列车荷载对路堤式加筋土挡墙结构力学特性影响的数值模拟.pdf

第31卷第3期长江科学院院报Vo1．31No．320l4年3月JournalofYangtzeRiverScientificResearchInstituteMar．2014DOI．10．3969／j．issn．1001—5485．2014．03．0162014，31(03)-96—100列车荷载对路堤式加筋土挡墙结构力学特性影响的数值模拟刘明志，杨广庆(石家庄铁道大学土木工程学院，石家庄050043)摘要：利用有限元计算软件PLAXIS，建立路堤式加筋土挡墙在列车荷载作用下的计算模型，并且通过与垂直土压力和水平土压力的实测值和理论计算值相对比，肯定了模型的合理性。进一步改变加筋间距与填土高度，探讨了加筋土挡墙在列车荷载作用下水平土压力、面板水平位移和筋材最大拉力的变化规律。结果表明：同一高度的垂直土压力值沿筋长方向呈增加趋势；水平土压力值随填土高度增加而增加，沿墙高方向值变小。增加拉筋间距，会使水平土压力值、面板水平位移和筋材最大拉力均增大。降低填土高度对墙背水平土压力、面板水平位移和筋材最大拉力的影响较小，在施加列车荷载后2种曲线均近乎重合。在列车荷载作用下，可通过增大加筋间距和降低台阶填土高度来优化加筋土挡墙的整体性能。关键词：Plaxis；加筋土挡墙；列车荷载；有限元计算中图分类号：Tu443文献标志码：A文章编号：1001—5485(2014)03—0096—05究了列车荷载对结构力学性能的影响，并将计算结果与理论值、实测值相对比，确定了模型的可靠性。1研究背景在模型基础上，改变加筋间距及填土高度，分析其对加筋土挡墙因其占用土地少、适应变形能力强以墙面变形及轴力的影响，对加筋挡土墙设计有一定及造价低的优点在工程中得到了广泛应用。由于我参考价值。国铁路路基的特殊性和路堤式加筋土挡墙设计方法的不成熟，目前研究主要针对路肩式加筋土挡墙。经2计算模型过学者们的研究与实践¨J，现行的《铁路路基支挡结构设计规范》(TB10025-2006)(2009局部修订本文选用文献[3]中的路堤式加筋土挡墙试验版)已经列入了路堤式加筋土挡墙的设计方法。工程进行有限元模拟，并与现场实测数据进行对比。王祥等_3I4进行了路堤式加筋土挡墙的现场原2．1工程概况位试验，分析了墙面板水平土压力、墙后土体垂直土试验工程范围位于株州一六盘水铁路复线娄底压力和加筋材料的变化规律，为路堤式加筋土挡墙段K367+514至K367+600，试验段挡土墙长86m，的研究积累了资料。文章进一步比较了路堤式与路该段路基右侧为既有铁路，左侧采用路堤式加筋土肩式2种加筋土挡墙的土压力变化规律及破裂面位挡墙收坡，挡墙高6．5m，挡墙上部填土路堤高5Ill。置，并提出了列车运行荷载对面板水平土压力及墙工点位于剥蚀丘陵区，表层为坡积粉质黏土，棕黄后土体的垂直土压力和拉筋的变形影响均较小的结色、硬塑。设计线路为一级干线铁路，路基面宽度论。叶观宝【5等通过有限元分析手段，论证了面板B=6．9m。上部荷载换算土柱高h。=3．2m，宽Z。=对加筋土挡墙的整体稳定性几乎没有影响，为实际3．6m；填料重度=18kN／m。，综合内摩擦角=工程的应用提供了理论指导。但作者并未考虑作用35。；拉筋采用重庆永固工程拉筋带厂生产的在挡墙上的列车荷载，而且所建模型与实际工程的CAT30020C型复合材料加筋带，单根拉筋带宽相符度不高。本文在前人的基础上改进了模型，研30mm、厚2mm，其破断拉力为11．4kN／根，容许拉收稿日期：2o13—11—15：修回日期：2o13—12—23基金项目：国家自然科学基金(51178280，51378322)；河北省科技计划项目(11215612D)；中国铁路总公司科技计划项目(2013G010一C)作者简介：刘明志(1988一)，女，河北石家庄人，硕士研究生，主要从事加筋挡土墙和路基设计，(电话)0311—87939546(电子信箱)minzya@163．com。通讯作者：杨广庆(1971一)，男，河北沧州人，教授，博士，博士生导师，主要从事土工合成材料加筋、路基工程及地基处理等方面的研究与教学工作，(电话)0311—87936468(电子信箱)gtsyang@vip．163．eom。 长江科学院院报300350[间，这是因为计算过程中将铺设过程分开考虑，增加了计算的步长，产生的累加效应所致。7654俺3酆2整体来看，本模型对加筋土挡墙的垂直土压力和水平土压力的模拟较为合理，可以进行下一步优化设计。O123456701234567至面板距离，m至面板距离／m(a)第1层筋材Co)第5层筋材4优化设计一l-4层筋带一5-8层筋带一9-13层筋带4．1改变加筋间距填高1．5m一填高5m原方案的设计拉筋竖向间距为0．5m，将间距改一施加列车荷载一理论值变为1m，其他条件不变，进行计算对比分析。图6为一通车后实测值2种加筋间距下加载前后水平土压力的对比图。由图6(a)可见，挡墙中部的水平土压力值受加筋间距图4垂直土压力分布影响不大，挡墙上部在加筋间距为1m时压力值趋于Fig．4Distributionofverticalearthpressure零，下部压力值显著增大。这是因为拉筋对周围土体第5层变化相对较小。这是由于应力在土体中的扩的约束限制作用会随着拉筋间距增大而变小，从而引散作用，使得列车荷载对挡土墙下部土体所受垂直起墙后土体所受水平土压力值变大，这种影响越到挡土压力的影响较小所致。这也与文献[3]中给出的墙底部越明显。而施加列车荷载前后土压力曲线有结论一致。很大部分处于重合，可见上部列车荷载的影响相当微3．3水平土压力小。列车荷载随填土高度增加在土中不断进行扩散，图5为不同施工阶段墙背所受水平土压力的分挡墙下部所受荷载作用力本身就不大，拉筋间距越布图。水平土压力的理论计算值与实测数据偏差很小，土体受到的约束越大，对传递下来的力也越敏感，大，因其沿墙高方向的变化趋势不明显，并不能很好这就造成了间距1m的曲线重合率较间距0．5m时更地反映水平土压力的实际分布情况。在挡墙上部，大。图6(b)和图6(c)为2种加筋间距下面板的水平实测数据小于理论计算值，反映了拉筋对土体侧向位移和筋带受到的最大拉力图。变形的限制作用；而在挡墙下部，水平土压力增长速率加快，较接近理论计算值，这是由于挡墙底部在刚性基础的约束作用下侧向位移减小，土压力值便随彰之增大造成的。211水平土压力／kPa面板水平位移／mm(a)水平土压力分布(b)面板的水平位移对比一间距05m未加载一间距0．5m加载+间距1m未加载1+间距1m加载05101520253O3501o2030405O6070轴力／(kNm。)水平土压力／kPa(c)筋材最大拉力曲线图5墙背的水平土压力分布图62种加筋间距下墙背水平土压力分布，Fig．5Distributionsoflateralearthpressure面板水平位移对比和筋带受到的最大拉力曲线Fig．6Curvesoflateralearthpressuredistributionatwallbackatwallback，horizontaldisplacementofwallpanel，随填土高度增加，水平土压力呈增加趋势，挡墙andmaximumtensionofreinforcementinthepresenceoftwodiferentreinforcementspacings下部趋势较上部要明显；列车荷载施加前后水平土压力的变化不明显，与实测数据相比挡墙中段的结施加列车荷载后，2种筋材间距下的面板水平果偏大，而上部与下部模拟结果则较为合理。实测位移都有了比较明显的增幅，增幅随填土高度增加数据介于铺设1一_4层筋带与5—8层筋带的工序之而增大，二者变化趋于线性关系。相比较而言，挡墙 第3期刘明志等列车荷载对路堤式加筋土挡墙结构力学特性影响的数值模拟99下部的面板水平位移与筋材间距无明显对应关系；位移之间呈现线性变化趋势，即2种填土高度下面而挡墙上部面板水平位移在拉筋间距变大后值也随板的水平位移曲线趋于平行，尤其是在施加列车荷之变大。拉筋间距越大，筋材对土体的约束限制作载后，二者曲线已近于重合；拉筋所受最大拉力曲线用越小，面板水平位移也就越大；而挡墙上部要比下在2种填土高度下变化很相似，且在加载后2条曲部受到列车荷载作用的影响大，面板水平位移值也线出现不少重合部分。两者均说明对于列车载荷作就更大一些。用下的加筋挡土墙而言，列车荷载对挡墙整体及内筋材极限拉力与墙高两者间并非线性关系，而部筋材的影响较小，因而在设计时，可考虑降低其台是呈现多峰值。在竖直间距为0．5m时有2个筋材阶高度或减少台阶数目来优化整体性能。拉力峰值，最大峰值出现在墙高2m处，即拉筋第4层处。墙高2m处，筋材长度发生改变，尤其在接触5结语面应力状况有较大改变，而下部筋材为保证上下整(1)同一高度处的垂直土压力计算值沿筋长方体一致性，会比上层筋材受到更大的拉力。间距为向呈增加趋势；水平土压力计算值随填土高度增加1m时，曲线较为平缓，只在墙高1m左右处有一峰而增加，沿墙高方向值变小。值，筋带所受拉力总体比间距0．5m时要大。间距(2)水平土压力值随加筋间距增加而增加，底增大使土体内加筋率降低，因而分担到各层筋材上部增幅显著；面板水平位移随加筋间距增加而增加，的拉力就会增加。增幅呈线性关系；筋材最大拉力随加筋间距增加而4．2改变填土高度增加，不同筋长过渡处筋材最大拉力出现峰值，峰值原方案填土高度为5m，现将填土高度改为位置因问距改变而下移。3．5m，加筋问距及其他条件保持不变，将计算工序(3)降低填土高度对墙背水平土压力、面板水最后一步改为填土至3．5m。平位移和筋材最大拉力的影响较小，在施加列车荷图7为2种填土高度下墙背水平土压力分布、面载后2种曲线均近乎重合。板的水平位移对比和筋材的最大拉力曲线示意图。(4)计算结果在墙背与筋材、筋材与土体衔接7766处因材料参数不同而出现峰值，可考虑增加过渡材料以保证结果的稳定性。篓；篓(5)在列车荷载作用下，可通过增大加筋间距11和降低台阶填土高度来优化加筋土挡墙的整体性能水平土压力／kPa面板水平位移／mm(a)水平土压力分布(b)面板的水平位移对比参考文献：5[1]袁建国，郭克诚，时钟伦．铁路路堤式加筋土挡墙内部姜4—’填土高5m未加载稳定分析[J]．路基工程，1992，(4)：44—49．(YUAN+填土高5m加载篓Jian—guo，GUOKe—cheng，SHIZhong—lun．AnalysisonIn——．填土高3．5m未加载ternalStabilityofReinforcedEarthRetainingWallfor一填土高3．5m加载IRailwayEmbankment[J]．SubgradeEngineering，1992，(4)：44—49．(inChinese))轴力／(kNm-)(c)筋材最大拉力曲线[2]TB10025-2006，铁路路基支档结构设计规范[S]．北京：中国铁道出版社，2009．(TB10025-2006，Codefor图72种填土高度下墙背水平土压力分布、theDesignofRetainingStructuresofRailwaySubgrade面板水平位移对比和筋材最大拉力曲线[S]．Beijing：ChinaRailwayPress，2009．(inChinese))Fig．7Curvesoflateralearthpressureatwallback。[3]王祥，周顺华，顾湘生．路堤式加筋土挡墙的试验研horizontaldisplacementofwallpanel，andmaximum究[J]．土木工程学报，2005，38(10)：119—125．tensionofreinforcementinthepresenceoftwo(WANGXiang，ZHOUShun—hua，GUXiang—sheng．AndifferentfillingheightsExperimentalStudyoftheReinforcedRetainingWallfor由计算结果来看(见图7(a))，填土高度对水EmbankmentIJ1．ChinaCivilEngineeringJournal，2005，平土压力影响不大，只有在挡墙上部时，低填土情形38(10)：119—125．(inChinese))[4]王祥，郭庆海，周顺华，等．路堤式与路肩式加筋土下受到的水平土压力相对较小一些。而在列车加载挡墙的现场试验与分析[J]．铁道学报，2005，(2)：96—前后，水平土压力值变化并不明显。分析图示曲线101．(WANGXiang，GUOQing—hai，ZHOUShun—hua，et((见图7(b)和图7(C))可知，填土高度与面板水平a1．AnalysisofIn—siteExperimentofReinforcedEarthRe— 1o0长江科学院院2014丘taining删SfortheEnrbankmentandSubgradeShouldersMechanics，2012，(3)：881—886．(inChinese))[J]．JournaloftheChinaRailwaySociety，2005，(2)：[6]TB10001-2005，铁路路基设计规范[S]．北京：中国铁96一101．(inChinese))道出版社，2005．(TB10001-2005，CodefortheDesign[5]叶观宝，张振，邢皓枫，等．面板对路堤式加筋土挡ofRailwaySubgrade[S]．Beijing：ChinaRailwayPress，墙力学特性的影响[J]．岩土力学，2012，(3)：881—2005．(inChinese))886．(YEGuan．bao，ZHANGZhen。XINGHao．feng。et(编辑：姜小兰)a1．InfluenceofFacingonMechanicalBehaviorofRein—forcedRetainingWallforEmbankmentiJ1．RockandSoilNumericalSimulationontheInfluenceofTraiULoadOHtheStructuralBehaviorsofReinforcedEarthRetainingWaIlEmbankmentLIUMing—zhi，YANGGuang—qing(SchoolofCivilEngineering，ShijiazhuangTiedaoUniversity，Shijiazhuang050043，China)Abstract：AcalculationmodelofreinforcedearthretainingwallembankmentundertrainloadswasestablishedbyU—singtwo—dimensionalfiniteelementsoftwarePLAXIS．Therationalityofthemodelwasprovedbycomparingthemeasuredandcalculatedvaluesofverticalandlateralearthpressures．Moreover，bychangingthereinforcementspacingandsoil—fillingheight，thevariationregularityoflateralearthpressure，horizontaldisplacementofwallpan-elaswellasmaximumtensionofreinforcementmaterialwasanalyzed．Resultsshowthat：atagivenheight，theverticalearthpressureincreasedalongthereinforcementlengthdirection；thelateralearthpressureincreasedwiththeincreaseoffillingheightanddecreasesalongthewallheightdirection．Thelateralearthpressure，thehorizontaldisplacementofpanelandthemaximumtensionofreinforcementmaterialallincreasedwiththeincreasingofrein—forcementspacingandchangedalittlewiththefillingheightdecreasing．Theoverallperformanceofreinforcedearthretainingwallundertrainloadscanbeoptimizedbyincreasingreinforcementspacingandreducingfillingheight．Keywords：Plaxis；reinforcedearthretainingwall；trainload；finiteelementcalculation长江科学院2014年工作会议在汉召开2014年1月22日，长江科学院(简称长科院)2014年工作会议在汉召开。长江水利委员会(简称长江委)副主任杨淳出席会议并讲话。长科院院长、党委书记郭熙灵作了题为“深化改革勇于创新奋力推进治水治江科研事业新发展”的工作报告。会议的主要任务是认真贯彻党的十八大和十八届三中全会精神，落实全国水利厅局长会议及长江委工作会议部署，总结2013年工作，围绕治水治江新要求、新任务，安排2014年各项工作。长江委副主任杨淳从三个方面对长科院在2013年取得的成就给予了充分肯定。他说，第一是长科院转型发展取得成功；第二是长科院治水治江的科技支撑地位不断加强；第三是全院职工的工作和生活水平显著提高。他指出：要充分认识到变化的长江和流域经济发展对长江委和长科院提出的新要求，抓住机遇，加快改革发展，不断强化治江治水科技支撑地位。祝愿长科院取得更大的成功。面对当前水利事业发展的新形势、新要求和新任务，郭熙灵在报告中明确提出：长科院必须充分认识当前及今后时期的水利改革新形势，准确把握治水治江科研事业的新要求，按照既定发展思路、发展目标和发展举措谋求发展的同时，还要创新发展理念，不断推进长科院治水治江科研事业取得新发展，实现建设一流水利科研强院的发展目标。他还强调：长科院将准确把握全面深化改革的新要求，促进长科院转型发展；准确把握创新发展的新要求，增强长科院核心竞争力；准确把握民生水利和水生态文明建设的新要求，推进院学科建设与专业发展。长科院副院长汪在芹在总结讲话中要求各部门、各单位认真学习贯彻本次会议精神，深刻领会报告中提出的“科技是立院之基、人才是兴院之本、创新是强院之源、文化是凝院之魂”的新发展理念；准确把握报告中分析的当前形势下我们面临的新机遇和新挑战；认真对照报告中2014年工作的整体部署，按照要求稳中求进做好各项工作。会议期间，王刚副院长传达了长江委2014年工作会议精神，林绍忠副院长通报了2013年获上级表彰的情况，宣读了2013年绩效考核先进集体和个人的表彰决定，陈进副院长通报了党的群众路线教育实践活动整改情况。党群办、河流所、土保所、长澳公司共4个单位领导分别在会上作了交流发言。院副总工、正科级以上干部、党支部书记、教授级高级工程师、博士，以及院老领导、科技委、民主党派、无党派、职代会代表250余人参加了会议。(摘自：长江水利科技网)