肖侃 郑艳红 夏旖琪

摘要：石笼挡墙具有良好的延伸性、渗透性和环保特性。文章采用有限元单元法对加筋式、直背式以及阶梯式三种石笼挡墙防护形式进行数值模拟，对比分析三种形式的石笼挡墙在路基边坡防护应用中的内力与变形特性，从而评价三种形式石笼挡墙的防护效果。分析结果表明：石笼挡墙能够有效地控制路基侧向位移，减小路基变形;阶梯式石笼挡墙的防护效果优于加筋式和直背式石笼挡墙。

关键词：石笼挡墙;有限元;变形;防护

中图分类号：U419.3 文献标识码：A D00：10.13282/j.cnki.wccst.2019.09.012

文章编号：1673-4874（2019）09-0040-04

0引言

石笼，又称格宾，其基本工作单元为填石的石笼。高强度的石笼材料具有良好的延伸性和可变形性，能够承受较大的变形而不被破坏。石笼挡墙就是利用石笼此特性，将符合粒径与强度要求的石料填入具有柔性的高强度材料制作的石笼中，采用绑扎连接，逐层砌筑的一种新型的柔性挡工墙。石笼挡墙砌筑过程中，可在石料之间的缝隙中填充泥土或营养物质，形成有利于植被生长的环境，使得石笼挡墙表面能够快速绿化，达到生态修复的效果。石笼挡墙既能够承受较大变形，又能快速绿化修复生态环境，特别适合运用于山区公路边坡防护中。本文采用有限元方法对加筋式、直背式和阶梯式三种结构形式的石笼挡墙在山区公路边坡的运用进行数值模拟，对该三种结构形式的石笼挡墙在山区公路边坡的防护效果进行研究分析，分析结果对类似工程意义重大。

1石笼挡墙的有限元分析

1.1工程概况

某高速公路是广西横向路网的重要组成部分，该项目部分路段位于石漢化山区，路堑开挖产生大量石料，石料硬度较好，具备一定的利用价值。石漠化山区生态环境脆弱，弃土场选址困难，石料作为弃方较为浪费，工程造价亦较大，因此该高速公路在经济运距内的边坡采取石笼挡墙进行支护。对于高度>3m，坡比缓于1：1的填方边坡设置石笼挡墙，提高路基稳定性，减小路基占地面积，并在石笼挡墙墙面混播草种进行绿化，修复生态环境。针对该高速公路路基石笼挡墙的设置情况，对其典型石笼挡墙设置断面进行有限元分析.

1.2计算模型及参数

选取该高速公路典型石笼挡墙路基断面作为计算模型进行研究分析，路基填筑断面顶宽为26m，路基填筑高度为10m，采用7m高的石笼挡墙进行边坡防护，石笼挡墙拟采用加筋式、直背式和阶梯式三种形式，在考虑造价相近的条件下，其结构尺寸如图1所示.断面区地势平坦，地质勘探资料显示地质条件良好，土体本构模型采用摩尔一库伦弹塑性模型，其物理力学参数见表1。石笼结构单元本构关系采用线弹性模型，其材料参数见表2。

有限元分析将路基作为平面应变模型，考虑路基的对称性，取一半路基建模分析，从路基中心取13m宽度。同时设置三种形式的石笼挡墙，挡墙高度都为7m，每层石笼的高度均为1m，其中直背式和阶梯式最底层为地基处理层宽度6m，第一层石笼宽度为4m，最顶层宽度为1m，每层台阶缩进0.5m。加筋式石笼挡墙每层石笼宽度为1m，石笼后部加铺5m长的加筋土工格栅.

2计算模拟结果及分析

2.1稳定性分析

通过有限元分析边坡的稳定性，加筋式、直背式和阶梯式三种形式石笼挡墙的安全系数见表3。从表中可以看出，安全系数最高为阶梯式石笼挡墙2.06，最低为加筋式石笼挡墙1.68，仅为阶梯式石笼挡墙的0.82倍，直背式石笼挡墙的安全系数为阶梯式石笼挡墙的0.86倍，但是三种形式的石笼挡墙安全系数均满足《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）中的相关要求。

2.2 位移分析

通过有限元分析三种形式石笼挡墙的位移，得到三种形式石笼挡墙的总位移矢量图（见下页图2），从矢量图中可以得出石笼总位移最小的为阶梯式石笼挡墙，其最大总位移为17.8m，总位移最大为加筋式石笼挡墙，其最大总位移为318.6mm，而直背式石笼挡墙，其最大总位移为53.6m。且三种形式石笼挡墙的最大总位移均出现在第一层石笼，有滑动破坏的可能。从有限元分析三种形式石笼挡墙石笼框架变形结果中可以看出，第一层石笼变形严重，有出现破损的可能，尤其在加筋式和直背式石笼挡墙中体现较明显，破坏点主要集中在单个石笼中间网格部位，石笼框架主要出现水平位移，变形不明显。

石笼作为石笼挡墙的骨架，其相互之间采取绑扎连接，相邻石笼组的上下四角各绑扎一道，同时上下框线每隔25cm绑扎一道。进行有限元分析时，取三种形式石笼挡墙模型每层石笼框架最外侧上下边缘两点作为参考点，通过有限元分析计算其水平位移，得到三种形式石笼挡墙水平位移分布规律（见图3）。直背式和阶梯式石笼挡墙水平位移与高度成线性关系依次递减，加筋式石笼挡墙的最大水平位移出现在挡墙中部。由此说明，在填工引起的侧向工压力作用下，石笼挡墙有向外侧倾斜的趋势，从数值来看，水平位移最小的为阶梯式石笼挡墙，其水平位移为10.7mm，水平位移最大的为直背式石笼挡墙，其水平位移为28.5mm，加筋式石笼挡墙的水平位移为18.6mm。

2.3 应力分析

石笼挡墙中石笼结构所受拉力大小關系到石笼结构材料选用及工程造价，通过有限元分析三种形式石笼挡墙石笼框架所受拉应力，得到应力云图（见图4）。从图中可以看出，三种形式石笼挡墙所受拉力从下部至上部依次减小，其中拉应力最大值都出现在第一层的顶部。加筋式石笼挡墙石笼框架所受拉应力最大值为298.9kN，直背式石笼挡墙石笼框架所受拉应力最大值为250.9kN，阶梯式石笼挡墙石笼框架拉应力最大值为134.4kN。阶梯式石笼挡墙石笼框架所受拉应力分别是加筋式石笼挡墙的0.45倍、直背式石笼挡墙的0.54倍。

3 结语

本文利用有限元方法对加筋式、直背式以及阶梯式三种形式石笼挡墙进行了分析研究，其主要结论如下：

（1）石笼挡墙在路基防护中能够有效发挥作用，对路基变形有较好的控制。其能够有效控制路基侧向位移，降低路基变形，减少路基占地，降低造价。

（2）加筋式、直背式以及阶梯式石笼挡墙是常见的三种石笼挡墙形式，在考虑造价和施工难易程度的情况下，阶梯式石笼挡墙在安全系数、位移变形以及受力方面较加筋式和直背式石笼挡墙具备一定的优势，尤其在受力方面能够通过减小石笼材料强度降低工程造价。

（3）通过有限元分析能够得到三种形式石笼挡墙的受力特点、潜在滑动面的位置，优化设计有利于石笼挡墙减小造价，发挥更加有效的防护作用。