农田防洪工程格宾石笼护坡的应用分析

江冬建

（都昌县水利局，江西 九江 332600）

0 引 言

格宾石笼护坡抗冲刷、抗腐蚀性能较好，整体性强，柔韧性好，对于河床变形能较好适应，在护岸工程中已经有所应用，但是有关石笼护坡的受力力学性能、破坏模式等并未形成完整的计算理论，在工程设计及应用方面也缺乏相关指导。都昌县七里桥农田防洪工程格宾石笼护岸长1.94km，格宾石笼坡式护岸长2.56km，文章依托该农田防洪工程，通过展开格宾单体结构压缩试验和直剪试验，进行了格宾石笼单元黏聚力及内摩擦角的推算，以此为基础，对格宾石笼护坡工作原理、受力特点及破坏的机理模式展开分析探讨，以期对农田防洪工程中格宾石笼护坡的推广应用提供借鉴。

1 试验设计

此次格宾石笼力学性能及破坏模式试验采用华东交通大学和江西省交通设计院共同研制的大型土石混合料多功能试验机。该仪器具备破坏面不固定、垂直荷载不偏心、正应力恒定等优势特征，剪切试验结果误差小[1]。试验仪器由主机系统、量测系统、液压控制系统、数据采集分析系统、吊装辅助系统等部分组成。通过荷载传感器量测水平荷载和垂直荷载，量程最大可达1000kN；借助2 只最大量程500mm 的差动变压器式位移传感器和4 只最大量程200mm 的差动变压器式位移传感器量测水平位移和垂直位移。以上测量过程中量程按照20%、50%及100%依次标定，测量精度为满量程的1%。

试验开始前，使用直径2.26mm 的铁丝按照88mm×70mm 的网格尺寸制作格宾石笼，并使捆扎好的石笼网长×宽×高为50cm×50cm×40cm；石笼内填充块径5～20cm 的棱角状石灰岩块石。因填石形状大小并不规则，装填好的格宾石笼空隙率全部为实测值，压缩试验和剪切试验分别装填4 组试样，依次编号C-1～C-4 和S-1 和S-4。根据实测结果，装填好的石笼试样空隙率在30.1%～41.5%之间。

在无侧限条件下展开压缩试验，在格宾石笼布置2 道十字形拉筋，在石笼受压后量测其各个侧面鼓胀变形量，与此同时设置2 个位移传感器。测量时在每个侧面中线和顶部相距20cm 和30cm 处依次设置两个测点，并标号为A 和B；受压至格宾石笼铁丝断裂后结束试验。

剪切试验开始前将充填满块石的石笼装入刚性剪切盒内，依次施加25kN、50kN、75kN 及125kN的荷载，并在试验过程中保持正压力不变；在施加水平推力的过程中下方剪切盒发生移动，受到传力装置作用后上方剪切盒向反方向位移。石笼结构在上下剪切盒错开后受剪，直至出现剪切破坏，并测量此时法向荷载所对应的最大剪切力[2]。

在以上压缩试验和剪切试验过程中，试验数据均通过多功能试验机采集并自动记录，试验结束后对数据展开分析，得出格宾石笼单体结构力学强度试验结果。

2 试验过程及结果

2.1 压缩试验

根据格宾石笼受压后侧面和剪切盒之间的位移相对变化量，得出鼓胀变形量检测结果。根据试验结果，格宾石笼承受压力后中部鼓胀变形量比中下部略大；C-4 试样侧面4 的A 点鼓胀变形量为负值，结合勘察发现，此处石笼受压后在石块尖端的作用下断裂。选取试验结果较好的C-3 试样进行分析，由数据采集系统根据所记录的试验数据生成应力-应变关系曲线，该曲线并非线性变动[3]。格宾石笼在受到外荷载作用后压缩过程可分成4 个阶段：①外荷载较小时，填充的块石之间相互接触并逐渐压密闭合，特别是棱角尖锐块石的尖端受压后断裂破碎；②填充的块石受压密实后表现出一定的弹性变形；③弹性变形阶段结束后，填石所承受的压力越来越大，部分块径较大的块石受压破碎，挤压、镶嵌并重新排列，密实度进一步提升，且嵌挤及镶嵌状态在压力增大后反复调整，对应的应力-应变关系曲线也呈阶梯状上升态势；④随着压力的进一步增大，侧向挤压变形加大，超出格宾石笼铁丝抗拉强度后引发铁丝断裂，但块石尚未完全崩塌，应力-应变曲线仍以上凹形式上升。由于格宾石笼内填石属于非连续材料，在受压过程中块石间接触关系不断改变，所以石笼受压过程中表现出较为明显的弹塑性变形特征，故应力-应变曲线也呈阶梯上升的整体特征[4]。

表1 格宾石笼受压后侧面鼓胀变形量 cm

2.2 剪切试验

格宾石笼剪切试验共设置4 组试样，试验过程中每个试样的铁丝均被剪断，根据试验结果绘制石笼剪切应力-位移关系曲线。通过对曲线走势的分析，在剪切位移不超出50mm 的范围内，剪应力匀速增长；而当剪切位移超出50mm 后，剪应力便出现0.02～0.11MPa 的波动，其中S-4 试样曲线波动幅度最大，在剪切后期几乎呈连续波动状态。S-2及S-4 试样曲线存在明显峰值，其余两个测点对应曲线则以上凸形式上升；石笼铁丝断裂后的数据因无法采集而缺失。以S-2 及S-4 试样曲线峰值为破坏剪应力，而以S-1 及S-3 试样曲线趋于稳定的剪应力为破坏剪应力，结果具体见表2。

表2 试样破坏剪应力

试验所用多功能试验机正应力恒定，故能结合剪切面积变化进行竖向荷载自动调整，但这是基于剪切面光滑的假设前提。石笼内填充的块石受剪后会翻移和重新排列，正应力也会在这一过程中发生改变。根据对剪切过程中剪应力与正应力变化趋势的分析看出，S-1、S-2 及S-3 试样正应力均随剪应力的增长略微增长；S-4 试样的正应力却出现大幅增长，最大变化量为0.4MPa。通过分析原因发现，该试样块石填充时摆放不规则，块石间主要以点-面、边-面接触为主；剪切试验时块石翻移所造成的体积变化较大，故正应力增加也较明显。

根据试验结果对格宾石笼破坏剪应力和正应力展开线性回归分析，所得到的函数关系式为y=0.9934x+0.5632，相关系数R=0.9986，线性相关性较好，该曲线同时也是石笼库仑抗剪强度线。结果表明，格宾石笼是铁丝笼与充填块石的组合结构，其强度大小主要取决于铁丝笼和块石的综合作用效果，且明显高出单纯的块石堆砌护坡强度。

3 格宾石笼破坏模式

基于以上压缩试验及剪切试验对格宾石笼工作原理、力学特性、受力特点及破坏机理的分析，探索出以下几种该农田防洪工程格宾石笼护坡可能的破坏模式，不同破坏模式的适用条件和破坏特征不尽相同。

3.1 沿接触面滑动破坏

对于质量较好的格宾石笼，在受到外荷载作用后会沿着石笼和土体间接触面发生滑动破坏，进而沿石笼底部滑动，最后则在河床土体内形成滑动面并冲出河床[5]。以上滑动破坏过程具体见图1。

图1 沿接触面滑动破坏

采用等安全系数法展开折线滑动稳定安全系数计算，假设三个不同滑动块具有相等的抗滑安全系数，即K1=K2=K3=K。

1）第一滑动块为AHJGCB，该滑动块向第二块滑动块施加的不平衡推力为P1，根据反作用力原理，第二块滑动块会向第一块滑动块产生大小相同、方向相反的抵抗力。则抗滑安全系数计算公式为：

式中：K1为第一滑动块抗滑安全系数；W1为格宾石笼护坡重力，kN/m；f1为第一滑动块和护坡土体间的摩擦系数；α1为格宾石笼倾角，°；P1为第一滑动块不平衡推力，kN/m；W1sinα1为下滑力，kN/m；W1cosα1f1+P1为抗滑力，kN/m。

通过式（1）可推导出不平衡推力：

考虑到该农田防洪工程格宾石笼外挑深入护坡土体，大部分于土体内通过，仅石笼一角点处属于石笼和土体之间滑动，故第一滑动块和土体间的摩擦系数f1=tanφ1，φ1为第一滑动块和土体内摩擦角。2）第二滑动块为GFDC，该滑动面基本水平，滑动块作用力仅包括沿第一滑动块滑动方向的P1、与水平滑动向反方向的P2以及向下的重力W2，对应的下滑力和抗滑力依次为P1cosα1和对应的抗滑安全系数表示如下：

式中：K2为第二滑动块抗滑安全系数；W2为格宾石笼护底重力，kN/m；f2为格宾石笼护底与土体间摩擦系数；P2为第二滑动块所施加的不平衡推力，kN/m。

格宾石笼和护坡地基之间摩擦系数主要受到地基土质、石笼钢丝类型、石笼充填块石大小等诸多因素影响，在石笼底部充填块石粒径大且均匀、填砌规整，护坡地基土硬质的情况下，石笼很容易和地基之间形成直线滑动面，可近似地以干砌石和土体摩擦系数作为格宾石笼和地基间的摩擦系数；相反，若石笼底部充填的块石粒径不一，地基土质较软，则只能在护坡土体内形成直线滑动面，无法沿石笼底部滑动，只能以土体内摩擦系数即f2=tanφ2作为格宾石笼和地基间的摩擦系数，其中2φ为河床土体内摩擦角。

根据式（3）可以得出第二滑动块不平衡推力，即：

3） 第 三 滑 动 块 为EFD， 对 应 的滑 动 力 和 抗 滑 力 分 别 为P2cosα3和抗滑安全系数为：

式中：W3为第三滑动块重力，kN/m；α3为第三滑动块滑动面倾角，°；2φ为农田防洪工程河床土体内摩擦角；c2为河床土体黏聚力，kPa；l为第三滑动块滑动面实际长度，m。

将以上式（2）（4）代入（5）后可以得出该种破坏模式下的安全系数方程以及安全系数理论值。值得注意的是，第三滑动块滑动面倾角α3属于未知数，假定系列值后得到的最小安全系数即是该种破坏模式下的安全系数。

3.2 沿石笼层间滑动面的滑动破坏

该农田防洪工程格宾石笼高度较大，石笼中充填的块石粒径较小，重量轻。如果石笼间绑扎数量过少，则在破坏过程中填土内首先出现滑动面，并产生主动土压力，此后便会引发石笼沿层间接触面滑动，且随着深度和土压力的增大，底部两层格宾石笼间必然发生滑动破坏，即图1 中的JKL。忽略格宾石笼间绑扎线抗剪强度，则沿石笼层间的抗滑安全系数为：

式中：Ks为沿石笼层间的抗滑安全系数；W为滑动块重力，kN/m；Eay为主动土压力沿垂直向分力，kN/m；f综合为上下层石笼间综合摩擦系数；Eax为主动土压力沿水平向分力，kN/m。

在此种破坏模式下，格宾石笼沿图1 中的JKL滑动面滑动，其总长为b，分成长度为b-b1的石笼间滑动面和长度为b1的石笼与填土间滑动面两部分，且每个长度段均对应不同的滑动摩擦系数。

综合摩擦系数f综合可通过加权平均求取，计算公式为：

式中：f2为石笼和护坡土体间摩擦系数；f3为上下层石笼间摩擦系数，该取值主要与石笼钢丝网孔尺寸、格宾石笼界面平整度等有关，网孔尺寸越小且接触面越平整，则石笼层间摩擦系数越小。

限于篇幅，对于农田防洪石笼护坡工程而言，沿格宾石笼外缘倾覆破坏以及深层整体滑动破坏等形式均有可能出现，但出现的可能性比文章所提及的两种破坏模式小，故文章不再赘述。

4 结 论

综上所述，格宾石笼是由钢丝笼和充填块石所构成的综合体，其受力、变形特征及破坏模式与一般的岩土体不同，通过文章分析得知，因格宾网片垂直于机编方向的极限抗拉强度比平行于机编方向的极限抗拉强度大，故应使格宾石笼内部间隔网片与护坡面垂直，以最大限度减小和控制石笼结构水平剪切变形。格宾石笼剪切模量及强度是石笼格网充填块石后两种材料组合变形特征的体现，且充填块石的剪切模量比石笼剪切模量高；石笼护坡水平位移一般大于垂直位移。采用等安全系数法计算格宾石笼沿土体接触面滑动破坏时安全系数计算结果偏小偏安全；沿石笼层间滑动面滑动破坏的摩擦系数主要通过现场试验确定。