加筋路堤边坡的数值模拟分析_柏巍

灾害与防治工程2007年第1期(总第62期)加筋路堤边坡的数值模拟分析柏巍陈灯红王乾峰摘要:基于ANSYS建立了路堤边坡的三维有限元模型,对未加筋路堤和不同高度、不同边坡坡度、不同加筋间距、不同填土的加筋路堤进行了计算,对比分析了各种情况对路堤的沉降、侧移及应力分布的影响,以期能更合理的发挥筋材的效能,为工程实践服务。关键词:ANSYS;路堤边坡;加筋;数值模拟NumericalSimulationAnalysisofGeogridReinforcedSlopeEmbankmentBaiWeiChenDenghongWangQianfengAbstractThispaperestablishedthe3-DfiniteelementnumericalsimulationofaslopeEmbankmentbasedontheANSYSsoftware,andthencalculatedtheverticaldisplacement,lateraldisplacementandstressdistributionoftheslopeembankmentandthegeogridrein-forcedslopeembankmentwithdifferentheight,slopegradient,reinforcementclearance,filling.Usingthecalculationswedidacomparativeanalysisabouttheinfluenceofeachin-stanceswithadesiretomakethegeogridmoreeffective,andprovidethesupporttotheen-gineeringpractice.KeywordsANSYS;slopeembankment;geogrid;numericalsimulation加筋土是由一层或多层水平加筋构件与填土交替铺设而形成的一种复合体。近年来广泛应用于岩土工程界,在软弱地基上修筑高填路堤或堤坝时,由于填土中的侧向土压力,使地基基面承受水平剪应力,导致堤身向两侧发生侧移,很容易造成堤身的整体失稳,随着土工合成材料的兴起,近年来利用土工合成材料加筋软弱地基的工程实践日益增多,通常是在堤身底部铺设单层或多层的土工织物、土工格栅等,来限制土基的侧向位移,用以提高堤坝的稳定性,增加堤坝的填土高度,减少堤坝的竖向沉降及由此而导致的堤面或路面开裂。由于影响加筋土性状的因素众多,利用解析方法求解相当困难,而有限单元法能够考虑复杂的作者简介:柏巍(1982-),男,三峡大学土木水电学院硕士研究生;邮编:443002。1 边界条件、各种非线性材料及求解各种非线性的问题,成为了研究这一问题的重要途径。加筋土的有限元分析模型主要有两种:筋材和土体离散考虑分离式模型和筋土合为一体作为复合材料整体式模型。由于筋材与土体之间的存在相互的摩擦作用、土对格栅的被动阻抗作用及格栅孔网对土体的嵌锁作用等,把筋土合为一体作为复合材料整体考虑显得有些牵强。采用分离式有限元模型,将整个加筋体系离散为土体单元、格栅图1加筋土结构体系离散化示意图单元及接触单元,如图1所示。1有限元计算模型1.1土体单元模型土体的本构模型采用Drucker-Prager(D-P)理想弹塑性模型,该模型采用广义VonM-ises屈服准则,等效应力表达式为Rc=BI1+J2(1)1式中,I1为应力张量第一不变量,I1=Rx+Ry+Rz;J2为应力偏量第二不变量,J2=[(R1-62222sinUR2)+(R2-R3)+(R3-R1)];B=,U为内摩擦角。3(3-sinU)6ccosU材料的屈服参数表达式为Ry=,c为粘聚力。3(3-sinU)屈服准则表达式为f(R)=BI1+J2=Ry(2)土体单元选用solid45单元,如图2所示,该单元由8个节点结合而成,每个节点有x、y、z3个方向的自由度。该单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力强化、大变形和大应变的特征。1.2土工格栅筋材单元图2土体单元一般来说,土工格栅应力应变处在弹性范围内,并且只有抗拉强度,而不具有抗压和抗弯特性,所以采用shell41即membrane薄膜单元,如图3所示,该单元是一个三维构件,平面内具有膜强度但平面外没有弯曲强度,构件在每个节点有3个自由度。1.3界面接触单元有学者认为土工格栅与填土咬合力非常[1]大,所以不用采用接触单元。而事实上,通过[2-5]土工格栅界面特性试验的研究表明加筋土图3薄膜单元2 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,如图4所示。在研究两个物体之间接触时,一个物体的表面通常被认为是接触面,另一个物体的表面被认为是目标面。对于刚性体-柔性体之间接触,接触面是柔性体的表面而目标面一定是刚性体的表面,将土工格栅作为目标面,界面上的土体作为接触面,分别采用targe170单元和con-ta174单元,并让它们共用的相同实常数来形成接触对,从而来模拟土工格栅和土体之间的接触情况。图4界面接触单元1.4材料的物理、力学参数表1土体各项参数粘聚力c内摩擦角U密实度压缩模量土层泊松比L/kPa/b/(kg#m-3)/MPa路基土46260.3517105.88硬土15280.35195021.0地基土软土12150.3513502.67表2格栅各项参数格栅类型弹性模量/MPa单宽横截面积/m2每延米拉伸屈服力/(kN#m-1)泊松比L2A1@100.00260.32B4@100.002100.33C2@100.002230.32计算方案与分析方法在有限元分析中分别对未加筋路堤和不同高度、不同边坡坡度、不同加筋间距、不同填土的加筋路堤来建立不同的有限元模型计算,通过对计算结果的对比分析,得出各种情况对路堤的沉降,侧移及应力分布的影响的规律。由于对称性,将路堤划为如图5所示网格。计算的所有模型中路堤顶面宽度均为10m,地基的深度为16m,水平长度距离路堤中心的距离为40m。图5有限元模型的单元网格划分3计算结果与分析3.1不加接触单元与加接触单元的加筋效果比较以路堤高2m、坡度为1B1.5、B类格栅、硬质地基,加一层格栅为例不加接触单元的最3 大侧移为39.350mm,最大沉降为93.147mm,格栅的最大拉应力为1382.7kPa,加了接触单元之后的侧移为38.155mm,最大沉降为92.513mm,格栅的最大拉应力为1384.8kPa,对比之后可以看出加了接触单元后比不加接触单元的侧移降低了3.03%,沉降降低了0.68%,且格栅的拉应力也增加了,这表明表面加了接触单元后,土工格栅的作用发挥更明显,这也与实际的情况相符。3.2加筋层数与加筋模量对坡脚侧移的影响图6是堤高5m坡度为1B0.75时的情况,图中,A、B、C3种筋材在加5层筋时的侧移减少量分别为2.21%,4.76%和11.65%,这表明弹性模量越大的筋材,越能抑制坡脚的侧移。随着加筋层数的增加侧移逐渐的减小,但加筋层数达到一定数量后继续增加,减小的侧移量并不明显。图6加筋层数与加筋模量对坡脚侧移的影响3.3加筋层数与加筋模量对路基中心点沉降的影响从图7中可以看出随着加筋层数的增加,路堤中部观测点的沉降量逐渐减小,但作用并不明显,即使为C类格栅加到5层的减小的沉降量也只有1.68%。这是由于用不具有抗弯刚度的shell41薄膜单元来模拟土工格栅单元的缘故。但是薄膜单元在土体发生隆起或下陷时能起到类似网兜的作用,利用它抗拉能力强的特点来抑制土体的变形,因此对路堤内部应力分布更均匀起到了积极的作用。另外也图7加筋层数与加筋模量对路基可以看出增大加筋模量对加筋土体沉降的效中心点沉降的影响果要比增加筋材层数要好的多。3.4不同的铺设间距的加筋效果分析表3为堤高5m坡度为1B0.75,筋材为A类、加筋到同一高度1.8m时,各铺设间距不同时的加筋效果。表3铺设间距与加筋效果表铺设间距/m坡脚处侧移/mm路堤中心点沉降/mm0.338.473104.7270.638.894109.2840.939.074109.359表3中可以看出当铺设间距为0.3m,加筋6层的情况和加筋间距为0.9m,加筋2层的效果相差不大,而间距太小时土工格栅的抗拉性能得不到充分发挥,造成了较大的浪费,间距太大又使土工格栅很快屈服,从而也影响加筋的效果,所以从安全性和经济性的角度来说,选取合适的铺设间距非常重要。4 3.5不同边坡坡度的加筋效果分析图8中可以看出坡度越陡,土工格栅所受到的拉应力就会越大,其最大拉应力从坡度1B1.5中的182kPa增加到坡度为1B0.75的349.8kPa,且土工格栅的最大峰值随着坡度的变陡逐渐向路堤中心方向移动,这说明边坡坡度越陡,土工格栅承受拉力的范围就逐渐扩大,从而对土体的约束更加明显。3.6不同地基土质的影响表4是堤高5m,坡度为1B0.75,C类格栅,加1图8不同边坡坡度的加筋效果层筋时的情况,从中可以看出对于硬土路基加1层筋时路堤坡脚最大侧移和路堤中心的最大沉降分别比不加筋时减少4.76%和0.57%,而对于软土路基加1层筋时路堤坡脚最大侧移和路堤中心的最大沉降分别比不加筋时减少23.71%和0.97%。这说明土工格栅在软土路基中的加筋效果更为明显,且对于软土路基的侧移的抑制最为显著,这也与土工格栅的特性主要为抗拉相符。表4不同地基土质的影响路堤坡脚最大侧移/mm路堤中心的最大沉降/mm格栅最大拉应力地基类别无筋加筋无筋加筋/kPa硬土路基39.64737.759108.824108.2091516.5软土路基53.55240.851784.234776.596677.44结论(1)在计算模型中应加入接触单元来实现对土体与格栅界面之间的粘结、滑移、脱离、再闭等现象的模拟,采用了面面接触的形式,把格栅与土体的摩擦、咬合及嵌锁等相互作用通过等效为界面摩擦系数来综合考虑,取得了良好的效果。(2)加筋层数的增多和加筋模量的提高都能减小坡脚的侧移和路堤中心的沉降,但当加筋达到一定程度后侧移和沉降的减小量趋于平缓。(3)存在着一个最为合适的铺设间距,既能方便施工,又能保证工程的安全性和经济性。(4)同种情况下,边坡的坡度越大,筋材的性能发挥得越好。(5)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。参考文献:[1]范臻辉,王永和.土工格栅加筋高路堤边坡稳定性的弹塑性有限元分析[J].中南大学学报,2005,36(5):904-910.[2]杨广庆,李广信,张保俭.土工格栅界面摩擦特性试验研究[J].岩土工程学报,2006,28(8):948-952.[3]马时冬.土工格栅与土的界面摩擦特性试验研究[J].长江科学院院报,2004,21(1):11-14.[4]郝文化.ANSYS土木工程应用实例[M].北京:中国水利水电出版社,2005.[5]博弈创作室.APDL参数化有限元分析技术及其应用实例[M].北京:中国水利水电出版社,2004.[责任编辑周丽丽]5