測斜管對土質(zhì)邊坡變形和穩(wěn)定性的影響分析

1、測斜管對土質(zhì)邊坡變形和穩(wěn)定性的影響分析 208科技研究城市道橋與防洪 2010年 6月第 6期 測斜管對土質(zhì)邊坡變形和穩(wěn)定性的影響分析 曾麗萍 ,陳建斌,楊衛(wèi)星（武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 ,湖北武漢 430023） 摘要:該文結(jié)合某土質(zhì)邊坡監(jiān)測試驗(yàn)所用 PVC 材質(zhì)測斜管 ,測求了該管的基本力 學(xué)參數(shù) ,利用有限元法的分析手段 ,分析 和評價了有無測斜管以及不同抗彎剛度的測斜管對土質(zhì)邊坡變形和穩(wěn)定性的影 響程度.認(rèn)為:PVC 材質(zhì)測斜管對土質(zhì)邊坡 的穩(wěn)定性和變形影響較小 ;影響測斜管的水平位移的關(guān)鍵參數(shù)是抗彎剛度 EI,抗彎 剛度越大 ,其水平變位就越小 ;影響測斜 管的豎向變形的關(guān)

2、鍵參數(shù)是彈性模量 E,即 E越大,其豎向變形就越小 ;PVC 材質(zhì)測 斜管對土體變形的影響范圍僅為 3D（D 為測斜管外徑 ）,且測斜管的抗彎剛度遠(yuǎn)小于對邊坡變形產(chǎn)生影響的抗彎剛度.故在邊坡變形和穩(wěn)定性的分析中可以不予考 慮測斜管的影響 .關(guān)鍵詞:邊坡監(jiān)測試驗(yàn) ;測斜管;抗彎剛度;有限元法 中圖分類號 :TU433 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 :A 文章編號 :10097716（2010）060208 03 O 引言 在土工構(gòu)筑物變形監(jiān)測中一般采用 PVC 材 料的測斜管 ,該種材料柔性好 ,可以保證埋人土 中的管材與周圍土體變形協(xié)調(diào) .但由于邊坡往往 發(fā)生淺層坍塌破壞 ,上部土層與下層發(fā)生較大的 位移錯動

3、,故管一土問剛度的差異勢必會對滑動 體的變形有一定的阻擋作用 ,主要表現(xiàn)在抑制了 邊坡變形量和提高了邊坡穩(wěn)定性 ,但是這種阻擋 作用到底有多大的程度 ,是否對邊坡的整體穩(wěn)定 性產(chǎn)生相當(dāng)大的影響 ,仍還值得探討 . 為此,本文結(jié)合某土質(zhì)邊坡監(jiān)測試驗(yàn)所埋設(shè) 的測斜管 ,測求了該管的基本力學(xué)參數(shù) ,利用有限 元法的分析手段 ,分析和評價了有無測斜管以及 不同抗彎剛度的測斜管對土質(zhì)邊坡變形和穩(wěn)定性 的影響程度 .1 測斜管的單軸壓縮試驗(yàn) 評價材料的變形性能最直接的參數(shù)就是彈性 模量,在材料力學(xué)中一般采用單軸壓縮試驗(yàn)來測 求 .下面簡要介紹測斜管的單軸壓縮試驗(yàn)的過程網(wǎng) . 試件取自某土質(zhì)邊坡現(xiàn)場試驗(yàn)口忻

4、用的測斜管 . 該管為 PVC 材質(zhì) ,外徑 D=70mm,內(nèi)徑 d=60mm,截 面積 A=I.02e 一 3m,截面慣性距 Ix=Iy=5.42e 一 7m, 長度為 16cm.單軸壓縮試驗(yàn)是在室內(nèi)臺秤式高壓固結(jié)儀上 進(jìn)行的.試驗(yàn)環(huán)境 :室溫 17.5,相對濕度 50%. 先將試件放在臺秤的臺面上 ,用螺旋千斤頂操作 軛梁來對試件施加荷載 ,荷載量由秤桿控制 . 在加 收稿日期 :20100305 作者簡介 :曾麗萍 （1968 一）女,湖北武漢人 ,高級工程師 ,從事 結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)工作 .載過程中 ,測斜管的軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變是采用電 阻式應(yīng)變片測量 ,應(yīng)變片采用半橋接法 ,并設(shè)有溫 度

5、補(bǔ)償片 ,經(jīng)過初始校正后 ,可由電荷靜態(tài)應(yīng)變儀 直接測讀應(yīng)變值 .試驗(yàn)單級加載量設(shè)為 576kPa,當(dāng) 加載到 5739kPa 后,再分級卸載 ,并讀取卸載時每級荷載下測斜管的變形 ,見圖 1 所示.從圖 1 可 見,測斜管在 0 5739kPa范圍內(nèi)保持了比較好 的線彈性行為 .根據(jù)彈性模量公式 :(A 占)(1)式中,E 為彈性模量 ;F 為當(dāng)前荷載 ;為應(yīng) 變 .可以求得每根測斜管的彈性模量 ,即:E= 4.38GPa;測斜管的抗彎剛度 2.37kN/m. 0500-1000-1500軸向應(yīng)變 /ue圖 1 軸向力一軸向應(yīng)變關(guān)系圖2測斜管在有限元中的實(shí)現(xiàn) 土體中結(jié)構(gòu)單元的模擬通常是采用桿

6、單元和 梁單元來模擬的 ,邊坡監(jiān)測試驗(yàn)所用測斜管力學(xué) 形狀可采用梁單元來模擬 ,即可以考慮單元的側(cè) 向變形和彎曲變形 ,見圖 2 所示.仁 s 二=工 Ez 二 =丁一r=lr=2圖 2 梁單元示意圖咖咖咖咖 o765432 盡輯2010年 6 月第 6期城市道橋與防洪科技研究 下面介紹梁單元在有限元模擬中的表達(dá)式 : w=Nl0+1(_ da)l+2n+2(da)2(2)dr 口 r式中:N,是節(jié)點(diǎn) i 的 He咖 ite 插值函數(shù) .N=(2+r)(1 一 r)/4,N2=(2 一 r)(1+r)/4, (1+r)(1-r)/4N2=(1 一 r)(1+r)/4的水平變形 ,測斜管分別布設(shè)

7、在邊坡的變形的關(guān) 鍵部位,共 5根,管底均嵌入土體不動層 ,具體見 圖 3 所示.邊坡場地的工程地質(zhì)條件見表 1 所列. 設(shè)梁的彎曲剛度為 ,長度為 Z,則彎曲應(yīng)變 能為:IIbmo2 f dxIf4).圖 3 邊坡計(jì)算模型及其單元劃分圖 (單位 :ITI)對于兩結(jié)點(diǎn)單元 ,可以采用三階 Hermite插值表 1 邊坡場地的工程地質(zhì)條件匯總表 函數(shù) ,則單元的側(cè)向位移可以表示如下 :e.e+-(dw )+:e+:()口 r r 將式(3)代人式 (5),可得: c5 土層厚/m/g密.c度m-3含1水%,e+(dw,e.+ 2e+(dw)(6)式中:le 是梁單元的長度 .忽略軸向變形 ,梁單

8、元任意一點(diǎn)的曲率可以 表示為 :(dZlVlle0le 卜UlW1(dwldx1(dw/dx)=】口(7)式中 :】為梁單元的應(yīng)變矩陣 , 口為結(jié)點(diǎn)位 移變量,為結(jié)點(diǎn)軸向位移 ,r是局部坐標(biāo) . 聯(lián)合式 (4)和式(7),梁單元的應(yīng)變能可以表 示為:1JaBlrCBI.J=JayByCB.(8)0 1式中 :C=,則梁單元的剛度矩陣 : r=fBrCBIdr-13 邊坡幾何模型(9)3.1 現(xiàn)場邊坡概況某土質(zhì)邊坡 31 地處丘陵地段 ,邊坡坡高為 2.6 m,坡度為 21.采用 PVC 材質(zhì)的測斜管監(jiān)測邊坡 10.5 根植土 1.99l4.715.911.50.3113620.75 粘土,可塑

9、 1.9725.223.26.20.315313O.60 粘土,可塑 1.8932.848.74.0O.36111940.35 粘土硬塑狀 1.9726.626.95.20.36261950.6 強(qiáng)風(fēng)化泥巖 2.1319.618.16300.2855383.2 邊坡位移邊界條件 根據(jù)邊坡工程地質(zhì)條件以及現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果來 看【 ,邊坡在深度方向上的變形主要發(fā)生在 (1) (4)層 ,下部的強(qiáng)風(fēng)化泥巖為不動下臥基巖層 , 也是 測斜管的持力層 ;在水平方向上 ,可以將坡腳平臺 以外約 35m 至坡頂平臺以外 2.5m范圍內(nèi)的邊 坡作為脫離體 ,坡腳邊界為固定邊界 .由于邊坡處 于丘陵地形中的坡腳地段

10、 ,坡頂邊界不可避免地受 到上部土體水平下滑推力的作用而發(fā)生變形 ,因而 在該邊界上設(shè)定一個水平位移邊界函數(shù)來描述這過程,從現(xiàn)場邊坡的變形監(jiān)測 f51可知,2005年 6 月 3 日至 2005 年 6 月 10 日之間的邊坡側(cè)向變形 量是最大的 .因而計(jì)算中選取該段時間內(nèi)的邊界位 移來描述這一過程 ,具體見圖 4 所示 .將每天的位 移量當(dāng)作一個荷載步施加于邊界之上 ,一共 8 步 .0.070.06蠢 0.050【割眷 0.03o.020.0l020056120056 320O56.52005卅 20056_92005611 時間圖 4 邊坡坡頂外側(cè)水平位移邊界函數(shù)圖示 210科技研究城市

11、道橋與防洪 2010年 6月第 6期3.3 邊坡初始應(yīng)力條件 邊坡的初始應(yīng)力場取為自重應(yīng)力作用下的重 力場,其數(shù)量級是與各土層的重度以及上覆土層 的厚度等有關(guān)的 .3.4 計(jì)算參數(shù)的選取 邊坡的變形計(jì)算采用 Geoslope1中 Sigma/w來 完成的 ,求解安全穩(wěn)定性的方法為有限元法 ,由 Slope/w 來完成的 .邊坡的計(jì)算模型以及單元劃分 見圖 3,僅對其做平面應(yīng)變問題分析 ,劃分單元數(shù)為 476,結(jié)點(diǎn)數(shù)為 487.邊坡土體的本構(gòu)模型采用 理想彈塑性模型 ,采用 MohrCoulumb 強(qiáng)度破壞 準(zhǔn)則.4計(jì)算結(jié)果分析4.1 邊坡安全系數(shù)和變形 計(jì)算所得邊坡的水平位移場見圖 5 所示,

12、豎 向變形見圖 6 所示 ,邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)在有無 測斜管條件下均為 5.0.由此可見 ,邊坡的側(cè)向變 形在有無埋設(shè)測斜管條件下基本是一致的 ,而且 計(jì)算所得的安全系數(shù)沒有差異 .這說明在當(dāng)前邊 界條件下 ,測斜管對邊坡的側(cè)向變形和穩(wěn)定性沒 有太大的影響 .但是由于有測斜管的存在 ,使得測 斜管周邊一定范圍內(nèi) （估計(jì)為 3 倍管徑）的垂直變 形要小于沒有測斜管的變形 ,而且還隔斷了周邊 的垂直變形的傳遞 . 無測斜管時邊坡水平位移云圖 h有測斜管時邊坡水平位移云圖 圖 5 邊坡水平位移云圖4.2 變剛度條件下邊坡變形情況 以該邊坡為分析對象 ,分析在變化測斜管剛 度 EI, 彈性模量 E 和

13、慣性距 I 條件下坡頂處測斜 管的變形情況 .抗彎剛度 EI 變化范圍為實(shí)測測斜 管肼=2.37kN/m 的 1,10,100,1000和 10000 倍 ,彈性模量變化范圍為實(shí)測測斜管 E=4.38GPa 的 1,10 和 100 倍,將各種變動參數(shù)條件下計(jì)算所 得測斜管的水平位移和豎向位移沿深度的變化繪 a.無測斜管時邊坡水平位移云圖 b.有測斜管時邊坡水平位移云圖 圖 6 邊坡豎向變形云圖人圖 7和圖 8中.從圖中可見,影響測斜管的側(cè)向 位移的關(guān)鍵參數(shù)是抗彎剛度 EI.這從式 （6）中可見斑 ,即隨著抗彎剛度的增大 ,在外力作用下測斜 管的側(cè)向位移是降低的 ,特別是抗彎剛度超過原數(shù) 值的

14、 1000 以上,側(cè)向位移的抑制作用非常明顯 , 而且在相同抗彎剛度條件下 ,測斜管彈性模量的變 化對側(cè)向變形影響不大 .這說明彈性模量對邊坡的 水平變位的影響程度 ,主要取決于樁的抗彎剛度 . 抗彎剛度越大 ,樁的水平變位就越小 ,因而在慣性 矩保持不變的情況下 ,高彈模的樁會抑制邊坡水平 變形 ;對于測斜管的豎向變形而言 ,影響它的關(guān)鍵 參數(shù)是彈性模量 E,即 E 越大,測斜管的豎向變形 就越小 ,而抗彎剛度對豎向變形的影響程度并不明 顯,即在相同 E 條件下,抗彎剛度越大 ,豎向變形 就會加大 .這是因?yàn)闇y斜管除了豎向壓縮之外 ,由 于側(cè)向變形也會導(dǎo)致一定的豎向變形 ,抗彎剛度越 大 ,

15、側(cè)向變形也越大 ,豎向變形也自然增大 ,但是其 影響范圍有限 ,僅為 3D（D 為測斜管外徑 ）. X 方向位移 ,n Oo.OOSO.O10.0150.O2O.O2S 圖 7 可變抗彎剛度條件下測斜管的水平位移圖 （下轉(zhuǎn)第 226 頁） O:,:nOOO 226開拓眼界城市道橋與防洪 2010年 6月第 6期 會環(huán)境 ,生活水平等因素影響而形成的飲 ,食茶葉 的傳統(tǒng)習(xí)俗 ,其中的 火燎茶 ,涼拌茶 ,腌酸 茶 等習(xí)俗便是原始 ,古樸的食茶習(xí)俗的遺留 .在 旅游資源的開發(fā)過程中 ,務(wù)必將這些民族的茶道 演繹 ,飲茶方式與旅游景點(diǎn)有機(jī)結(jié)合起來 ,塑造茶 文化旅游健康形象 .2.5 打造精品茶文化

16、旅游線路 旅游線路的合理開發(fā)是旅游業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵要 素 .現(xiàn)代游客的欣賞品味和要求越來越高 ,因此需 要對西雙版納茶文化旅游產(chǎn)品進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì) ,凸 顯特色 ,以增加其吸引力 ,提高游客興趣 .首先綠 色環(huán)保生態(tài)游 .以具有一定規(guī)模 ,分布集中 ,種類 齊全的茶葉生態(tài)園或茶葉生產(chǎn)基地作為基礎(chǔ) ,發(fā) 展西雙版納茶文化旅游 .其次茶文化景觀游 ,以茶 馬古道遺跡為依托 ,科學(xué)組合旅游資源 ,開發(fā)多條 文化旅游線路 .同時將各民族風(fēng)格迥異的茶俗和 茶文化相結(jié)合 ,提高旅游產(chǎn)品的多樣性和趣味性 , 提高旅游產(chǎn)品和線路的知名度 .同時推出茶鄉(xiāng)尋 根訪祖游 ,茶文化學(xué)習(xí)考察游 ,健康養(yǎng)生游 ,茶節(jié) 慶游等各種

17、形式的茶文化旅游 .總之 ,以市場為導(dǎo) 向,與時俱進(jìn) ,根據(jù)游客的要求不斷調(diào)整和挖掘出 （上接第 210 頁）0. l0Y 方向位移 ma.lo.OO圖 8 可變抗彎剛度條件下測斜管的垂亙位移圖 （注:圖 7,圖 8中EI 單位:N/m;E 單位:Pa.） 綜上所述 ,現(xiàn)場埋設(shè)的測斜管的抗彎剛度為 2.37 kN/m2,彈性模量為 4.38GPa,遠(yuǎn)小于計(jì)算中對變形產(chǎn) 生影響的抗彎剛度和彈性模量 .因而邊坡監(jiān)測所用測 斜管對其穩(wěn)定性和變形影響不大 ,尤其是水平變形 , 故在邊坡變形和穩(wěn)定分析中可不考慮測斜管的存在 5 結(jié)語本文在某土質(zhì)邊坡現(xiàn)場試驗(yàn)的基礎(chǔ)之上 ,結(jié) 令游客滿意的茶文化旅游線路和產(chǎn)

18、品 .3 結(jié)語 茶是中國傳統(tǒng)文化的載體 ,因此 ,以茶為媒發(fā) 展茶文化旅游 ,一方面可以繼承和發(fā)揚(yáng)中國的傳 統(tǒng)文化 ,另一方面可以促進(jìn)我國旅游業(yè)的發(fā)展 .游 客在旅游活動中 ,寓教于游 ,陶冶情操 .普洱茶是 西雙版納人民的驕傲 ,也是這片土地的驕傲 ,進(jìn)一 步開發(fā)普洱茶文化旅游也將為西雙版納的旅游業(yè) 帶來新的發(fā)展空間 .因此西雙版納應(yīng)充分利用全 國茶文化快速發(fā)展的趨勢 ,辦特色 ,創(chuàng)品牌,造精 品,將西雙版納茶文化旅游打造成獨(dú)具風(fēng)情的精 品旅游線路 .參考文獻(xiàn) 【1闊紅杰.云南普洱茶 MI.昆明:云南科技出版社 ,2004. 【2劉修明 .茶與茶文化基礎(chǔ)知識【 M.北京:中國勞動社會保障出 版社,2003.【3陸世軍.云南縣域經(jīng)濟(jì)發(fā)展研究【 J】.云南民族大學(xué) ,2005（增）. 【4】黃桂樞 .云南普洱茶史與茶文化略考 A 】.中國普洱茶文化研 究中國普洱茶國際學(xué)術(shù)研討會論文集【 c】.1994.【5】楊桂華主編 .旅游資源學(xué)【 M】.