高填方加筋路堤的有限元分析03版

结构非线性SHANGHAIUNIVERSITY高填方加筋路堤的有限元分析GRADUATEPROJECT(THESIS)学院专业学号学生姓名指导教师日期 土工合成材料及加筋土上海大学2009～2010学年春季学期研究生课程考试小论文课程名称：课程编号：论文题目:研究生姓名:学号:论文评语:成绩:任课教师:评阅日期: 土工合成材料及加筋土高填方加筋路堤的有限元分析摘要:高填方加筋路堤是近期发展迅速的一种保证高填方工程质量的优良施工方案，能减少占地拆迁，增加高填方边坡的稳定，技术性能安全。目前常用的设计方法，仍是在传统的土坡稳定分析方法中考虑筋材的作用。本文应用大型有限元软件ansys对加筋陡坡建立模型，进行有限元分析，从加筋后的效果可以看出承载力得到提高。同时，对加筋高路堤分别应用极限平衡法、毕肖普法、强度折减有限元法（平面模型）计算其稳定安全系数，结果说明了加筋路堤的稳定性得到了加强。关键词:高填方路堤，ansys，稳定分析，稳定性系数，有限元Abstract:Highfillreinforcedembankmentwhichcanensurethestabilityofslopeanddecreasetheusingofsoillandisabetterconstructionplanofassuringengineeringquality.Informercommondesignmethod,westillconsideredtheroleofthereinforcementmaterialinthetraditionalslopestabilityanalysismethods.Thispaperusethesoftwareofansystoanysisthefactsofthereinforcedembankment,theresultsindicatesthatthestabilityinsoilengineeringwasenhanced.Bycalculatingthesafetyfactorofoneengineering,itisindicatedthatthemethodisreliableandaccessible.Itgetstheexactresultforavoidingtreatwiththequestionsimplyinothermethodsofslopestabilityanalysis.Keywords:Highfillreinforcedembankment,ANSYS,stabilityanalysis,Stabilitycoefficient,finiteelementmethond 土工合成材料及加筋土1.绪论1.1加筋土技术的发展加筋土是指在土体中加入了筋带、纤维材料或网状材料等，土体原具有一定的抗压和抗剪强度，而抗拉强度却很低，在土内掺入或铺设适当的筋材后，筋材藉摩擦力将自身的抗拉强度与土体的抗压强度结合起来，不同程度地改善土体的强度与变形性态；筋材埋在土体中，可以扩散土体的应力，增加土体模量，传递拉应力，限制土体侧向位移；还增加土体和其它材料之间的摩阻力，提高土体及有关建筑物的稳定性，可用来建筑路基、挡墙、桥台、堤坝等工程[1]。为了使我国加筋土工程的设计、施工更加规范、安全。同时，反映我国在这一技术领域的科研成果，各领域对于加筋土工程的应用颁布了相应的行业规程。我国交通部早在1991年就制定并颁发了《公路加筋土工程设计规范》(JTJ015-91),《公路加筋土工程施工技术规范》(JTJ035-91)等行业标准。1998年初国家正式颁发了《公路土工合成材料应用技术规范》(GB50290-98),《公路土工合成材料试验规程》。铁道部颁布《铁路工程土工合成材料应用技术规范》(TB10118-99)。交通部制定和颁发了《水运工程土工织物应用技术规程》(JTJ/T239-98)、水利部制定和颁发了《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》(TB10118-99)。这些规程大大推动我国的加筋土技术的推广和应用[2]。1.2加筋路堤特点加筋路堤指在高填方或半填半挖施工时，每几层铺设土工布或土工格栅以及锚杆之类的能加强土的抗拉强度和整体稳定性的材料来改善土的受力性能。路堤在加筋后，能很好地提高土的抗剪承载力和整体稳定性，减小其变形量，可有效地防止路基失稳破坏，保证其使用要求和质量安全。可用于加筋的土工合成材料的种类很多，主要有土工网、土工格栅等。随着土工合成材料工业的发展，土工格栅作为一种新型的合成材料，具有高强度、低延伸率、高稳定性等优点，在加筋工程中应用越来越广泛，文中所提“加筋”，即指土工格栅。其在路堤中的作用相当于钢筋混凝土中钢筋的作用[3]。加筋陡坡路堤的特点：一是在场地有限或缺乏填料等情况下，要求建造的路堤坡度较大，传统的堤坝已不能满足自然稳定的要求，而加筋陡坡可解决上述工程问题，取得安全、合理和经济的效果。二是防止由于边坡土料侧向移动而产生的表面滑塌，提高填土压实质量。三是可采用原地土作填料，大大节省施工费用和时间。四是减少填土方量，节约土地[4]。1.3加筋土研究现状目前，国际上对加筋的作用机理还处在研究阶段，没有形成成熟的理论计算方法。对加筋土工程的设计计算的主要方法有：极限平衡法、极限状态法和有限元法三种[5]。1、极限平衡法由于加筋土结构的复杂性，目前的绝大多数设计方法都是建立在极限平衡理论基础之上的半经验方法。它是从无加筋极限平衡法的基础上演绎出来的。其思路是：首先假定可能的破坏形式，然后在极限平衡分析中计入加筋的拉力对加筋土结构稳定性的贡献。例如圆弧滑动法就是基于极限平衡理论得到的设计方法。2、极限状态法7 土工合成材料及加筋土1990年以来，岩土工程师开始将极限状态法的思想和基本概念引入加筋土结构的工程设计。虽然对这一方法的解释尚不完善，但却预示着加筋土结构工程设计的深刻变革；极限状态法同时考虑强度和变形，即承载力极限状态和正常使用极限状态；以及引入风险系数，即分项系数，来代替整体安全系数。英国标准BS8006：1995和欧洲标准EurocodeENV-1997-1:1994采用的就是极限状态法。3、有限单元法有限单元法是将岩土介质离散为仅在结点相连的若干单元，将载荷移置于结点，利用插值函数考虑连续条件，由矩阵力法或矩阵位移法方程组统一求解岩土介质的应力场和位移场。但缺点是程序较复杂，计算工作量大，特别是多维、非线性和复杂结构问题。目前在常规设计中极少应用。2.加筋的作用机理2.1加筋土结构的强度机理加筋土是一种复合体，它是由土和加筋材料构成的复合体。由于加筋材料的强度和弹性模量远远高于土体，所以加筋土在荷载作用下会在筋、土界面上产生摩擦力，从而土体的变形会受到加筋材料的约束。正是由于这种加筋材料的约束作用提高了土体的强度[6]。2.2加筋土的工作原理目前的研究表明筋、土间相互作用的机理大致可归纳为两大类：一是摩擦加筋原理，一是准黏聚力原理[7]。一、摩擦加筋原理根据加筋土复合体中筋－土之间的基本构造，在筋体中取一微段来分析，如下图所示，微元体长为dL，拉筋左截面受力为T1,右截面受力为T2,压拉筋的法向应力为σ。略去微元体土体的重量和筋带重量。设筋、土之间的摩擦系数为f，b为筋带宽度。由于土的水平推力，在该微元段拉筋所起的拉力为dT，则有：dT=T1-T2。设dF为土粒与拉筋在该微元段产生的总摩擦力，则有：dF＝2fσdLb如果dF>dT，则筋土之间就不会产生相互错动，即土的水平推力被筋土之间的摩擦力所克服，微元体保持稳定，反之则不能保持稳定。                                σT1T2dL摩擦加筋原理概念明确，简单，但是它忽略了在力的作用下筋带的变形，也未考虑土是非连续介质、具有各向异性的特点。图2.1摩擦加筋原理示意图Fig2.1sketchmapoffrictionreinforcedtheory7 土工合成材料及加筋土二、准黏聚力原理这一原理是根据未加筋砂土和水平布置一层或多层筋材的加筋砂土三轴试验结果分析而提出的，如下图所示。  加筋砂土非加筋砂土 στσ3 cσ1fσ’3123σ图2.2无筋和加筋砂土强度分析Fig2.2intensityanalysisofreinforcedanduninforcedsoil将加筋砂圆柱土样和未加筋土样进行三轴对比试验可知，若未加筋砂土在大主应力σ1和小主应力σ3作用下达到极限平衡状态，如图中的圆1，则筋砂土样在同样大小的σ1作用下就达不到极限平衡，是处于弹性平衡状态，如图中的圆2。如果在试验中我们对加筋砂土仍施以σ3并保持不变，欲使试样达到新的极限平衡状态势必增大σ1到σ1f，如图中的圆3。试验研究证明：筋材在试验中不被拉断和滑动，仅其中的砂土被破坏，加筋砂土破坏包线的内摩擦角与未加筋砂土的破坏包线的内摩擦角近似相等，且加筋砂土的破坏包线不通过坐标原点而与纵坐标轴相交，其截距为c，因此可知在砂土中加筋，改善了砂土的性能，使之增大了砂土的抗剪强度，相当于增加了一个黏聚力。且称c为准黏聚力。此时，达到破坏的最大主应力可表示为σ1f：σ1f=σ3kp+2c(kp)1/2在三轴试验中，如果将加筋砂土样视为无加筋砂土样，则欲使其达到平衡状态，有：σ1f=（σ3+△σ3)kp由此可以得到此即为加筋砂土所增加的黏聚力。因此称这个“粘聚力”为“准粘聚力”，这个理论为“准粘聚力理论”。3.加筋陡坡的有限元分析3.1加筋土的本构关系土与筋材相互作用的模拟是加筋作用得以实现的一个重要特性，其作用机理较为复杂。对加筋土结构进行有限元分析时，通常有三种考虑方法[8]：7 土工合成材料及加筋土(1)把土和筋看作复合材料，按复合材料分析。这一方法计算工作量较少，但不能深入分析筋土之间的相互作用。(2)把土和筋带分别考虑，在二者之间引入界面反应单元，建立结构的连续方程，统一求解。界面上的反应单元可以考虑结构内部材料边界剪切流变性质，结构的力学模拟比前一种有了进步。但这一种考虑使结构的受力状态更加复杂，计算工作量大幅度增加。(3)介于上述两种方法之间，有人提出所谓加筋土薄层单元来进行加筋土结构的有限元分析。这一考虑把复杂的界面单元简化为筋材与土组成的复合体，称为薄层单元，其拉应力由筋带来承受，而压应力及剪应力由土体承担.但这一方法在模型的选取和参数的确定比较麻烦，在实际应用和理论研究方面还需进一步研究。本文采用有限元方法对加筋土结构进行分析的思路是把土工合成材料单元与土单元分开考虑，在土工合成材料单元与土单元之间设接触面单元。3.1.1土体和筋材的本构关系土的本构关系是很复杂的，具有非线性、弹塑性、粘塑性。没有任何一种模型能够考虑到所有这些因素，也没有任何一种模型能够适用于任何加载情况[9]。我国工程界应用较多的是邓肯-张模型、剑桥模型和DruckerPrager(Ｄ-Ｐ)模型，前者属于弹性非线性本构关系，后两者属于弹塑性非线性本构关系。本例在ANSYS程序中的本构模型采用DruckerPrager模型，其屈服条件为广义Von-Mises屈服条件。本文中例子筋才为格栅，格栅是只能承受拉力而不能承受压力的柔性材料,它不具有抗弯刚度，只能沿轴向变形。3.1.2格栅－土接触面单元模型有学者认为土工格栅与填土咬合力非常大,所以不用采用接触单元[10]。而事实上,通过土工格栅界面特性试验的研究表明加筋土的界面特性和土体之间的界面特性有着较大的差异,且土工格栅与土之间的存在相对滑动现象,因此如果简单的将筋材和土看作一体作为复合材料,显得有些牵强。理论上,不同材料之间也应设接触单元,因此有必要在土工格栅和土这两种性质相差甚远的不同材料之间设置接触单元。3.2有限元分析模型及计算参数对加筋路堤进行有限元分析计算时，包含4部分的基本参数：路堤和地基的几何参数；各组成部分材料的强度变形参数；网格划分和边界条件；荷载工况。图3.2高填方加筋路堤示意图（单位米）Fig.3.2Sketchmapofthehighreinforcedembankment加筋路堤概况：加筋边坡：高度H＝19m；坡角θ＝tan-1(19/16)=500；路堤等代宽度B=48m；地基深度7 土工合成材料及加筋土h＝20m；地基填土的抗剪强度：φ,=340，c,=12.5kPa；加筋区填土的特性：γ=18.8kN/m3,φ,=340，c,=25kPa；土工格栅抗拉模量：E＝2000kN/m。加筋间距为40cm。图3.3平面有限元分析网格划分图(未加筋)Fig.3.3Meshingfor2DFEA按照平面问题计算，土体单元采用6节点三角形平面单元Plane2模拟，并设置成平面应变模型；格栅采用一维线性单元Link1模拟；为简化计算，假定加筋材料与土体在各点变形协调，取消接触单元。坡体底边界为固定约束，左、右边界为水平约束，上边界为自由边界。表3.1加筋－土界面参数Tab.3.1Parametersofsoil-geosyntheticinterfaces类型K1nRfδ0筋土界面600.02.2271.0350注：K1、n、Rf为非线性指标；tan(δ0)为摩擦系数。3.3强度与稳定性分析图3.4～图3.5分别为加筋前后路堤的侧向位移、沉降变化曲线；由图可知，加筋后对侧位移和沉降有消减作用。7土工合成材料及加筋土图3.4加筋对侧向位移的影响Fig.3.4Effectofreinforcementonlateraldeflection图3.5加筋对地表沉降的影响Fig.3.5Effectofreinforcementonsettlementoffoundationsurface7土工合成材料及加筋土7土工合成材料及加筋土加筋边路堤与素土边坡具有相似的变形性态，其坡面最大侧向位移发生在边坡的中下部位，而不是在坡脚。7 土工合成材料及加筋土加筋的作用在于减小土基的侧向位移，产生了侧向约束作用，从而减少了土体的主应力差（σ1-σ3），降低了应力水平。加筋后路堤的侧向位移减小，加筋增加了路堤的稳定性，但其究竟哪种加筋间距最好还有待更进一步的分析。下面分别使用极限平衡法、Bishop法和弹塑性有限元法研究加筋陡坡路稳定性问题，并在弹塑性有限元法中引入抗剪强度折减的概念以求解稳定安全数。用几种方法分别对工程实例进行计算分析，对计算结果进行对比研究。表3.2加筋边坡稳定安全系数Tab.4.5Safetyfactorsofreinforcedembankment种类极限平衡法Bishop法强度拆减法未加筋0.6950.8170.691加筋后1.6751.8961.686从上表中可以看出，加筋后高填方路堤的稳定性系数得到较大提高，加筋取得很好的效果。有限单元法不需要做任何假定，计算模型不仅能满足了力的平衡方法，而且满足土体的应力应变关系；能够模拟土体与其加筋材料的共同作用；能对加筋前后的边坡进行稳定性对比分析，这是极限平衡法所不能的；其计算结果更精确、更可靠。边坡加筋前后的分析表明，加筋后坡体的滑动面产生后移的趋势，直观地说明了加筋材料的作用。4.结论本章中主要利用有限元法对加筋边坡路堤的强度和稳定性作了分析，与不加筋路堤对比分析可以看出：（1）加筋后高填土陡坡的强度得到了增强，在软土路基中加筋,可以显著的抑制土体的侧移和路堤中心的沉降。（2）加筋层数的多少和加筋的量对加筋后路堤的提高程度不同，可以在后面的学习中更进一步的分析。（3）三种方法计算的安全稳定性系数差别不少，说明有限元分析高填方路堤的安全稳定性系数并一定是安全可靠的，不可轻易采用有限元软件的数据。7 土工合成材料及加筋土参考文献[1]蔡锦陶.国内加筋土结构的发展及应用.煤矿设计,1998年第7期:37～41[2]周志刚.公路土工合成材料设计原理及工程应用.北京:人民交通出版社，2001.8:1～85[3]周志刚等.土工加筋技术及其在公路铁路工程中的综合应用[C].全国第五界土工合成材料学术会议论文集.香港:现代知识出版社，2000：210～218.[4]杨锡武等.山区高等级公路加筋高路堤陡边坡研究.公路交通科技，2001年2月(1)：17～20[5]土工格栅加筋路堤应用技术研究：[硕士学位论文]．西安：长安大学，2002：1～35[6]中华人民共和国交通部.公路土工合成材料应用技术规范(JTJ/Ｔ019-98)[Ｓ].北京:人民交通出版,1998[7]LuoZhiqiang,TanShiliu.ApplicationofthegeoteXtiveintheSubgradeoftheSaftsoilBage.Proc.Int.ConferenceonSoftsoilEngineering.SeiencePress,1993,695～698[8]陈群.加筋土本构模型研究进展.岩土工程技术,2003年第6期:360～363[9]郑颖人.广义塑性力学的加卸载准则与土的本构模型.岩土力学,2000年12月第21卷第4期:426～429[10]柏巍.陈灯红.王乾峰.加筋路堤边坡的数值模拟分.灾害与防治工程,2007年第1期:1～57