肖侃 鄭艷紅 夏旖琪

摘要：石籠擋墻具有良好的延伸性、滲透性和環(huán)保特性。文章采用有限元單元法對加筋式、直背式以及階梯式三種石籠擋墻防護(hù)形式進(jìn)行數(shù)值模擬，對比分析三種形式的石籠擋墻在路基邊坡防護(hù)應(yīng)用中的內(nèi)力與變形特性，從而評價三種形式石籠擋墻的防護(hù)效果。分析結(jié)果表明：石籠擋墻能夠有效地控制路基側(cè)向位移，減小路基變形;階梯式石籠擋墻的防護(hù)效果優(yōu)于加筋式和直背式石籠擋墻。

關(guān)鍵詞：石籠擋墻;有限元;變形;防護(hù)

中圖分類號：U419.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A D00：10.13282/j.cnki.wccst.2019.09.012

文章編號：1673-4874（2019）09-0040-04

0引言

石籠，又稱格賓，其基本工作單元為填石的石籠。高強(qiáng)度的石籠材料具有良好的延伸性和可變形性，能夠承受較大的變形而不被破壞。石籠擋墻就是利用石籠此特性，將符合粒徑與強(qiáng)度要求的石料填入具有柔性的高強(qiáng)度材料制作的石籠中，采用綁扎連接，逐層砌筑的一種新型的柔性擋工墻。石籠擋墻砌筑過程中，可在石料之間的縫隙中填充泥土或營養(yǎng)物質(zhì)，形成有利于植被生長的環(huán)境，使得石籠擋墻表面能夠快速綠化，達(dá)到生態(tài)修復(fù)的效果。石籠擋墻既能夠承受較大變形，又能快速綠化修復(fù)生態(tài)環(huán)境，特別適合運用于山區(qū)公路邊坡防護(hù)中。本文采用有限元方法對加筋式、直背式和階梯式三種結(jié)構(gòu)形式的石籠擋墻在山區(qū)公路邊坡的運用進(jìn)行數(shù)值模擬，對該三種結(jié)構(gòu)形式的石籠擋墻在山區(qū)公路邊坡的防護(hù)效果進(jìn)行研究分析，分析結(jié)果對類似工程意義重大。

1石籠擋墻的有限元分析

1.1工程概況

某高速公路是廣西橫向路網(wǎng)的重要組成部分，該項目部分路段位于石漢化山區(qū)，路塹開挖產(chǎn)生大量石料，石料硬度較好，具備一定的利用價值。石漠化山區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，棄土場選址困難，石料作為棄方較為浪費，工程造價亦較大，因此該高速公路在經(jīng)濟(jì)運距內(nèi)的邊坡采取石籠擋墻進(jìn)行支護(hù)。對于高度>3m，坡比緩于1：1的填方邊坡設(shè)置石籠擋墻，提高路基穩(wěn)定性，減小路基占地面積，并在石籠擋墻墻面混播草種進(jìn)行綠化，修復(fù)生態(tài)環(huán)境。針對該高速公路路基石籠擋墻的設(shè)置情況，對其典型石籠擋墻設(shè)置斷面進(jìn)行有限元分析.

1.2計算模型及參數(shù)

選取該高速公路典型石籠擋墻路基斷面作為計算模型進(jìn)行研究分析，路基填筑斷面頂寬為26m，路基填筑高度為10m，采用7m高的石籠擋墻進(jìn)行邊坡防護(hù)，石籠擋墻擬采用加筋式、直背式和階梯式三種形式，在考慮造價相近的條件下，其結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示.斷面區(qū)地勢平坦，地質(zhì)勘探資料顯示地質(zhì)條件良好，土體本構(gòu)模型采用摩爾一庫倫彈塑性模型，其物理力學(xué)參數(shù)見表1。石籠結(jié)構(gòu)單元本構(gòu)關(guān)系采用線彈性模型，其材料參數(shù)見表2。

有限元分析將路基作為平面應(yīng)變模型，考慮路基的對稱性，取一半路基建模分析，從路基中心取13m寬度。同時設(shè)置三種形式的石籠擋墻，擋墻高度都為7m，每層石籠的高度均為1m，其中直背式和階梯式最底層為地基處理層寬度6m，第一層石籠寬度為4m，最頂層寬度為1m，每層臺階縮進(jìn)0.5m。加筋式石籠擋墻每層石籠寬度為1m，石籠后部加鋪5m長的加筋土工格柵.

2計算模擬結(jié)果及分析

2.1穩(wěn)定性分析

通過有限元分析邊坡的穩(wěn)定性，加筋式、直背式和階梯式三種形式石籠擋墻的安全系數(shù)見表3。從表中可以看出，安全系數(shù)最高為階梯式石籠擋墻2.06，最低為加筋式石籠擋墻1.68，僅為階梯式石籠擋墻的0.82倍，直背式石籠擋墻的安全系數(shù)為階梯式石籠擋墻的0.86倍，但是三種形式的石籠擋墻安全系數(shù)均滿足《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTG D30-2015）中的相關(guān)要求。

2.2 位移分析

通過有限元分析三種形式石籠擋墻的位移，得到三種形式石籠擋墻的總位移矢量圖（見下頁圖2），從矢量圖中可以得出石籠總位移最小的為階梯式石籠擋墻，其最大總位移為17.8m，總位移最大為加筋式石籠擋墻，其最大總位移為318.6mm，而直背式石籠擋墻，其最大總位移為53.6m。且三種形式石籠擋墻的最大總位移均出現(xiàn)在第一層石籠，有滑動破壞的可能。從有限元分析三種形式石籠擋墻石籠框架變形結(jié)果中可以看出，第一層石籠變形嚴(yán)重，有出現(xiàn)破損的可能，尤其在加筋式和直背式石籠擋墻中體現(xiàn)較明顯，破壞點主要集中在單個石籠中間網(wǎng)格部位，石籠框架主要出現(xiàn)水平位移，變形不明顯。

石籠作為石籠擋墻的骨架，其相互之間采取綁扎連接，相鄰石籠組的上下四角各綁扎一道，同時上下框線每隔25cm綁扎一道。進(jìn)行有限元分析時，取三種形式石籠擋墻模型每層石籠框架最外側(cè)上下邊緣兩點作為參考點，通過有限元分析計算其水平位移，得到三種形式石籠擋墻水平位移分布規(guī)律（見圖3）。直背式和階梯式石籠擋墻水平位移與高度成線性關(guān)系依次遞減，加筋式石籠擋墻的最大水平位移出現(xiàn)在擋墻中部。由此說明，在填工引起的側(cè)向工壓力作用下，石籠擋墻有向外側(cè)傾斜的趨勢，從數(shù)值來看，水平位移最小的為階梯式石籠擋墻，其水平位移為10.7mm，水平位移最大的為直背式石籠擋墻，其水平位移為28.5mm，加筋式石籠擋墻的水平位移為18.6mm。

2.3 應(yīng)力分析

石籠擋墻中石籠結(jié)構(gòu)所受拉力大小關(guān)系到石籠結(jié)構(gòu)材料選用及工程造價，通過有限元分析三種形式石籠擋墻石籠框架所受拉應(yīng)力，得到應(yīng)力云圖（見圖4）。從圖中可以看出，三種形式石籠擋墻所受拉力從下部至上部依次減小，其中拉應(yīng)力最大值都出現(xiàn)在第一層的頂部。加筋式石籠擋墻石籠框架所受拉應(yīng)力最大值為298.9kN，直背式石籠擋墻石籠框架所受拉應(yīng)力最大值為250.9kN，階梯式石籠擋墻石籠框架拉應(yīng)力最大值為134.4kN。階梯式石籠擋墻石籠框架所受拉應(yīng)力分別是加筋式石籠擋墻的0.45倍、直背式石籠擋墻的0.54倍。

3 結(jié)語

本文利用有限元方法對加筋式、直背式以及階梯式三種形式石籠擋墻進(jìn)行了分析研究，其主要結(jié)論如下：

（1）石籠擋墻在路基防護(hù)中能夠有效發(fā)揮作用，對路基變形有較好的控制。其能夠有效控制路基側(cè)向位移，降低路基變形，減少路基占地，降低造價。

（2）加筋式、直背式以及階梯式石籠擋墻是常見的三種石籠擋墻形式，在考慮造價和施工難易程度的情況下，階梯式石籠擋墻在安全系數(shù)、位移變形以及受力方面較加筋式和直背式石籠擋墻具備一定的優(yōu)勢，尤其在受力方面能夠通過減小石籠材料強(qiáng)度降低工程造價。

（3）通過有限元分析能夠得到三種形式石籠擋墻的受力特點、潛在滑動面的位置，優(yōu)化設(shè)計有利于石籠擋墻減小造價，發(fā)揮更加有效的防護(hù)作用。