石籠擋墻在山區公路的運用與數值模擬分析

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形式進行數值模擬，對比分析三種形式的石籠擋墻在路基邊坡防護應用中的內力與變形特性，從而評價三種形式石籠擋墻的防護效果。分析結果表明：石籠擋墻能夠有效地控制路基側向位移，減小路基變形;階梯式石籠擋墻的防護效果優于加筋式和直背式石籠擋墻。

關鍵詞：石籠擋墻;有限元;變形;防護

中圖分類號：U419.3 文獻標識碼：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，將符合粒徑與強度要求的石料填入具有柔性的高強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物質，形成有利于植被生長的環境，使得石籠擋墻表面能夠快速綠化，達到生態修復的效果。石籠擋墻既能夠承受較大變形，又能快速綠化修復生態環境，特別適合運用于山區公路邊坡防護中。本文采用有限元方法對加筋式、直背式和階梯式三種結構形式的石籠擋墻在山區公路邊坡的運用進行數值模擬，對該三種結構形式的石籠擋墻在山區公路邊坡的防護效果進行研究分析，分析結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的重要組成部分，該項目部分路段位于石漢化山區，路塹開挖產生大量石料，石料硬度較好，具備一定的利用價值。石漠化山區生態環境脆弱，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濟運距內的邊坡采取石籠擋墻進行支護。對于高度>3m，坡比緩于1：1的填方邊坡設置石籠擋墻，提高路基穩定性，減小路基占地面積，并在石籠擋墻墻面混播草種進行綠化，修復生態環境。針對該高速公路路基石籠擋墻的設置情況，對其典型石籠擋墻設置斷面進行有限元分析.

1.2計算模型及參數

選取該高速公路典型石籠擋墻路基斷面作為計算模型進行研究分析，路基填筑斷面頂寬為26m，路基填筑高度為10m，采用7m高的石籠擋墻進行邊坡防護，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，其結構尺寸如圖1所示.斷面區地勢平坦，地質勘探資料顯示地質條件良好，土體本構模型采用摩爾一庫倫彈塑性模型，其物理力學參數見表1。石籠結構單元本構關系采用線彈性模型，其材料參數見表2。

有限元分析將路基作為平面應變模型，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計算模擬結果及分析

2.1穩定性分析

通過有限元分析邊坡的穩定性，加筋式、直背式和階梯式三種形式石籠擋墻的安全系數見表3。從表中可以看出，安全系數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均滿足《公路路基設計規范》（JTG D30-2015）中的相關要求。

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果中可以看出，第一層石籠變形嚴重，有出現破損的可能，尤其在加筋式和直背式石籠擋墻中體現較明顯，破壞點主要集中在單個石籠中間網格部位，石籠框架主要出現水平位移，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系依次遞減，加筋式石籠擋墻的最大水平位移出現在擋墻中部。由此說明，在填工引起的側向工壓力作用下，石籠擋墻有向外側傾斜的趨勢，從數值來看，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 應力分析

石籠擋墻中石籠結構所受拉力大小關系到石籠結構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力，得到應力云圖（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，其中拉應力最大值都出現在第一層的頂部。加筋式石籠擋墻石籠框架所受拉應力最大值為298.9kN，直背式石籠擋墻石籠框架所受拉應力最大值為250.9kN，階梯式石籠擋墻石籠框架拉應力最大值為134.4kN。階梯式石籠擋墻石籠框架所受拉應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行了分析研究，其主要結論如下：

（1）石籠擋墻在路基防護中能夠有效發揮作用，對路基變形有較好的控制。其能夠有效控制路基側向位移，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、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勢，尤其在受力方面能夠通過減小石籠材料強度降低工程造價。

（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，優化設計有利于石籠擋墻減小造價，發揮更加有效的防護作用。