充填管袋筑堤施工期仿真模拟

江 泉，肖 涵

（河海大学力学与材料学院，江苏南京,210098）

充填管袋筑堤具有就地取材、施工简单、周期短、费用低、对软基的适应能力好、对环境污染小等优点，被越来越广泛地应用到围垦海堤建设中。但是充填管袋筑堤工艺在国内的运用在国内起步较晚，技术相对不是十分成熟，很有必要开展围垦海堤施工期的安全监控研究，通过监测海堤沉降变形等有关安全指标，定量地掌握海堤施工期的工作性态，为进行工程的安全进行提供实测依据。

管袋堤坝施工期有限元仿真模拟，主要是利用ABAQUS 有限元软件，对管袋裸坝和堤基建立模型，模拟施工过程中的管袋逐层加载过程，计算获得各个加载过程堤坝的沉降、应力等状态，并结合现场监测数据进行对比分析，确保堤坝施工的安全进行。

1 数值计算条件

1.1 模型计算断面

以条子泥大型匡围工程充填管袋裸坝为研究对象，坝高7.0m，坝顶宽8.0m，坝顶标高9.0；堤坝临水测上坡、下坡坡比均为1:2.5，背水侧上坡、下坡坡比均为1:3；临水测有一处平台，平台宽5.0m，标高6.0，背水侧有两处平台，上平台宽3.0m，标高5.50，下平台宽3.0m，标高4.0；棱体采用150m2土工布充泥管袋；为防止施工期越堤流对对棱体内侧坡脚的冲刷导致棱体失稳，在外棱体底部设一层大砂袋，超出内坡脚5.0m。

1.2 土工管袋模拟

土工管袋视为对堤身土体的加筋。目前虽然对荕土界面相互作用的研究很多，但由于影响荕土相互作用的因素很复杂，很难形成一种公认的模拟方法。本文假设土工管袋和土体间没有相对滑移，处于紧密咬合状态，在ABAQUS 数值型中作嵌入处理。采用桁架单元（Truss 单元）模拟土工管袋。土工管袋只能承受拉力，所以在模型中设置桁架单元不受压。堤身和堤基土层参数如表1所示。

表1 堤坝土层主要物理学指标

1.3 本构模型和边界条件

依据土体试验数据，本构模型选用莫尔－库仑模型,数值模型如图1 所示。

数值计算模型中坝底宽58.0m，以两侧坡脚为基准向外侧各取50m 作为堤基计算边界。坝底标高2.0，向下取30m 作为堤基计算边界。由于堤坝较长，简化成平面应变问题建模。

图1 网格模型

模型共有7945 个节点，7761 个单元。模型采用直角坐标系。模型网格如图1 所示。

堤基两侧设置法向约束；因为堤基的沉降量随深度的增加而减小，认为堤基深30m 处不动，堤基底部设置固端约束，表面自由。

2 施工期仿真模拟

充填管袋筑堤主要分两步，第一步是充填和排水过程，第二步是固结过程，伴随此过程堤坝会出现相应的沉降、水平位移等变形。模型中第一步取一很短的时间，主要计算在第二步中完成。

在模型中可以认为管袋和中间的吹填土是同时加载的。相同高度的左右两层管袋和其中间的吹填土为同一层填土，整个管袋裸坝共分为14 层。

2.1 管袋筑堤模拟方法

堤坝由14 层管袋逐层加载建成，在模型中可以按照如下方法呈现筑堤过程：模型用了Load 和Con 两组各14 个分析步，第一组用来模拟管袋的铺设充填过程，第二组用来别模拟管袋的固结沉降过程。这两组分析步两两交叉进行，分别对应充填排水和固结两种过程。

由于管袋是分层加载的，在加载第一层管袋时，第二层到第十四层管袋不存在，因而要用到Abaqus 的生死单元功能。原理是，加载各层管袋前先将模型中的整个管袋裸坝移除（remove），每加载一层管袋就还原（add）一层，加载完第十四层管袋时，模型计算完成。

2.2 管袋筑堤模拟特点

图2 是管袋堤坝工后沉降示意图，堤坝经过一定时间的排水固结，逐渐从图中的实线位置沉降到虚线位置。但施工过程中堤坝沉降形态与此并不相同。我们来研究已经加载完成某些层，开始加载下一层时的情况。

2.3 模型计算结果

加载第一层管袋后，堤基开始发生变形，沉降最大处位于第一层填土中部，堤基和管袋接触面处，数值为0.67cm，沉降量以该点为中心，向两侧逐渐减小，随深度呈层状递减趋势。

随着管袋的逐层加载，堤基以及各管袋层的变形量增大。加载完第十四层后，管袋分层加载结束，堤坝沉降情况如图3 所示，应力分布如图4 所示。整个沉降变形影响区域类似于一个椭球形，以第一层填土中部为中心，向外层状递减，最大沉降量为7.879cm。取沉降量最大的节点，与该点附近现场实测沉降数值进行对比，如图5 所示。图中曲线为数值模型中该点随填土分层加载的沉降值变化曲线，散点为堤坝典型断面第一层填土中部沉降磁环测得的数据。通过对比可以清晰地看出，两组数据趋势相同，但是数值模型计算结果7.879cm 要比实测沉降量9.3cm 小15.3%，原因主要有施工人员踩踏、施工机械碾压、施工期延长等原因。

坝体和堤基主要受压应力作用，最大有效应力出现在模型底部，为326.9Kpa 。图6 是模型第一层填土中部有效应力计算结果与现场监测压力的对比，可以看到，模型计算结果与现场监测值非常接近。在堤坝两侧坡脚下方的堤

图3 沉降分布

图4 应力分布

图5 沉降对比

基分别发生向两侧延伸的水平位移，数值较小，两侧最大水平位移均为1.3～1.4cm；水平方向应力分布如图7 所示，土工管袋承受水平方向的拉力，受力情况较均最大拉应力为28.6Kpa，即0.143KN/m，远远小于抗拉强度70KN/m，说明在施工期中，土工管袋是安全的。从图8 可以看到，土工管袋所受力分布明显不同

图7 水平应力分布

于其周围土体，这是由于土工管袋和土体产生了摩擦作用，土体在变形过程中，把水平方向的膨胀应力传递给土工管袋，减小了土体在水平方向的膨胀变形。

3 结论

结果基本符合实测数据。最大沉降量为7.88cm，位于第一层填土中部，比现场监测数据小约15%；有效应力与现场监测数据非常吻合。

土工管袋对土体起到了约束作用，减小了土体在水平方向的伸展变形。

Abaqus 具有强大的非线性求解功能，能够很好地模拟管袋筑堤工程中管袋逐层加载的施工过程，获得各阶段坝体和堤基沉降、应力分布、水平位移等变形数据，为堤坝施工期安全监测提供数据支持。

图2 分层沉降示意图

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