關(guān)于格賓石籠的設(shè)計(jì)計(jì)算的探討

1、關(guān)于格賓石籠的設(shè)計(jì)計(jì)算的探討 摘 要：格賓石籠主要應(yīng)用于護(hù)坡護(hù)岸，其結(jié)構(gòu)布置的常見(jiàn)型式有重力式、階梯式及貼坡式等，設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)工程特點(diǎn)及功能需求進(jìn)行自由組合，但需保證結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定，籠體布置的層數(shù)和排數(shù)應(yīng)通過(guò)穩(wěn)定計(jì)算確定。格賓石籠為柔性結(jié)構(gòu)，目前暫無(wú)明確的計(jì)算理論和規(guī)范可供遵循；鑒于其主要運(yùn)用于護(hù)坡護(hù)岸，建議主要參考現(xiàn)行水利規(guī)范、水工設(shè)計(jì)手冊(cè)、堤防工程手冊(cè)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，但應(yīng)注意其與現(xiàn)行擋土墻的 值計(jì)取、水壓力計(jì)算、揚(yáng)壓力計(jì)算的算法存在差異。 關(guān)鍵詞：格賓石籠 石籠設(shè)計(jì) 石籠計(jì)算 格賓石籠主要應(yīng)用于護(hù)坡護(hù)岸，其具有生態(tài)、適應(yīng)力強(qiáng)、施工簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)；近年來(lái)，格賓石籠在水利、市政、交通等工程建設(shè)

2、領(lǐng)域中得以廣泛運(yùn)用。特別是在“蜂巢格網(wǎng)生態(tài)防護(hù)技術(shù)”納入水利部2007年度水利先進(jìn)實(shí)用技術(shù)重點(diǎn)推廣指導(dǎo)目錄（水技推200749號(hào)）后，格賓石籠防護(hù)技術(shù)在水利工程中得以普及，衍生了綠格網(wǎng)擋墻、蜂巢擋墻、雷諾護(hù)墊等，但這些只是格賓材料或規(guī)格尺寸不同，總體都屬于格賓石籠，本文不細(xì)述；本文主要就格賓石籠運(yùn)用于護(hù)坡護(hù)岸時(shí)的設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行探討；其中主要就土壓力計(jì)算、靜水壓力計(jì)算、摩擦系數(shù)取值提出個(gè)人見(jiàn)解。 1 格賓石籠的常見(jiàn)型式及設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容 在實(shí)際工程中，格賓石籠主要用作石籠墻護(hù)岸、石籠護(hù)坡、石籠+石籠墻組合體護(hù)坡護(hù)岸；一般用于擋墻結(jié)構(gòu)的格網(wǎng)石籠厚度不宜小于0.5m；用于貼坡防護(hù)和護(hù)坦結(jié)構(gòu)時(shí)厚度宜采用0

3、.2m0.5m。格賓石籠結(jié)構(gòu)布置的常見(jiàn)型式有重力式（仰斜式、俯斜式、直立式）、階梯式及貼坡式等，設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)工程特點(diǎn)及功能需求進(jìn)行自由組合，但需保證結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定，籠體布置的層數(shù)和排數(shù)應(yīng)通過(guò)穩(wěn)定計(jì)算確定。 在進(jìn)行格賓石籠設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)工程區(qū)域特點(diǎn)（總體布置需求、用地條件、地質(zhì)條件、施工條件等）及功能需求，并根據(jù)有關(guān)規(guī)范規(guī)程要求進(jìn)行穩(wěn)定和強(qiáng)度計(jì)算，做出合理的斷面設(shè)計(jì)。格賓石籠設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容如下： 1）選擇典型部位，初擬多種斷面結(jié)構(gòu)型式，進(jìn)行正常情況和非常情況下的整體穩(wěn)定計(jì)算，包括抗滑穩(wěn)定、抗傾穩(wěn)定、地基應(yīng)力計(jì)算；進(jìn)行單個(gè)石籠的抗滑出、抗傾覆計(jì)算。 2）調(diào)整優(yōu)化各斷面結(jié)構(gòu)型式并重新進(jìn)行穩(wěn)定驗(yàn)算，直

4、到滿足要求為止；對(duì)各斷面結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，擇優(yōu)選擇出合理斷面結(jié)構(gòu)型式，完善細(xì)化石籠設(shè)計(jì)。 2. 格賓石籠的設(shè)計(jì)計(jì)算 2.1設(shè)計(jì)計(jì)算的依據(jù)及內(nèi)容 格賓石籠為柔性結(jié)構(gòu)，有別于剛性結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論，模擬計(jì)算較為復(fù)雜，目前暫無(wú)明確的計(jì)算理論和規(guī)范可供遵循；鑒于其主要運(yùn)用于護(hù)坡護(hù)岸，為簡(jiǎn)化計(jì)算，建議主要參考現(xiàn)行堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范（gb50286-2013）、水工設(shè)計(jì)手冊(cè)第2版第10卷 邊坡工程與地質(zhì)災(zāi)害防治（2013年1月），可適當(dāng)參考水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范（sl379-2007）、堤防工程手冊(cè)（毛昶熙主編，2009年9月）進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。 格賓石籠設(shè)計(jì)為重力式、階梯式防護(hù)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行抗滑穩(wěn)定、抗傾穩(wěn)定、地

5、基應(yīng)力計(jì)算，需進(jìn)行單個(gè)石籠的抗滑出、抗傾覆計(jì)算。格賓石籠設(shè)計(jì)為貼坡式防護(hù)時(shí)，岸坡自身應(yīng)穩(wěn)定，需驗(yàn)算貼坡石籠沿坡面方向的抗滑穩(wěn)定性；需進(jìn)行單個(gè)石籠的抗滑出計(jì)算。 2.2 格賓石籠的整體穩(wěn)定設(shè)計(jì)計(jì)算 2.2.1 格賓石籠的荷載分類及組合 格賓石籠設(shè)計(jì)為重力式、階梯式防護(hù)時(shí)，在不同工作條件下，作用于該類格賓石籠的荷載有：石籠及其底板以上的填土自重；破裂體填土面上的各種有效荷載；土壓力；靜水壓力；揚(yáng)壓力（浮托力）；浪壓力；波浪回落時(shí)的滲流力、拖拽力；寒冷地區(qū)的冰壓力和凍土膨脹壓力；地震力；其它附加荷載dd車輛荷載、人行荷載等臨時(shí)荷載。 格賓石籠在設(shè)計(jì)為重力式、階梯式防護(hù)時(shí)，其荷載組合和剛性結(jié)構(gòu)的重力式

6、擋土墻的荷載組合基本相同，僅在計(jì)算靜水壓力、揚(yáng)壓力、結(jié)構(gòu)內(nèi)力時(shí)有所不同，其主要區(qū)別為： 類 別 靜水壓力計(jì)算 揚(yáng)壓力計(jì)算 結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算 剛性結(jié)構(gòu)的重力式擋土墻 按規(guī)范計(jì)算 由浮托力和滲透壓力組成 進(jìn)行截面壓應(yīng)力、拉應(yīng)力及剪應(yīng)力計(jì)算 重力式、階梯式格賓石籠防護(hù)體 除水位驟降外，可按相等考慮 等于浮托力 進(jìn)行單個(gè)石籠的抗滑出、抗傾覆計(jì)算 計(jì)算作用在重力式、階梯式格賓石籠防護(hù)體上的荷載時(shí)，可依據(jù)前述規(guī)范和手冊(cè)中的荷載組合表作荷載組合后進(jìn)行計(jì)算，各種荷載計(jì)算可參考現(xiàn)行的水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范及前述規(guī)范、手冊(cè)。 格賓石籠設(shè)計(jì)為貼坡式防護(hù)時(shí)，其要求岸坡自身應(yīng)穩(wěn)定；作用于該類格賓石籠的荷載主要有：貼坡式石籠

7、體自重、摩擦力、浮托力（浸泡于水中時(shí)）、滲流力、拖拽力；在摩擦力不能確保貼坡石籠沿坡面方向的抗滑穩(wěn)定安全性時(shí)，可采取措施附加抗滑力。在進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計(jì)算時(shí)，其荷載組合為簡(jiǎn)單的自重、摩擦力、浮托力（浸泡于水中時(shí)）、附加抗滑力（如有）組合；在進(jìn)行單個(gè)石籠的抗滑出計(jì)算時(shí)，其荷載組合為滲流力、拖拽力、摩阻力組合。當(dāng)岸坡較陡時(shí)，可改采用石籠水平放置、逐層向后錯(cuò)臺(tái)壘碼的防護(hù)型式，錯(cuò)臺(tái)寬度按堤岸自然坡度或設(shè)計(jì)需要的坡度確定。 2.2.2 格賓石籠的主要荷載計(jì)算 格賓石籠常規(guī)情況下最主要的外部荷載為土壓力、附加荷載、水壓力、浮托力、滲流力、拖拽力；其中在計(jì)算土壓力、水壓力、浮托力時(shí)，其計(jì)算辦法與擋土墻計(jì)算存在差

8、異，本節(jié)主要對(duì)土壓力、水壓力、浮托力計(jì)算項(xiàng)目提出個(gè)人見(jiàn)解。 2.2.2.1 土壓力計(jì)算 2.2.2.1.1 主動(dòng)土壓力 按庫(kù)侖土壓力理論計(jì)算，主動(dòng)土壓力計(jì)算簡(jiǎn)圖及計(jì)算公式如下： 當(dāng)墻背垂直（ =0）、墻表面光滑（ =0）、填土表面水平（ =0）且與墻頂齊平時(shí)， 可簡(jiǎn)化為： 。 在堤防工程手冊(cè)中，也按主動(dòng)土壓力公式計(jì)算石籠墻護(hù)岸所承受的土壓力，取主動(dòng)土壓力的作用方向與水平面為零夾角；該手冊(cè)中提出的主動(dòng)土壓力系數(shù)計(jì)算公式為： 式中 為石籠墻的傾角， 的意義同前。 該公式實(shí)質(zhì)上是將現(xiàn)行規(guī)范和水工設(shè)計(jì)手冊(cè)中的主動(dòng)土壓力公式里的參數(shù) 和 取0值后進(jìn)一步簡(jiǎn)化得出。按現(xiàn)行規(guī)范和水工設(shè)計(jì)手冊(cè)中的主動(dòng)土壓力系數(shù)

9、計(jì)算公式，對(duì)于階梯式、仰斜式石籠護(hù)坡（石籠墻），在取 =0時(shí)， 值最大。 在現(xiàn)行規(guī)范和水工設(shè)計(jì)手冊(cè)中，說(shuō)明 的取值可按右表中的 值表采用。另外，鐵道科學(xué)研究院建議外摩擦角 的選擇與墻背斜角 有關(guān)，在 值介于 區(qū)間時(shí)， =（0.250.67） ；填土表面傾角 越大，墻的工作條件又較好時(shí)，可采用較大的 值。在原蘇聯(lián)水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范中，介紹了 、 、 的關(guān)系，詳見(jiàn)下表。 可見(jiàn)在原蘇聯(lián)水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范中，對(duì)仰斜墻背，在 時(shí)均取 =0，與堤防工程手冊(cè)中的算法相同。鑒于實(shí)際進(jìn)行石籠護(hù)坡設(shè)計(jì)時(shí)，以階梯式、仰斜式防護(hù)為主，且其仰斜墻背滿足 ，建議在對(duì)階梯式、仰斜式石籠護(hù)坡（石籠墻）進(jìn)行計(jì)算時(shí)，可取 =0計(jì)

10、算主動(dòng)土壓力。在不滿足 時(shí)，如無(wú)明確依據(jù)，可采用上述表格中的 值表和 取值表進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于俯斜式、直立式石籠墻護(hù)坡，建議同時(shí)根據(jù)上述表格中的 值表和 取值表計(jì)算后取偏安全值。 在進(jìn)行主動(dòng)土壓力計(jì)算時(shí)，需根據(jù)我們已了解的各種計(jì)算方法靈活應(yīng)用。因?yàn)橥翂毫τ?jì)算時(shí)本身都存在一定的誤差，所以很多情況下，可以分別用多個(gè)公式進(jìn)行土壓力計(jì)算，可不必拘泥于某個(gè)公式的選擇，而應(yīng)做到全面掌握、靈活應(yīng)用。例如：墻后為多層填土?xí)r，可按加權(quán)平均值法、換算高度法、分層平分法、壓力直接傳遞法、假設(shè)垂直墻背法進(jìn)行計(jì)算；墻后為折線形墻背時(shí)，可按加權(quán)平均值法、換算高度法、延長(zhǎng)墻背法、假設(shè)垂直墻背法進(jìn)行計(jì)算；墻后存在粘性土?xí)r，可將粘

11、性土的粘聚力當(dāng)作抗剪強(qiáng)度的一部分，或?qū)⒄尘哿φ鬯愠蔀榈戎祪?nèi)摩擦角進(jìn)行計(jì)算。相關(guān)計(jì)算項(xiàng)目和具體計(jì)算辦法在上述規(guī)范和手冊(cè)中均已有詳細(xì)說(shuō)明，設(shè)計(jì)時(shí)按相應(yīng)說(shuō)明進(jìn)行計(jì)算即可，本文不作探討。 2.2.2.1.2 被動(dòng)土壓力 在水工設(shè)計(jì)手冊(cè)中，說(shuō)明被動(dòng)土壓力計(jì)算公式為： 當(dāng)墻背垂直（ =0）、墻表面光滑（ =0）、填土表面水平（ =0）且與墻頂齊平時(shí)， 可簡(jiǎn)化為： 。 關(guān)于是否應(yīng)考慮重力式擋土墻的被動(dòng)土壓力，在現(xiàn)行的堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范、水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范及水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范中均未提及；通常設(shè)計(jì)時(shí)，從偏安全角度考慮，可忽略不計(jì)其墻前被動(dòng)土壓力的影響。如擋土墻的墻前防護(hù)措施可靠，能確保墻趾埋深的有效性，則建議

12、可作如下處理：可按主動(dòng)土壓力計(jì)算影響，而不按被動(dòng)土壓力計(jì)算；按被動(dòng)土壓力計(jì)算值予以折扣，即按被動(dòng)土壓力的某個(gè)百分?jǐn)?shù)來(lái)考慮，如有文獻(xiàn)建議按其30%50%采用（亦可采用水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范p47頁(yè)的折減系數(shù)）。對(duì)于格賓石籠，鑒于其為柔性結(jié)構(gòu)，其適應(yīng)變形能力較強(qiáng)，其基礎(chǔ)宜淺埋，其對(duì)基礎(chǔ)處理的要求亦可適當(dāng)放寬，建議不計(jì)其墻前被動(dòng)土壓力的影響。 2.2.2.2 靜水壓力計(jì)算 靜水壓力計(jì)算公式為 ，式中： 為水的重度（kn/m3）， 為水壓力計(jì)算高度（m）， 為水壓力計(jì)算系數(shù)。 除水位驟降情況外，格賓石籠的墻前后水位可按相等考慮。在水位驟降時(shí)，雖然格賓石籠自身具有強(qiáng)透水性，但由于墻后土體內(nèi)滲流的滯后性，墻前

13、后水位差仍然存在，計(jì)算時(shí)必須考慮水位驟降時(shí)的不利影響。建議可參考水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范中的p98頁(yè)的條文說(shuō)明，對(duì)于潮汐河道上的擋土墻，其墻前、墻后水位差取相應(yīng)最不利條件下最大潮差值的 1/31/2 為宜。對(duì)于水庫(kù)或退水迅速的行洪河道上的擋土墻，應(yīng)考慮水位驟降的影響，其墻前、墻后水位差取相應(yīng)最不利條件下最大水位差值的 1/2 為宜。 2.2.2.3 浮托力計(jì)算 格賓石籠所受的浮托力=石籠浸泡于水中的體積 。 式中： 為石籠填石孔隙率，參考堤防工程手冊(cè)， 可取 。 2.2.2.4 其它荷載計(jì)算 在計(jì)算格賓石籠的自重時(shí)，主要應(yīng)注意計(jì)算時(shí)要扣除填石孔隙率。 在計(jì)算浪壓力等其它荷載時(shí)，可參考現(xiàn)行規(guī)范和水工設(shè)

14、計(jì)手冊(cè)、堤防工程手冊(cè)進(jìn)行計(jì)算；在前述規(guī)范和設(shè)計(jì)手冊(cè)中已有詳細(xì)的計(jì)算辦法和例題，設(shè)計(jì)時(shí)參照相應(yīng)說(shuō)明或例題進(jìn)行計(jì)算即可。本文不作探討。 2.2.3 格賓石籠的整體穩(wěn)定計(jì)算 2.2.3.1 抗滑穩(wěn)定計(jì)算 本處主要探討格賓石籠布置于土基上時(shí)的抗滑穩(wěn)定計(jì)算時(shí)的 值取值事宜。 參考現(xiàn)行規(guī)范，格賓石籠的抗滑穩(wěn)定計(jì)算公式可采用： 或 ，相關(guān)符號(hào)意義如下所述。 在進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計(jì)算時(shí)，應(yīng)特別注意要避免未經(jīng)復(fù)核而引用廠家提供的摩擦系數(shù)；例如某廠家提供的文件說(shuō)明格賓石籠與砂性土的摩擦系數(shù) 值取0.6、與粘性土的摩擦系數(shù) 值取0.5，本人認(rèn)為其所提供的摩擦系數(shù)偏高且沒(méi)有代表性，建議不予采用。建議請(qǐng)地質(zhì)工程師提出相應(yīng)的摩

15、擦系數(shù)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，如果地質(zhì)勘察報(bào)告中提供的 值偏保守，低于上述表格中給出的 值或遠(yuǎn)低于以現(xiàn)行的水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范中的公式折算的綜合摩擦系數(shù)時(shí)，建議設(shè)計(jì)人與地質(zhì)工程師溝通，如其所提供的相關(guān)巖土參數(shù)和摩擦系數(shù)有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做支撐，則以地勘專業(yè)提供的 值為準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算；如其沒(méi)有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做支撐，則應(yīng)要求地勘專業(yè)進(jìn)行復(fù)核并提供復(fù)核后的合理成果用于設(shè)計(jì)計(jì)算。 關(guān)于抗滑穩(wěn)定的具體計(jì)算，在上述規(guī)范和手冊(cè)中均有詳細(xì)說(shuō)明，本文不作敘述。僅建議：石籠墻的受力與剛性結(jié)構(gòu)的重力式擋土墻所承受的荷載存在差異，不可以簡(jiǎn)單換算后完全依賴現(xiàn)行的擋土墻設(shè)計(jì)計(jì)算軟件進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計(jì)算；對(duì)位于水中的土壓力計(jì)算時(shí)，必須用土的浮

16、重度代替土的重度；要注意各個(gè)作用力的作用方向和角度。 2.2.3.2 抗傾穩(wěn)定和地基應(yīng)力計(jì)算 參考現(xiàn)行規(guī)范，格賓石籠的抗傾穩(wěn)定和地基應(yīng)力計(jì)算公式可采用： ， ，相關(guān)符號(hào)意義如下所述。 在明確了格賓石籠擋墻的各個(gè)作用力的大小、方向、作用點(diǎn)后，其抗傾穩(wěn)定和地基應(yīng)力計(jì)算較為容易，本文不作探討。在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，注意格賓石籠為柔性結(jié)構(gòu)，其可不受現(xiàn)行規(guī)范中規(guī)定的擋土墻基底應(yīng)力最大值與最小值之比允許值的限制。 2.2.4 單個(gè)石籠的抗滑出、抗傾覆計(jì)算 在堤防工程手冊(cè)的第4.8.3、第4.9.3、第4.9.4、第4.18節(jié)中，已對(duì)石籠護(hù)坡的抗滑出、抗傾覆計(jì)算有詳細(xì)計(jì)算說(shuō)明。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，所設(shè)計(jì)的石籠護(hù)坡厚度或石籠墻結(jié)構(gòu)型式均滿足該手冊(cè)中要求的抗滑出和抗傾覆的安全尺寸要求。設(shè)計(jì)時(shí)可參考該手冊(cè)進(jìn)行計(jì)算，本文不作引用。 3. 結(jié)語(yǔ) 格賓石籠為柔性結(jié)構(gòu)，目前暫無(wú)明確的計(jì)算理論和規(guī)范可供遵循；建議在無(wú)明確依據(jù)時(shí)可主要參考上述規(guī)范和手冊(cè)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。參考現(xiàn)行規(guī)范和手冊(cè)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，主要應(yīng)注意其與現(xiàn)行擋土墻的 值計(jì)取、水壓力計(jì)算、揚(yáng)壓力計(jì)算時(shí)存在差異，另應(yīng)注意在計(jì)取格賓石籠時(shí)的摩擦系數(shù) 值的計(jì)取。注意格賓石籠為柔性結(jié)構(gòu)，其適應(yīng)變形能力較強(qiáng)，計(jì)算時(shí)可不受現(xiàn)行