58佳,平
        東北水利水電 2018年12期
        關(guān)鍵詞:石籠護(hù)岸階梯

        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(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)延伸長度等因素,對石籠護(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,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,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(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)值計算軟件,針對階梯型的石籠擋土結(jié)構(gòu)進(jìn)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(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(jìn)行初始地應(yīng)力分析;⑥對基礎(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(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,以及不同因素對護(hù)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(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)換填延伸長度的影響。

        為方便計算,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)測施工過程中結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形數(shù)據(jù),監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置如圖2所示,其中1~7點(diǎn)為監(jiān)測施工過程中的變形情況,A點(diǎn)為監(jiān)測水平、豎向應(yīng)力情況。

        圖2 監(jiān)測點(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)測點(diǎn)1—7和A點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù),得到石籠擋墻墻背底部測點(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)。回填土壓實(shí)度對土壓力的影響較小,基本可忽略不計。

        圖3 施工過程中石籠擋土結(jié)構(gòu)A點(diǎn)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(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。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,石籠高度對施工過程中墻背底部測點(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,其水平土壓力增長速率越大,施工結(jié)束后,石籠高度越低,測點(diǎn)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(dá)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(diǎn)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(qiáng)度折減法對各方案的岸坡模型進(jìn)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(jìn)行因素敏感性分析,對數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)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(shí)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(shí)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(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(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。

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