多级重力式挡土墙施工变形数值模拟.pdf

'第30卷第2期土木工程与管理学报V01．30No．22013年6月JournalofCivilEngineeringandManagementJun．2013多级重力式挡土墙施工变形数值模拟范瑛，何云J(湖北工业大学土木工程与建筑学院，湖北武汉430068)摘要：在对高速公路工程某标段高边坡多级挡土墙的变形位移实测数据统计及分析的基础上，运用有限元分析软件对该挡土墙整个施工阶段的变形位移进行模拟分析。结果表明：在整个施工过程中，除第一级挡土墙外各级挡土墙的DX、DZ方向位移情况基本相似。DX方向位移随填土高度增加而增加，在一定范围呈现线性关系，然后转变为非线性增加，最终超过某个值后位移就不在发生变化；DZ方向位移变化情况同DX方向具有相似的规律，与常规理论表现不一样的规律。最后通过软件提取各个施工阶段中的最大位移点的节点号，绘制得到最大位移点的轨迹线，确定施工阶段最可能形成破坏面的位置，从而指导施工，保证工程的安全。关键词：多级挡土墙；高边坡；变形情况；数值模拟中图分类号：TU476．4文献标识码：A文章编号：2095-0985(2013)02-0027-05NumericalSimulationofDeformationofMultistageGravityRetainingWallsinConstructionStageFAN，HEYun—chuan(SchoolofCivilEngineeringandArchitecture，HubeiUniversityofTechnology，Wuhan430068，China)Abstract：Basedonthedeformationdisplacementmeasureddatastatisticsandanalysisofhighslopemultistageretainingwallforasectionoftheactualhigh—speedengineering，simulationanalysisismade，byusingthefiniteelementanalysissoftwaresupplyingthedeformationdisplacementoftheretainingwallforthewholeconstructionstage．Theanalysisresultsshowthatinthewholeconstructionprocessbutthefirstlevelretainingwall，theDXandDZdirectiondisplacementsituationofalllevelsissimilar．TheDXdirectiondisplacementofthemultistageretainingwallchangeswiththefillingheight，increaseslinearlyinacertainrange，andthenincreasesnon·linearly，eventuallymorethanacertainvalue，displacementwillnotchange；theDZdirectiondisplacementchangeissimilartoDXdirectiondisplacement．Inthewholeslopeconstructionphaseofthesimulationanalysisprocess，thenodenumbersofthemaximumdisplacementpointsineachconstructionstageareextracted，thengetpointslineofthemaximaldisplacementlocus，determinetheconstructionstagethatmostlikelytoformthedamageposition，SOastoguideconstruction，andguaranteethesafetyoftheproject．Keywords：multistageretainingwalls；highslope；deformation；numericalsimulation现行规范中的挡土墙理论是以单级挡土墙为测手段，根据对局部点进行实时的监控来获得边对象，依据如郎肯、库仑计算理论进行分析。而对坡及墙体的变形位移情况。为了更全面的反映实高边坡多级挡土墙变形及土压力分析不仅不满足际情况，本文借助数字模拟软件对高边坡多级挡这些理论的假设前提，而且还需要考虑各级墙体土墙进行模拟，以局部的实施监控数据来修正模拟间的相互影响。为了分析实际工程中的高边坡多结果，用模拟的结果来反映整体的变形位移趋势。级挡土墙的施工及运营阶段安全，主要是通过检收稿日期：2012—10—10修回日期：2012—11-06作者简介：范瑛(1969一)，女，湖北武汉人，教授，博士，研究方向为路基路面结构理论(Email：fy20061201@163．con)基金项目：湖北省交通厅重点项目(20060428) ·28·土木工程与管理学报2013正1计算理论2计算模型与参数Morh提出一个假设：当材料某个平面上剪应本文研究对象为十堰高速公路K32+570～力丁达到某个极限值时，材料发生屈服，它可以K32+690问的一段多级挡土墙J，其基本构造如表示为：图2所示。该段为紧挨山体建造的高67m的填r=I厂(C，，or)(1)方路基，其上为5级片石材料的重力式挡土墙式中：c是材料黏聚强度；是材料的内摩擦角。(每级高5m)以及4级路基边坡(每级高8m)。nrm’R644S7288RSq，l147一般情况下，材料的内摩擦角随着静水应力的增加而逐渐减小，因而假定函数对应的曲线在or一平面上呈双曲线、抛物线或摆线。但在静水应力不太大的情况下，屈服曲线常用等于常数的直线来代替。它可表示为：r=C—ortancp(2)式(2)就称为Morh-Coulomb屈服条件。设主应力的大小次序为o-≥≥or，式(2)图2模型构造也可写成用主应力表示的方式：用岩土专业软件MIDASGTS对边坡及挡土11=—：}(or1一or3)+_l_(1+3)sincp—Ceosq~=0墙进行详细分析，采用Morh—Coulomb本构模型和关联流动准则(即塑性应变向量垂直于屈服面)，(3)使用MIDASGTS系统内置的MuhipFrontal在主应力大小排序未知的情况下，式(3)的SparseGaussian方法进行求解。其几何模型为平两个主应力应分别用、、轮换，于是，就得面应变模型(图2)。地基宽度为175m，深度为到六个表达式。这六个函数表达式所表示的曲面60m，根据圣维南原理，超出此界限范围的岩土结在耵平面上的投影是一个封闭的不等边六边形，构的应力与变形影响较小，可忽略。为了减少网如图1所示。格疏密程度引起的误差，网格的边长控制在1m左右。对于施工阶段，在填筑一至五级挡土墙时，每个施工阶段填土高度1～2m，上面的四级护坡，分四次填筑，每次一级。实际工程中，山体与填土的交界面处铺设有土工格栅，同时填土也较密实，交界面处相对变形较小，采用共节点的方式进行连接。计算参数见表1。图1Morh—Coulomb屈服条件表1材料物理计算参数取值在主应力大小未知的情况F，式(3)也口J以写成：f(I。，J2，J3)=1sin一(c咖+inin)n(4)3模拟结果与分析为e戮寺in学。。3．1模拟结果与实测数据对比即，Morh．Coulomb屈服条件与静水应力有关，相在施工过程中，各级挡墙上设置了位移观测应的屈服面在主应力空间一个带有顶点的不规则点。在二、四、五级挡土墙，每级挡土墙正墙面从六棱锥面(图1)。墙底至墙顶分别布置了三层，每层两个，共计18个观测点。每级墙面观测点布置如图3所示。 第2期范瑛等：多级重力式挡土墙施工变形数值模拟·29·坐标说明：=方向为竖直方向；Y方向为墙面的切线方向方向为：平面的法向。图中单位：m墙底图3挡土墙变形观测点布置图7第四级挡墙墙顶填土高度与Dz方向位移关系图4～9为二、四、五级挡土墙DX、DZ(从平面系进行『分析)方向位移的实测与模拟结果的对比。从对比结果可以看出模拟值与实测值的曲线走势基本一致。表2为相应观测点最终阶段实测值与模拟值的对比结果。各级挡墙的实测值与模拟值变化趋势基本一致，即表明所建模型符合实际情况，有限元模型计算在一定程度上是可靠的。图8第五级挡墙墙顶填土高度与DX方向位移关系墙顶填土高度／m因此，可以借助模拟分析的结果对整个多级挡墙的位移情况进行分析。表2各级挡墙实测值与模拟值比较IIlITl项目DX兰兰兰堕塑笪亘堡堕DZDXDZDXDZ实i贝0125．3—100．7190．2—213．5170．5—222．1模拟126．6—95．7192．6—196．2178．1—216．3图9第五级挡墙墙顶填土高度与Dz方向位移关系3．2水平与竖向位移变化3．2．1水平位移分析为了研究挡墙的水平位移变化情况，因第一级挡墙受地基影响较大，其变化曲线不具有代表性，取第二级到第五级挡墙的墙背最上点、中点、图4第二级挡墙墙顶填土高度与DX方向位移关系最下点的水平位移作为研究对象。图1O～13墙顶填土高度／m为各级挡墙DX方向位移与墙顶填土高度的关系0一0曲线。从图中可以看出，多级挡墙不同位置的点的水平位移情况基本相似。每一级挡墙在墙后填土达到墙顶时，墙体自身发生了一定角度的逆时针方向旋转；随着填土高度的增加，墙体本身旋转的角度基本不变，墙体在水平方向基本处于平移状态。当墙顶填土高度小于20m，墙后的填土处图5第二级挡墙墙顶填土高度与DZ方向位移关系于弹性阶段，各挡墙DX方向位移的增加量与墙顶填土高度增加量之比基本呈线性，比值为0．0075—0．01；当墙顶填土高度在20—30m之间时，随着土压力的增大，局部土体进入塑性阶段，；毒DX方向位移的增加量与墙顶填土高度增加量关．一Ir。304系曲线呈非线性；当墙顶填土高度大于30ITI时，储而培I-寓府，rnDX方向的位移增量随墙顶填土高度的增加变化图6第四级挡墙墙顶填土高度与DX方向位移关系很小，即DX方向的总的位移量基本不再发生变化。 ·30·土木工程与管理学报2013正g匣0g厦)(口的增加量与墙顶填土高度增加量之比基本呈线322l1．11加O性，比值为0．002～0．05；当墙顶填土高度在10～20m之问时，关系曲线呈非线性，比值逐渐减小到0；当墙顶填土高度大于20m时，DZ方向位移增量随墙顶填土高度的增加变化很小，即DZ方向总的位移量基本不再发生变化。根据此结果也图10第二级挡墙墙顶填土高度与DX方向位移关系可得出跟DX方向位移相同的结论。图11第三级挡墙墙顶填土高度与DX方向位移关系第二级挡墙墙顶填土高度与DZ方向位移关系g。、匠自l1"0253"04"0；皇。5O之4甚mH[二：=车謇蠢一10一15十··--·：：：·：··二二．20tl口·‘“▲▲▲▲▲一25—30l图15第三级挡墙墙顶填土高度与DZ方向位移关系墙顶填土高度／m图13第五级挡墙墙顶填土高度与DX方向位移关系根据上述结果，可以得到，一点的主应力值的梯度方向与该点对应的坡高和坡面的角度存在一图16第四级挡墙墙顶填土高度与DZ方向位移关系定关系；当坡角一定时，该点对应的坡高超过一定墙顶填土高度／m值时，该点的主应力值梯度方向不再变化。当主应力值梯度的方向一定，该点的主应力状态只跟梯度方向的土体厚度有关。主应力状态确定，应变及变形就可以确定。3．2．2竖向位移分析取第二级到第五级挡墙的墙背最上点、中点、最下点的竖向位移作为研究对象。图14～17为图17第五级挡墙墙顶填土高度与Dz方向位移关系各级挡墙DZ方向位移与墙顶填土高度的关系曲3．3整体位移变化线。从图中可以看出，每级挡墙竖向位移情况基考虑到整个施工过程中边坡的整体稳定性，本相似。每一级挡墙在墙顶填土高度很小，同样主要是把最大位移作为研究对象，即最可能发生可以从图中看出墙体自身已发生了一定角度的逆破坏引起失稳的位置J。通过模拟找到各施工时针方向旋转；随着填土高度的增加，旋转的角度阶段的土体中DX、DZ、DXZ方向最大位移点的位基本不变，墙体在水平方向基本处于平移状态。置，绘制得到图18所反映的DX、DZ、DXZ方向最当墙顶填土高度小于10m，各挡墙DZ方向位移大位移点随填土高度增加的轨迹关系。最大位移 第2期范瑛等：多级重力式挡土墙施工变形数值模拟·31·点的位置随填土高度的增加，逐渐向左上方移动，(3)通过对整个施工阶段最大位移点的轨迹从第二级挡墙的墙踵处延伸至第一级护坡与第二线的绘制，找出了在施工阶段边坡失稳时，最可能级护坡交界处的中心位置。DX、DZ、DXZ方向最形成破坏面的位置。为了保证边坡的稳定性，实大位移点的轨迹线基本重合，如果在施工阶段中际施工过程中，应在这些轨迹线的位置进行相应边坡失稳，最可能会在这些轨迹线的位置形成破的加固防护处理。坏面。参考文献nnnn2S，q4RRR4RR11177[1]刘士光，张涛．弹塑性力学基础理论[M]．武汉：华中科技大学出版社，2008．[2]王勖成，邵敏．有限单元法基本原理和数值方法(第二版)[M]．北京：清华大学出版社，1997．[3]范瑛，胡江华．多级挡土墙变形观测及分析[J]．基础工程设计，2008，38(4)：38-41．[4]刘安平．重力式挡土墙工程实践[J]．赤峰学院学报(自然科学版)，2008，24(3)：108-111．[5]JinSJ，ShenXP，YuTQ．ExperimentalInvestigation图18DX、DZ、DXZ方向最大位移点onRoadbedSettlementofHighway[C]／／2008Pro·随填土高度增加的轨迹ceedingsofInformationTechnologyandEnvironmentalSystemSciences．Beijing：PublishingHouseElectronics4结论Industry，2008：924—926．[6]JinSJ，XiongJM，YuTQ．ExperimentStudyonSub-(1)高边坡多级挡土墙各级挡墙的施工过程gradeSettlement[C]／／AdvancesinHeterogeneous的变形情况基本相似。DX方向的位移随填土高MaterialMechanics，20082ndInternationalConfer—eneeonHeterogeneousMaterialMechanics，ICHMM度增加，先呈线性增加；填土高度达到一定值后，2008，Lancaster，Pennsylvania，UnitedStates：DEStech位移增量逐渐减小；当填土高度超过30m后，其PublicationsInc，2008：1434-1437．位移不再发生变化。[7]任志华．山区高等级公路高边坡稳定性分析及防护(2)DZ方向的位移随填土高度增加，先呈线设计[D]．昆明：昆明理工大学，2005．性增加；填土高度达到一定值后，位移增量逐渐减[8]胡志耘，周庆人，成维新，等．一个挡土墙变形原因小；当填土高度超过20m后，其位移不再发生变的分析实例[J]．城市勘测，2002，21(4)：38-40．化。'