半填半挖加筋土路堤稳定性有限元分析.pdf

垫!!垒I堑：塑』=墼篁!堡塑!：：：：：：：：：：鋈堕壅壑：．：：：：=奎翼三堡半填半挖加筋土路堤稳定性有限元分析■牛义昌一河南省交通科学技术研究院有限公司。河南郑州450000摘要：加筋土路堤作为复合路堤，目前的稳定性分析大多简单地将筋材的作用等效为拉力，忽略了土体——筋材的相互作用，并按照传统的极限平衡法，以事先假定的滑动面进行试算。显然这是一种比较粗糙的处理方法，增加了分析设计的风险性和不确定性。随着现代科学计算技术的发展，基于剪切强度折减法的边坡稳定性分析日益受到重视。本文通过Midas—GTS数值模拟软件，采用有限元强度折减法，对半填半挖式加筋土路堤的稳定性进行了模拟分析，其结果可为相关工程设计参考。关键词：加筋土路堤稳定性强度折减法数值模拟稳定性是加筋土路堤设计首先应考虑的问题。以往的加筋土路堤稳定性分析多采用传统的极限平衡法，并简单地将筋材的作用等效为拉力，而忽略了土体～筋材的相互作用。本文以具体工程为背景，通过建立合理的筋一土摩擦单元，运用有限元强度折减法对半填半挖加筋土路堤的稳定性进行了数值模拟，对其稳定性和失稳模式进行了深入分析；进一步探讨了不同材料参数和加筋形式下加筋土路堤的稳定性情况。1加筋土加固作用主要表现在以下两个方面1．1荷载的调整作用在路堤台阶处通过设置土工格栅等土工材料，材料上下两侧士体颗粒受到约束，土体本身颗粒间及土体颗粒与土工格栅间的咬合力作用加强，土体中的应力场得到了改善，土体刚度提高，挖填两部分的整体联结得到了加强。1．2对土体的约束作用由于土工材料与土体之间存在摩擦力，因此在滑移荷载作用下，将限制土体的移动，尤其是侧向变形，避免路堤顶部一定深度范围填土出现局部沉降滑动，降低路堤滑动失稳的可能性，从而避免路堤和路面结构出现拉裂或滑裂。2半填半挖路堤稳定性分析一般半挖半填加筋土路堤主要有以下两种破坏模式：(1)土体滑移破坏。即加笈材料与土体之间的约束力难以抵抗下滑荷载，导致士体发生侧向位移，即沿一定的滑动面滑移；当侧向位移过大时，则在填挖交界面出现过大不均匀沉降，路堤发生破坏。(2)筋材拉断破坏。即由于加筋材料强度不足且下滑力过大时，筋材被拉断而破坏。路堤边坡发生滑动是由于引起滑动的力超过了抵抗滑动的力，因此可从分析滑动体上力的平衡来判别是否会失稳滑动。一般滑动体并不规整，滑动面上的抗剪强度是变化的。为了便于计算，极限平衡法将滑动体划分为若干竖直向的土条，分析土条上作用的力，进而求得总体的滑动力和抗滑力来评价边坡的稳定性。包括已提出的瑞典条分法、简化毕肖普法、摩根斯坦法、简布法等。20世纪60年代以来，有限元法开始应用于边坡的稳定性分析．为边坡稳定性分析提供了新的思路。有限元法用于边坡的稳定性分析有其独特优点：(1)滑动面上的计算应力比较真实，可考虑应力应变的非线性和弹塑性；(2)将稳定性和位移的发展联系起来。现场观测只能测出位移的发展，无法测出安全系数，将稳定性和位移的发展联系起来就可以依据位移估计安全性的变化，这对施工中监测和控制边坡的稳定性十分重要；(3)可模拟岩土体与各种支挡结构的共同作用。基于有限元的强度折减法在计算最小安全系数时，认为边坡的弹性模量E和泊松比v不变，将粘聚力C和摩擦角按下面的方式逐渐减小，直到计算发散为止，将发散时的Fs作为最小安全系数。3加筋土路堤稳定性数值模拟分析3．1工程概况某半填半挖路堤，原有岩体表层为全风化片麻岩及强风化岩岩层，按设计方案对其进行台阶开挖处理，在回填土部分采用下部全铺式、上部半铺式土工格栅加固法，形成加筋土路堤陡边坡，土工格栅间距0．33m，设计坡比为1：0．5。3．2半填半挖路堤数值模型对岩体和填土采用莫尔一库伦本构模型进行计算，土工格栅为仅具有抗拉强度的薄膜单元，而对筋——土摩擦界面采用Goodman接触单元来模拟其加筋作用。3．3数值模拟结果与分析数值模拟结果与分析：(1)加筋和素土条件下数值模拟结果。计算模型由半填半挖路堤边坡及其地基组成，分别计算加筋和不加筋条件下半填半挖路堤的稳定性。在位移云图中，素土的最大位移为10．83cm，而路堤边坡一侧位移值为5cm，在实际工程中则为路堤的差异沉降，导致整个路堤结构性的破坏；而加筋土的最大位移为3cm，且向路堤内部扩散，与素土相比，位移分布较为均匀。而在剪应变云图中，可以看出，素土已经形成了明显的滑坡体，浅色部分为塑性贯通区，坡体滑动稳定性安全系数为1．1875，低于《公路路堤设计规范．ITJ013—95》中规定的1_25；而加筋土中，塑性区域向填土内侧分布，在填挖交接处沿台阶分布，填土整体无塑性贯通区，半铺式加筋土内侧为剪应变峰值处，但其仍不及素土剪应变峰值的1．2％，稳定安全系数为3．3875，满足规范的要求。全铺式土工格栅最上层将受最大拉力，其值为71．4kN，其次为其下部的全铺式土工格栅，其值在40．3—35．8kN之间。通过对半填半挖路堤加筋处理前后计算结果分析，可以得到以下结论：加筋土确实有效的控制了路堤边坡最大位移值和最大剪应变值，使其处于安全范围以内，并可控制填挖交接面差异沉降；重新调整了回填土内部塑性区域的分布，使其向内部扩散，进而抑制了塑性贯通区的形成；较大的提高了路堤边坡安全系数，为边坡的长期稳定性提供了安全储备。(2)不同加筋形式下数值模拟结果。为了比较不同加筋形式下加筋土路堤边坡稳定性结果与规律，将土工格栅设置为不铺、全部半铺、上部半铺——下部全铺、全部全铺四种形式，其它参数不变，分别计算其边坡稳定性。土工格栅全部半铺形式下，路堤边坡面的位移虽有较大改善，但仍较大。这是因为虽然其控制了填土区域内圆弧形滑坡，使塑性区域向内部发展，但却未能控制填挖交界面处的滑坡。所以边坡一侧位移沉降仍超出了许可范围。而原设计方案采用上部半铺、下部全铺的方案，有效的控制了坡面的侧向位移以及沉降；若采用上下均全铺的方案，在此基础上对位移控制略有提高，但效果不明显。因此原方案较为满足工程的技术和经济性。(3)不同填土摩擦角下数值模拟结果。在模型和其它参数不变的条件下，改变回填土的摩擦角，进而调整其与土工格栅的嵌挤摩擦效果。随着摩擦角的增大，填土与土工格栅的嵌挤摩擦作用得到增强，并可进一步控制路堤边坡的侧向位移及竖向沉降。并且填土内部塑性区域也得到进一步扩散，当摩擦角为600时，土工格栅最大受拉强度为36．3kN／m，且上下层格栅之间受力更为均匀。本工程由于施工条件限制，采用内摩擦角为300的细粒土，可基本满足工程要求。建议今后同类工程在条件许可下，尽可能采用摩擦角较大的回填土(如砂土)作为加筋土路堤的填土材料。4结语本文利用Midas—GTS结构有限元程序，分析了半填半挖加筋土路堤的稳定性，对土工格栅的加筋机理进行了深入探讨，并分析了不同加筋形式和填土材料对加筋土路堤边坡稳定性的影响，得到以下结论：对于半填半挖路堤的失稳机理及土工合成材料的加筋机理。采用有限元强度折减法可较为真实的模拟其实际工程情况；在路堤回填土内部铺设土工格栅，可显著改善路堤的力学性质，并可调整塑性区域的分布，使其向内部扩散，从而抑制塑性贯通区形成；可较大提高路堤边坡安全系数，为边坡长期稳定性提供安全储备；本工程采用上部半铺、下部全铺的土工格栅铺设方案，可较好的满足工程安全和(下转第126页)·127· 并同时能够对净化水体。陆生物种选择要结合到河道两岸景观与空间要求。3．4景现设计从某些方面来看，城市河道治理与景观设计有密切的联系。通过河道治理工作，在恢复河道生态环境与功能的前提下将人造景观设施融人其中。景观在设计时要结合到该区域的具体情况，并且要突出特色。3．5生态环境修复环境恢复方法通常来说有三类。一是物理方法，通过机械设施进行疏通除藻等。二是利用化学方法，通过化学药液剂达到目标。生态方法则是通过人工增氧，湿地修建，生物放养等方式。物理方法通常是作为一种突发性的应急措施。化学方法成本较高并且容易造成二次污染。生态治理方法则包括了人工增氧，人工湿地，生态浮岛与水生物调控，人工补水等。从其它流域调水与补水，可以增大河流流量，增大流速，也可以提升水体含氧量促进生物与植物数量与种类增加，加快污染物吸收，从而形成良性循环。而人工湿地建设则是利用已有湿地基础，进一步进行完善，创造适合生物生长与栖息的环境，同时将城市休闲景融入其中。4河道修复方案议价及其基本原则河道修复方案涉及到的指标较多，在对方案进行评价时，要将单目标与多目标相结合。为了提升评价结果的准确性，可以将定性与定量分析二者相结合。评价方案所涉及到的指标要求准确，但是某些指标无法达到要求，自身具有模糊性。评价时要考虑到此种情况，并通过合理的方法进行转化。方案要考虑到现有状况下的复杂效果，还能对其可能造成的影响进行预测。在遵循相关原则能基础上建立评价模型。5结束语随着社会经济发展人们对于河道治理的认识也在不断深入。河道治理工作的要求更高，在满足基本功能的基础一I-，将关注的重点放在了河道自身的生态性与人文景观环境方面。基于生态的河道治理与恢复，重点在于恢复河道原有的生态系统，保持生物多样性，改善河道水体环境，提升环境的自我修复能力，实现人类社会发展与自然环境之间的和谐与真正意义上的可持续发展。参考文献[1]陈胜鲁．生态修复技术在河道整治中的应喟探究[J]．资源节约与环保，2015(12)．[2]于雪．小城镇河道环境综合整治的探讨[J]．黑龙江科技信息，2013(05)．[3]洪辉铭．生态河道设计理念在我国河道环境改造中的应用——以四川郫县沱江河流域环境综合整治规划为例[J]．住宅与房地产，2016(21)．—+一一‘-一一—一——+。-—●一*■一—·卜-+一+—+一+一+-+—+-+一+”+“+一+*+一+-+··+．·+一+··+一+一+”+··+⋯-1-+··+-+-+一+一+一+—+-—+．-+一+一+-+-+一+一+．(上接第122页)干扰等具体情况采用光纤通信或RS一232／485网络通补充，相互校核。以自动化监测为主，自动监测与人工监测相结合，确信，组成分布式自动化监测系统[2】。保观测资料的完整性、准确性和可靠性。自动化监测系统应满足实时2．2监测站布置性、可靠性、实用性、先进性和可扩展性等要求。在坝顶及环库公路周边各监测断面位置布置了13座监测站，在库底排水廊道出口处布置l座监测站。通信网络线集中引至主坝坝顶观测房内，接人上水库自动化观测系统。3结束语溧阳抽水蓄能电站安全监测设计是以国家有关规程规范和水库大坝安全管理条例为依据，借鉴国内外蓄能电站的安全监测设计经验，结合本工程的规模等级、地质条件、结构形式和施工特点等进行的。以保证工程安全运行，全面反映大坝工作性态为主，做到重点突出、兼顾全面、技术先进、经济合理。选择有代表性的部位布置测点并构成监测剖面。各部位、各区域的监测项目或仪器设备，尽量做到相互配合、相互参考文献[1]郑晓红，王玉洁，张立，等．泰安抽水蓄能电站上水库安全监测设计[J]．华东水电技术，2006(4)．[2]袁锦虎，邱正刚，邓虹．惠州蓄能电站安全监测自动化设计方案[J]．水电自动化与大坝监测，2010(4)．作者简介：邬昱昆(1981年9月生)，男，高级工程师，硕士，主要研究方向：安全监测。·—卜一‘—卜-—。卜一—·卜一—卜-—卜一—卜—+*+—+一+一+一+一+-·+”+··+··-4--+-+一+-+··+··+··+··+-+一+··+··+”+-+-·+··+··+一+一+一—卜—+-一一一—卜—+—+一+-+一+”+·(上接第123页)参考文献[1]赵巍巍．河道治理工程环境影响特点及环境保护对策[J]．黑龙江水利科技，2016，(11)：89—91．[2]赵广枝．河道治理工程使用林地对林地和环境的影响分析——以北京中小河道治理为例[J]．防护林科技，2015，(12)：81—82．[3]何岩．依安县涝区治理工程建设对环境的影响及对策[J]．现代农业科技，2014，(03)：219．[4]蔡松年．水利工程建设对生态环境的影响分析及保护对策探讨[J]．中国水能及电气化，2013，(09)：45一印．’—卜”—卜。—十一。。’-。—t-。—。t一。—’十_一。■‘——+一-—+一一—+-一十-十一十”十“十”十“十”十n+-+-+“+一+”+”十-+一十一十一十n十”十一十n十”十一十一十一+一十-4一-+一十一+-+一+一+”+·(上接第124页)[3]梁利勋，辛磊．水利水电建筑设计内容及应注意的问题[J]．黑龙江参考文献科技信息，2010(35)：304．[1]罗军．水利水电设计中需要注意的一些问题[J]．低碳世界，2017[4]杨刚，高立业，林顺，等．水利水电勘察设计投标应注意的几个问题(01)：106—107．[J]．水利水电工程设计，2009(01)：52—5“．[2]刘鹏．探究水利水电设计中应注意的问题[J]．住宅与房地产，2015[5]张钟禄．水利水电设计规范编制概况及使用中应注意的几个问题(19)：56．[J]．水利水电技术，1984(10)：56—60．·+--4---—卜——卜一-—卜-+——●一一+——卜——卜—+一+一+—+一+-+一+---I--一—●一+一-4--一+”—卜一+一—+．-+一—-+-一—-卜一—卜一—+．一—卜一—-+一一-+一-—卜一—．卜一—-卜一—卜-—卜——-+．⋯—卜—+-—卜一—卜——卜——卜—．-卜·(上接第127页)经济节省的要求。尽量选择摩擦角较大的填土材料。建议今后同类工程在条件许可下，[J]．岩石力学与工程学报，2015(S2)：4343—4350参考文献[1]高小峰，蒋鑫，邱延峻，等．降雨条件下斜坡软弱地基路堤瞬态稳定性分析[J]．中国铁道科学，2016，37(1)：l一8．[2]周小文，陈凌伟，程展林，等．软基路堤施工稳定性控制标准研究[J]．岩土力学，2016，37(9)：2631—2635．[3]徐超，宋世彤．桩承式加筋土路堤土拱效应的缩尺模型试验研究·126·[4]李丽华，崔飞龙，肖衡林，等．轮胎与格室加筋土路堤性能及承载力研究[J]．岩土工程学报，2017，39(1)．[5]吴文彪，郑俊杰，曹文昭．考虑含水率影响的压实黄土路堤稳定性研究[J]．岩土力学，2015(s1)：542—546．作者简介：牛义昌(1984年2月生)，男，河南安阳人，硕士，工程师；研究方向：路基路面、岩土。