充填管袋筑堤施工期仿真模擬

江 泉，肖 涵

（河海大學力學與材料學院，江蘇南京,210098）

充填管袋筑堤具有就地取材、施工簡單、周期短、費用低、對軟基的適應能力好、對環(huán)境污染小等優(yōu)點，被越來越廣泛地應用到圍墾海堤建設中。但是充填管袋筑堤工藝在國內的運用在國內起步較晚，技術相對不是十分成熟，很有必要開展圍墾海堤施工期的安全監(jiān)控研究，通過監(jiān)測海堤沉降變形等有關安全指標，定量地掌握海堤施工期的工作性態(tài)，為進行工程的安全進行提供實測依據(jù)。

管袋堤壩施工期有限元仿真模擬，主要是利用ABAQUS 有限元軟件，對管袋裸壩和堤基建立模型，模擬施工過程中的管袋逐層加載過程，計算獲得各個加載過程堤壩的沉降、應力等狀態(tài)，并結合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析，確保堤壩施工的安全進行。

1 數(shù)值計算條件

1.1 模型計算斷面

以條子泥大型匡圍工程充填管袋裸壩為研究對象，壩高7.0m，壩頂寬8.0m，壩頂標高9.0；堤壩臨水測上坡、下坡坡比均為1:2.5，背水側上坡、下坡坡比均為1:3；臨水測有一處平臺，平臺寬5.0m，標高6.0，背水側有兩處平臺，上平臺寬3.0m，標高5.50，下平臺寬3.0m，標高4.0；棱體采用150m2土工布充泥管袋；為防止施工期越堤流對對棱體內側坡腳的沖刷導致棱體失穩(wěn)，在外棱體底部設一層大砂袋，超出內坡腳5.0m。

1.2 土工管袋模擬

土工管袋視為對堤身土體的加筋。目前雖然對荕土界面相互作用的研究很多，但由于影響荕土相互作用的因素很復雜，很難形成一種公認的模擬方法。本文假設土工管袋和土體間沒有相對滑移，處于緊密咬合狀態(tài)，在ABAQUS 數(shù)值型中作嵌入處理。采用桁架單元（Truss 單元）模擬土工管袋。土工管袋只能承受拉力，所以在模型中設置桁架單元不受壓。堤身和堤基土層參數(shù)如表1所示。

表1 堤壩土層主要物理學指標

1.3 本構模型和邊界條件

依據(jù)土體試驗數(shù)據(jù)，本構模型選用莫爾－庫侖模型,數(shù)值模型如圖1 所示。

數(shù)值計算模型中壩底寬58.0m，以兩側坡腳為基準向外側各取50m 作為堤基計算邊界。壩底標高2.0，向下取30m 作為堤基計算邊界。由于堤壩較長，簡化成平面應變問題建模。

圖1 網(wǎng)格模型

模型共有7945 個節(jié)點，7761 個單元。模型采用直角坐標系。模型網(wǎng)格如圖1 所示。

堤基兩側設置法向約束；因為堤基的沉降量隨深度的增加而減小，認為堤基深30m 處不動，堤基底部設置固端約束，表面自由。

2 施工期仿真模擬

充填管袋筑堤主要分兩步，第一步是充填和排水過程，第二步是固結過程，伴隨此過程堤壩會出現(xiàn)相應的沉降、水平位移等變形。模型中第一步取一很短的時間，主要計算在第二步中完成。

在模型中可以認為管袋和中間的吹填土是同時加載的。相同高度的左右兩層管袋和其中間的吹填土為同一層填土，整個管袋裸壩共分為14 層。

2.1 管袋筑堤模擬方法

堤壩由14 層管袋逐層加載建成，在模型中可以按照如下方法呈現(xiàn)筑堤過程：模型用了Load 和Con 兩組各14 個分析步，第一組用來模擬管袋的鋪設充填過程，第二組用來別模擬管袋的固結沉降過程。這兩組分析步兩兩交叉進行，分別對應充填排水和固結兩種過程。

由于管袋是分層加載的，在加載第一層管袋時，第二層到第十四層管袋不存在，因而要用到Abaqus 的生死單元功能。原理是，加載各層管袋前先將模型中的整個管袋裸壩移除（remove），每加載一層管袋就還原（add）一層，加載完第十四層管袋時，模型計算完成。

2.2 管袋筑堤模擬特點

圖2 是管袋堤壩工后沉降示意圖，堤壩經(jīng)過一定時間的排水固結，逐漸從圖中的實線位置沉降到虛線位置。但施工過程中堤壩沉降形態(tài)與此并不相同。我們來研究已經(jīng)加載完成某些層，開始加載下一層時的情況。

2.3 模型計算結果

加載第一層管袋后，堤基開始發(fā)生變形，沉降最大處位于第一層填土中部，堤基和管袋接觸面處，數(shù)值為0.67cm，沉降量以該點為中心，向兩側逐漸減小，隨深度呈層狀遞減趨勢。

隨著管袋的逐層加載，堤基以及各管袋層的變形量增大。加載完第十四層后，管袋分層加載結束，堤壩沉降情況如圖3 所示，應力分布如圖4 所示。整個沉降變形影響區(qū)域類似于一個橢球形，以第一層填土中部為中心，向外層狀遞減，最大沉降量為7.879cm。取沉降量最大的節(jié)點，與該點附近現(xiàn)場實測沉降數(shù)值進行對比，如圖5 所示。圖中曲線為數(shù)值模型中該點隨填土分層加載的沉降值變化曲線，散點為堤壩典型斷面第一層填土中部沉降磁環(huán)測得的數(shù)據(jù)。通過對比可以清晰地看出，兩組數(shù)據(jù)趨勢相同，但是數(shù)值模型計算結果7.879cm 要比實測沉降量9.3cm 小15.3%，原因主要有施工人員踩踏、施工機械碾壓、施工期延長等原因。

壩體和堤基主要受壓應力作用，最大有效應力出現(xiàn)在模型底部，為326.9Kpa 。圖6 是模型第一層填土中部有效應力計算結果與現(xiàn)場監(jiān)測壓力的對比，可以看到，模型計算結果與現(xiàn)場監(jiān)測值非常接近。在堤壩兩側坡腳下方的堤

圖3 沉降分布

圖4 應力分布

圖5 沉降對比

基分別發(fā)生向兩側延伸的水平位移，數(shù)值較小，兩側最大水平位移均為1.3～1.4cm；水平方向應力分布如圖7 所示，土工管袋承受水平方向的拉力，受力情況較均最大拉應力為28.6Kpa，即0.143KN/m，遠遠小于抗拉強度70KN/m，說明在施工期中，土工管袋是安全的。從圖8 可以看到，土工管袋所受力分布明顯不同

圖7 水平應力分布

于其周圍土體，這是由于土工管袋和土體產(chǎn)生了摩擦作用，土體在變形過程中，把水平方向的膨脹應力傳遞給土工管袋，減小了土體在水平方向的膨脹變形。

3 結論

結果基本符合實測數(shù)據(jù)。最大沉降量為7.88cm，位于第一層填土中部，比現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)小約15%；有效應力與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)非常吻合。

土工管袋對土體起到了約束作用，減小了土體在水平方向的伸展變形。

Abaqus 具有強大的非線性求解功能，能夠很好地模擬管袋筑堤工程中管袋逐層加載的施工過程，獲得各階段壩體和堤基沉降、應力分布、水平位移等變形數(shù)據(jù)，為堤壩施工期安全監(jiān)測提供數(shù)據(jù)支持。

圖2 分層沉降示意圖

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