農(nóng)田防洪工程格賓石籠護(hù)坡的應(yīng)用分析

江冬建

（都昌縣水利局，江西 九江 332600）

0 引 言

格賓石籠護(hù)坡抗沖刷、抗腐蝕性能較好，整體性強(qiáng)，柔韌性好，對于河床變形能較好適應(yīng)，在護(hù)岸工程中已經(jīng)有所應(yīng)用，但是有關(guān)石籠護(hù)坡的受力力學(xué)性能、破壞模式等并未形成完整的計(jì)算理論，在工程設(shè)計(jì)及應(yīng)用方面也缺乏相關(guān)指導(dǎo)。都昌縣七里橋農(nóng)田防洪工程格賓石籠護(hù)岸長1.94km，格賓石籠坡式護(hù)岸長2.56km，文章依托該農(nóng)田防洪工程，通過展開格賓單體結(jié)構(gòu)壓縮試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)，進(jìn)行了格賓石籠單元黏聚力及內(nèi)摩擦角的推算，以此為基礎(chǔ)，對格賓石籠護(hù)坡工作原理、受力特點(diǎn)及破壞的機(jī)理模式展開分析探討，以期對農(nóng)田防洪工程中格賓石籠護(hù)坡的推廣應(yīng)用提供借鑒。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

此次格賓石籠力學(xué)性能及破壞模式試驗(yàn)采用華東交通大學(xué)和江西省交通設(shè)計(jì)院共同研制的大型土石混合料多功能試驗(yàn)機(jī)。該儀器具備破壞面不固定、垂直荷載不偏心、正應(yīng)力恒定等優(yōu)勢特征，剪切試驗(yàn)結(jié)果誤差小[1]。試驗(yàn)儀器由主機(jī)系統(tǒng)、量測系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)、吊裝輔助系統(tǒng)等部分組成。通過荷載傳感器量測水平荷載和垂直荷載，量程最大可達(dá)1000kN；借助2 只最大量程500mm 的差動(dòng)變壓器式位移傳感器和4 只最大量程200mm 的差動(dòng)變壓器式位移傳感器量測水平位移和垂直位移。以上測量過程中量程按照20%、50%及100%依次標(biāo)定，測量精度為滿量程的1%。

試驗(yàn)開始前，使用直徑2.26mm 的鐵絲按照88mm×70mm 的網(wǎng)格尺寸制作格賓石籠，并使捆扎好的石籠網(wǎng)長×寬×高為50cm×50cm×40cm；石籠內(nèi)填充塊徑5～20cm 的棱角狀石灰?guī)r塊石。因填石形狀大小并不規(guī)則，裝填好的格賓石籠空隙率全部為實(shí)測值，壓縮試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)分別裝填4 組試樣，依次編號C-1～C-4 和S-1 和S-4。根據(jù)實(shí)測結(jié)果，裝填好的石籠試樣空隙率在30.1%～41.5%之間。

在無側(cè)限條件下展開壓縮試驗(yàn)，在格賓石籠布置2 道十字形拉筋，在石籠受壓后量測其各個(gè)側(cè)面鼓脹變形量，與此同時(shí)設(shè)置2 個(gè)位移傳感器。測量時(shí)在每個(gè)側(cè)面中線和頂部相距20cm 和30cm 處依次設(shè)置兩個(gè)測點(diǎn)，并標(biāo)號為A 和B；受壓至格賓石籠鐵絲斷裂后結(jié)束試驗(yàn)。

剪切試驗(yàn)開始前將充填滿塊石的石籠裝入剛性剪切盒內(nèi)，依次施加25kN、50kN、75kN 及125kN的荷載，并在試驗(yàn)過程中保持正壓力不變；在施加水平推力的過程中下方剪切盒發(fā)生移動(dòng)，受到傳力裝置作用后上方剪切盒向反方向位移。石籠結(jié)構(gòu)在上下剪切盒錯(cuò)開后受剪，直至出現(xiàn)剪切破壞，并測量此時(shí)法向荷載所對應(yīng)的最大剪切力[2]。

在以上壓縮試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)數(shù)據(jù)均通過多功能試驗(yàn)機(jī)采集并自動(dòng)記錄，試驗(yàn)結(jié)束后對數(shù)據(jù)展開分析，得出格賓石籠單體結(jié)構(gòu)力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。

2 試驗(yàn)過程及結(jié)果

2.1 壓縮試驗(yàn)

根據(jù)格賓石籠受壓后側(cè)面和剪切盒之間的位移相對變化量，得出鼓脹變形量檢測結(jié)果。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，格賓石籠承受壓力后中部鼓脹變形量比中下部略大；C-4 試樣側(cè)面4 的A 點(diǎn)鼓脹變形量為負(fù)值，結(jié)合勘察發(fā)現(xiàn)，此處石籠受壓后在石塊尖端的作用下斷裂。選取試驗(yàn)結(jié)果較好的C-3 試樣進(jìn)行分析，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)根據(jù)所記錄的試驗(yàn)數(shù)據(jù)生成應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，該曲線并非線性變動(dòng)[3]。格賓石籠在受到外荷載作用后壓縮過程可分成4 個(gè)階段：①外荷載較小時(shí)，填充的塊石之間相互接觸并逐漸壓密閉合，特別是棱角尖銳塊石的尖端受壓后斷裂破碎；②填充的塊石受壓密實(shí)后表現(xiàn)出一定的彈性變形；③彈性變形階段結(jié)束后，填石所承受的壓力越來越大，部分塊徑較大的塊石受壓破碎，擠壓、鑲嵌并重新排列，密實(shí)度進(jìn)一步提升，且嵌擠及鑲嵌狀態(tài)在壓力增大后反復(fù)調(diào)整，對應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線也呈階梯狀上升態(tài)勢；④隨著壓力的進(jìn)一步增大，側(cè)向擠壓變形加大，超出格賓石籠鐵絲抗拉強(qiáng)度后引發(fā)鐵絲斷裂，但塊石尚未完全崩塌，應(yīng)力-應(yīng)變曲線仍以上凹形式上升。由于格賓石籠內(nèi)填石屬于非連續(xù)材料，在受壓過程中塊石間接觸關(guān)系不斷改變，所以石籠受壓過程中表現(xiàn)出較為明顯的彈塑性變形特征，故應(yīng)力-應(yīng)變曲線也呈階梯上升的整體特征[4]。

表1 格賓石籠受壓后側(cè)面鼓脹變形量 cm

2.2 剪切試驗(yàn)

格賓石籠剪切試驗(yàn)共設(shè)置4 組試樣，試驗(yàn)過程中每個(gè)試樣的鐵絲均被剪斷，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制石籠剪切應(yīng)力-位移關(guān)系曲線。通過對曲線走勢的分析，在剪切位移不超出50mm 的范圍內(nèi)，剪應(yīng)力勻速增長；而當(dāng)剪切位移超出50mm 后，剪應(yīng)力便出現(xiàn)0.02～0.11MPa 的波動(dòng)，其中S-4 試樣曲線波動(dòng)幅度最大，在剪切后期幾乎呈連續(xù)波動(dòng)狀態(tài)。S-2及S-4 試樣曲線存在明顯峰值，其余兩個(gè)測點(diǎn)對應(yīng)曲線則以上凸形式上升；石籠鐵絲斷裂后的數(shù)據(jù)因無法采集而缺失。以S-2 及S-4 試樣曲線峰值為破壞剪應(yīng)力，而以S-1 及S-3 試樣曲線趨于穩(wěn)定的剪應(yīng)力為破壞剪應(yīng)力，結(jié)果具體見表2。

表2 試樣破壞剪應(yīng)力

試驗(yàn)所用多功能試驗(yàn)機(jī)正應(yīng)力恒定，故能結(jié)合剪切面積變化進(jìn)行豎向荷載自動(dòng)調(diào)整，但這是基于剪切面光滑的假設(shè)前提。石籠內(nèi)填充的塊石受剪后會(huì)翻移和重新排列，正應(yīng)力也會(huì)在這一過程中發(fā)生改變。根據(jù)對剪切過程中剪應(yīng)力與正應(yīng)力變化趨勢的分析看出，S-1、S-2 及S-3 試樣正應(yīng)力均隨剪應(yīng)力的增長略微增長；S-4 試樣的正應(yīng)力卻出現(xiàn)大幅增長，最大變化量為0.4MPa。通過分析原因發(fā)現(xiàn)，該試樣塊石填充時(shí)擺放不規(guī)則，塊石間主要以點(diǎn)-面、邊-面接觸為主；剪切試驗(yàn)時(shí)塊石翻移所造成的體積變化較大，故正應(yīng)力增加也較明顯。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對格賓石籠破壞剪應(yīng)力和正應(yīng)力展開線性回歸分析，所得到的函數(shù)關(guān)系式為y=0.9934x+0.5632，相關(guān)系數(shù)R=0.9986，線性相關(guān)性較好，該曲線同時(shí)也是石籠庫侖抗剪強(qiáng)度線。結(jié)果表明，格賓石籠是鐵絲籠與充填塊石的組合結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度大小主要取決于鐵絲籠和塊石的綜合作用效果，且明顯高出單純的塊石堆砌護(hù)坡強(qiáng)度。

3 格賓石籠破壞模式

基于以上壓縮試驗(yàn)及剪切試驗(yàn)對格賓石籠工作原理、力學(xué)特性、受力特點(diǎn)及破壞機(jī)理的分析，探索出以下幾種該農(nóng)田防洪工程格賓石籠護(hù)坡可能的破壞模式，不同破壞模式的適用條件和破壞特征不盡相同。

3.1 沿接觸面滑動(dòng)破壞

對于質(zhì)量較好的格賓石籠，在受到外荷載作用后會(huì)沿著石籠和土體間接觸面發(fā)生滑動(dòng)破壞，進(jìn)而沿石籠底部滑動(dòng)，最后則在河床土體內(nèi)形成滑動(dòng)面并沖出河床[5]。以上滑動(dòng)破壞過程具體見圖1。

圖1 沿接觸面滑動(dòng)破壞

采用等安全系數(shù)法展開折線滑動(dòng)穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算，假設(shè)三個(gè)不同滑動(dòng)塊具有相等的抗滑安全系數(shù)，即K1=K2=K3=K。

1）第一滑動(dòng)塊為AHJGCB，該滑動(dòng)塊向第二塊滑動(dòng)塊施加的不平衡推力為P1，根據(jù)反作用力原理，第二塊滑動(dòng)塊會(huì)向第一塊滑動(dòng)塊產(chǎn)生大小相同、方向相反的抵抗力。則抗滑安全系數(shù)計(jì)算公式為：

式中：K1為第一滑動(dòng)塊抗滑安全系數(shù)；W1為格賓石籠護(hù)坡重力，kN/m；f1為第一滑動(dòng)塊和護(hù)坡土體間的摩擦系數(shù)；α1為格賓石籠傾角，°；P1為第一滑動(dòng)塊不平衡推力，kN/m；W1sinα1為下滑力，kN/m；W1cosα1f1+P1為抗滑力，kN/m。

通過式（1）可推導(dǎo)出不平衡推力：

考慮到該農(nóng)田防洪工程格賓石籠外挑深入護(hù)坡土體，大部分于土體內(nèi)通過，僅石籠一角點(diǎn)處屬于石籠和土體之間滑動(dòng)，故第一滑動(dòng)塊和土體間的摩擦系數(shù)f1=tanφ1，φ1為第一滑動(dòng)塊和土體內(nèi)摩擦角。2）第二滑動(dòng)塊為GFDC，該滑動(dòng)面基本水平，滑動(dòng)塊作用力僅包括沿第一滑動(dòng)塊滑動(dòng)方向的P1、與水平滑動(dòng)向反方向的P2以及向下的重力W2，對應(yīng)的下滑力和抗滑力依次為P1cosα1和對應(yīng)的抗滑安全系數(shù)表示如下：

式中：K2為第二滑動(dòng)塊抗滑安全系數(shù)；W2為格賓石籠護(hù)底重力，kN/m；f2為格賓石籠護(hù)底與土體間摩擦系數(shù)；P2為第二滑動(dòng)塊所施加的不平衡推力，kN/m。

格賓石籠和護(hù)坡地基之間摩擦系數(shù)主要受到地基土質(zhì)、石籠鋼絲類型、石籠充填塊石大小等諸多因素影響，在石籠底部充填塊石粒徑大且均勻、填砌規(guī)整，護(hù)坡地基土硬質(zhì)的情況下，石籠很容易和地基之間形成直線滑動(dòng)面，可近似地以干砌石和土體摩擦系數(shù)作為格賓石籠和地基間的摩擦系數(shù)；相反，若石籠底部充填的塊石粒徑不一，地基土質(zhì)較軟，則只能在護(hù)坡土體內(nèi)形成直線滑動(dòng)面，無法沿石籠底部滑動(dòng)，只能以土體內(nèi)摩擦系數(shù)即f2=tanφ2作為格賓石籠和地基間的摩擦系數(shù)，其中2φ為河床土體內(nèi)摩擦角。

根據(jù)式（3）可以得出第二滑動(dòng)塊不平衡推力，即：

3） 第 三 滑 動(dòng) 塊 為EFD， 對 應(yīng) 的滑 動(dòng) 力 和 抗 滑 力 分 別 為P2cosα3和抗滑安全系數(shù)為：

式中：W3為第三滑動(dòng)塊重力，kN/m；α3為第三滑動(dòng)塊滑動(dòng)面傾角，°；2φ為農(nóng)田防洪工程河床土體內(nèi)摩擦角；c2為河床土體黏聚力，kPa；l為第三滑動(dòng)塊滑動(dòng)面實(shí)際長度，m。

將以上式（2）（4）代入（5）后可以得出該種破壞模式下的安全系數(shù)方程以及安全系數(shù)理論值。值得注意的是，第三滑動(dòng)塊滑動(dòng)面傾角α3屬于未知數(shù)，假定系列值后得到的最小安全系數(shù)即是該種破壞模式下的安全系數(shù)。

3.2 沿石籠層間滑動(dòng)面的滑動(dòng)破壞

該農(nóng)田防洪工程格賓石籠高度較大，石籠中充填的塊石粒徑較小，重量輕。如果石籠間綁扎數(shù)量過少，則在破壞過程中填土內(nèi)首先出現(xiàn)滑動(dòng)面，并產(chǎn)生主動(dòng)土壓力，此后便會(huì)引發(fā)石籠沿層間接觸面滑動(dòng)，且隨著深度和土壓力的增大，底部兩層格賓石籠間必然發(fā)生滑動(dòng)破壞，即圖1 中的JKL。忽略格賓石籠間綁扎線抗剪強(qiáng)度，則沿石籠層間的抗滑安全系數(shù)為：

式中：Ks為沿石籠層間的抗滑安全系數(shù)；W為滑動(dòng)塊重力，kN/m；Eay為主動(dòng)土壓力沿垂直向分力，kN/m；f綜合為上下層石籠間綜合摩擦系數(shù)；Eax為主動(dòng)土壓力沿水平向分力，kN/m。

在此種破壞模式下，格賓石籠沿圖1 中的JKL滑動(dòng)面滑動(dòng)，其總長為b，分成長度為b-b1的石籠間滑動(dòng)面和長度為b1的石籠與填土間滑動(dòng)面兩部分，且每個(gè)長度段均對應(yīng)不同的滑動(dòng)摩擦系數(shù)。

綜合摩擦系數(shù)f綜合可通過加權(quán)平均求取，計(jì)算公式為：

式中：f2為石籠和護(hù)坡土體間摩擦系數(shù)；f3為上下層石籠間摩擦系數(shù)，該取值主要與石籠鋼絲網(wǎng)孔尺寸、格賓石籠界面平整度等有關(guān)，網(wǎng)孔尺寸越小且接觸面越平整，則石籠層間摩擦系數(shù)越小。

限于篇幅，對于農(nóng)田防洪石籠護(hù)坡工程而言，沿格賓石籠外緣傾覆破壞以及深層整體滑動(dòng)破壞等形式均有可能出現(xiàn)，但出現(xiàn)的可能性比文章所提及的兩種破壞模式小，故文章不再贅述。

4 結(jié) 論

綜上所述，格賓石籠是由鋼絲籠和充填塊石所構(gòu)成的綜合體，其受力、變形特征及破壞模式與一般的巖土體不同，通過文章分析得知，因格賓網(wǎng)片垂直于機(jī)編方向的極限抗拉強(qiáng)度比平行于機(jī)編方向的極限抗拉強(qiáng)度大，故應(yīng)使格賓石籠內(nèi)部間隔網(wǎng)片與護(hù)坡面垂直，以最大限度減小和控制石籠結(jié)構(gòu)水平剪切變形。格賓石籠剪切模量及強(qiáng)度是石籠格網(wǎng)充填塊石后兩種材料組合變形特征的體現(xiàn)，且充填塊石的剪切模量比石籠剪切模量高；石籠護(hù)坡水平位移一般大于垂直位移。采用等安全系數(shù)法計(jì)算格賓石籠沿土體接觸面滑動(dòng)破壞時(shí)安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果偏小偏安全；沿石籠層間滑動(dòng)面滑動(dòng)破壞的摩擦系數(shù)主要通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定。