有限元法在不規(guī)則邊坡拉筋擋土墻計(jì)算中的應(yīng)用

有限元法在不規(guī)則邊坡拉筋擋土墻計(jì)算中的應(yīng)用【摘要】本文針對(duì)某高邊坡路堤的研究，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)地勢(shì)和交通情況的考察，建立了二維分層斜邊坡的拉筋擋墻有限元模型，對(duì)加筋后的情況與沒(méi)加筋的情況進(jìn)行對(duì)比，分析擋墻的變形，應(yīng)力分布，及路基土體中的應(yīng)變情況。來(lái)體現(xiàn)加筋擋墻對(duì)路基的作用效果，并驗(yàn)證了有限元法在求解特殊路基邊坡?lián)鯄χ械膬?yōu)越性?！娟P(guān)鍵詞】加筋土擋墻有限元法GoodmanFiniteelementmethodinirregularslopereinforcementCalculationofretainingwalls【Abstract】Inthispaper,Researchingahighslopeembankment.Throughon-siteInspectioningeologicalterrainandtrafficconditions,establishingfiniteelementmodelofReinforcedretainingwallusingatwo-dimensionallayeredslopeoftheramp,ComparedtheReinforcedretainingwallsituationandthenotReinforcedretainingwall,includingthedeformation,thestress,thedistribution,andthecontingencyofroadbedsoil.ReflectingtheeffectofReinforcedretainingwallintheroadbedandverifyingthesuperiorityofthefiniteelementmethodinsolvingspecialroadbedsloperetainingwall.【Abstract】ReinforcedretainingwallFEMGoodman0引言目前，用于加筋土擋墻設(shè)計(jì)計(jì)算的方法主要是以朗肯或庫(kù)倫土壓力理論為基礎(chǔ)的極限平衡法。經(jīng)過(guò)研究工作者數(shù)十年的鞏固與完善，這種方法己經(jīng)作為一種較為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法被世界眾多的國(guó)家所采用，并成為加筋土擋墻的設(shè)計(jì)規(guī)范。但是，作為一種傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，其在加筋土擋墻的穩(wěn)定性分析上則存在如下缺點(diǎn)：（1）極限平衡法沒(méi)有考慮加筋土體內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，無(wú)法分析加筋土擋墻破壞的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程；（2）極限平衡法沒(méi)有考慮土體與拉筋、支擋結(jié)構(gòu)面板的相互作用關(guān)系，無(wú)法模擬筋土之間，土與面板之間的剪切滑移；（3）在對(duì)加筋土擋墻進(jìn)行內(nèi)部穩(wěn)定性分析時(shí)，通常要先假定破裂面的形狀，如朗金法等，這種假定并不一定適用于所有類型的加筋土擋墻，并且有時(shí)過(guò)于保守，造成材料使用上的浪費(fèi)；（4）對(duì)于高大加筋土擋墻，墻高大于30m的內(nèi)部穩(wěn)定性計(jì)算，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法并不適用。（5）在進(jìn)行外部穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，極限平衡法是將加筋土擋墻假定為剛性擋墻的。但實(shí)際上，它是一種柔性結(jié)構(gòu)，因此這樣的假定并不是合理的.加筋土結(jié)構(gòu)有限元分析起步較晚，直到20世紀(jì)70年代后才開(kāi)始用該法預(yù)測(cè)加筋土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的分析方法建立在力的極限平衡理論之上，無(wú)法描述結(jié)構(gòu)的變形機(jī)制。有限元法力學(xué)概念簡(jiǎn)單，應(yīng)用靈活，將變形的協(xié)調(diào)性與力的平衡結(jié)合起來(lái)，克服了傳統(tǒng)的理論局限，是模擬某些復(fù)雜結(jié)構(gòu)及變化過(guò)程成為可能。課加筋擋墻艷的有限元東法主要有郊三種模式社：澆（慶1暗）將土體倡和加筋材很料看做一蠢復(fù)合材料領(lǐng)，假設(shè)土帆體和材料瞞之間沒(méi)有桶相對(duì)滑移缸，采用未栗加筋土的猛本構(gòu)關(guān)系調(diào)模型對(duì)加話筋土體進(jìn)豐行有限元損分析債；矩(2裳)扯將加筋土犁中的加筋緊材和土體色處理成不燃同材料，膏分別采用拳不同的本雹構(gòu)關(guān)系進(jìn)斷行有限元戀分析，但饅仍不考慮臂加筋土中劣的筋材和決土的相互煉作用，將使加筋材料堡和土體截鋤然分開(kāi)處湊理；倉(cāng)（計(jì)3柱）將加筋號(hào)土體看作扎是有土體姿，加筋材歷料以及土除體與土體孩加筋材料粉之間的接濟(jì)觸單元所改聯(lián)系起來(lái)竿的有機(jī)體正，接觸單覺(jué)元應(yīng)力的胃大小隨加予筋材料與晝土體之間萄的相對(duì)位限移而改變麗。舊當(dāng)選擇復(fù)脹合式方法周時(shí)，需要政確定所研原究的加筋謹(jǐn)土作為復(fù)樣合材料時(shí)腸的本構(gòu)關(guān)早系。但是宮，目前國(guó)民內(nèi)外的眾繩多研究工競(jìng)作者提出劫的各種加辟筋土的本勾構(gòu)模型都怪只是針對(duì)差某一特定遭的土體材問(wèn)料或是加該筋材料，遲并不具有呢普遍性。姐目前，已料經(jīng)出現(xiàn)了劣各種各樣礎(chǔ)的可用于理未加筋土李的有限元皇分析軟件姥，其功能薦非常強(qiáng)大蓄，而分離震式方法可遇以充分模村擬筋土之孕間、土與勇面板之間而的相互作園用，并且垂易于實(shí)現(xiàn)降有限元奮計(jì)算。因乏此，本文倡選擇計(jì)算辟模式中的聯(lián)第三種方暑法。電本文在建哀立有限元意計(jì)算模型垂時(shí)，土體搶的材料本道構(gòu)關(guān)系采膽用的是捉Druc境ker-食Prag允er幸模型。本靈構(gòu)模型反澡映了土體挨的非線性券，此本構(gòu)佛模型的適饑用范圍較搖寬，對(duì)于磁砂土和粘鬼性土都能個(gè)適用。由天實(shí)測(cè)可知遭，加筋土偏擋墻中土割體的應(yīng)力堵水平及地左基的應(yīng)力獨(dú)水平一般孫不大，也殼就是說(shuō)一嘴般不會(huì)發(fā)毛生大范圍紀(jì)的塑性區(qū)陡，剪脹性接的影響較斥小。在模僵擬筋土之昌間、土與么面板之間述相互作用處時(shí)，引入紛的界面單鹽元，可以幸較好的模玉擬接觸面尖上的錯(cuò)動(dòng)特滑移和張招開(kāi)，并能燈考慮接觸小面變形的爪非線性特掠性。許土工合成伸材料的與皺土的接觸買單元采用穗無(wú)厚度若的哲Good裙ma粥n展單元塊。艇1嶄用有限元年方法的計(jì)斗算方法擦在有限元爆分析中，勾抗拉強(qiáng)度抵較小的顆脖粒狀材料南所組成的庫(kù)土體處理吐成塑性體塔，它的屈按服準(zhǔn)則僚用劍Druc無(wú)ker-尚Prag倦e緩r艷屈服準(zhǔn)則漂，它是間對(duì)籠Mohr摔-Cou圈lom障b捕準(zhǔn)則給予議近似，以菌此來(lái)修戚正禿VonM偉is話s致屈服準(zhǔn)則改，即誦在泊VonM刺is際s膊的表達(dá)式我中包含一陪個(gè)附加項(xiàng)毯。禾在程序中贊，土體的乘等效應(yīng)力囑表達(dá)式為涉：撓因怨油纖（冤1箭）娘穴-景平均應(yīng)力黃{S}盜-類偏差應(yīng)力膚-螺材料常數(shù)掩，用下式葉計(jì)算吸-側(cè)土的內(nèi)摩仇擦角僻[M]縣-籃屈服力隨夕方向的變涉化矩陣屑屈服準(zhǔn)則屠的表達(dá)式伶：臉撇（哀2棕）悅-名材料的抗畏拉極限強(qiáng)稼度環(huán)當(dāng)薄和留值給定后翼，其屈服魄面為服負(fù)從妻Mohr攔-Cou層lom怪b外屈服準(zhǔn)則儲(chǔ)的外切圓教錐面。余流動(dòng)準(zhǔn)則躁：痛土體任一醫(yī)點(diǎn)的應(yīng)變榴增量為：式中:鼓腳輪標(biāo)洲e銀表示彈性醫(yī)；壤p臭表示塑性連；孟Q鞠-請(qǐng)位移勢(shì)函幫數(shù)式中：址為待定參揉數(shù)；夫由而彈性殿應(yīng)變?yōu)轵匸D蠶]際彈性矩陣則：諸招緞靠(3)致利用屈服語(yǔ)函年數(shù)融F責(zé)，可以得賭出百貫寒蹲(猛4)畏耽但陷獨(dú)仁(5)猾k剩-秤塑性變形書中所作的衫功訊將雕（凍4顛）襲和營(yíng)(5牢)巧帶入衫（攻3龍）得臨程序中用希相關(guān)準(zhǔn)則永，妄即蠢Q=F融在有限元康分析中將獅整個(gè)結(jié)構(gòu)零處理成平買面。這樣吐處理也是變和實(shí)際工論程相符合庸的，因?yàn)槁勺鳛橐粋€(gè)圈長(zhǎng)度比寬遞度大得多凳的加筋土懇擋墻或加里筋土坡，撿并且往往浮這種結(jié)構(gòu)表的內(nèi)在因妥素和外來(lái)胸荷載都不肅沿長(zhǎng)度變摩化，作為小平面應(yīng)變紋問(wèn)題是合嶼適的。土選體是一種獄塑性材料饅，在有限舌元分析中伍，處理碗成啟8見(jiàn)節(jié)點(diǎn)的四阻邊形單元蝦具有較高廊的精度。敢但是，用旱這種單元雕建模鼓時(shí)，移考慮的因逼素較多，室相對(duì)來(lái)說(shuō)背不易實(shí)現(xiàn)穗。相對(duì)來(lái)僅說(shuō)，四節(jié)斬點(diǎn)矩形單店元建模方名便，計(jì)算資簡(jiǎn)便，因話此在分析胞中采用憲圖懶2唐四節(jié)點(diǎn)矩繭形單元。伶圖唐1男撒土體單元析模型廈拉筋材料三用一維桿付單元來(lái)模變擬。在本能分析中，豐拉筋只具掀有抗拉強(qiáng)叼度，而不翻存在抗壓免和抗彎特喂性。由于這它在一般沒(méi)情況下，知其應(yīng)力應(yīng)渾變處于彈篇性范圍內(nèi)居，故在分幟析的過(guò)程真中把它處肢理為線彈鳴性材料。銹在只考慮矩水平位移決的情況下核，單元節(jié)窄點(diǎn)力與節(jié)核點(diǎn)位移的叼關(guān)系式為販?zhǔn)磐崮芴蹈沅彛h6貼）式中：仍{內(nèi)}敢-四節(jié)點(diǎn)力，紗-蠻節(jié)點(diǎn)位移件，[K]=忘A室-壘橫截面積似l呆-其單元長(zhǎng)度愧圖狀2扇絨桿單元模默型你拉筋與土拐之間在施祖工或運(yùn)行胳過(guò)程中有條相對(duì)滑動(dòng)馬現(xiàn)象，即看在拉筋附仔近出現(xiàn)位農(nóng)移不連續(xù)霜的現(xiàn)象，珠因此，需鄭要在土工應(yīng)格珊與土惡之間設(shè)置字接觸單元歇。接觸單積元為二維撈點(diǎn)獎(jiǎng)-晚點(diǎn)接觸單閣元。言二維傘點(diǎn)窯-仰點(diǎn)接觸單炒元用來(lái)模透擬兩個(gè)能循夠保持或躍斷開(kāi)的物蟻理接觸，股并能夠模挽擬有相對(duì)踏滑動(dòng)的面動(dòng)。本單元膊只承受法虛向壓力和蟲切向剪力密（庫(kù)倫摩辰擦）。單仙元每個(gè)節(jié)嬌點(diǎn)翻有嫁2誤個(gè)自由耽度摸:價(jià)沿節(jié)點(diǎn)坐劣標(biāo)瘡系龜x,良y珠方向的平怒動(dòng)。本單凈元可以在果法向進(jìn)行掃預(yù)加載或記者給定一痛個(gè)間隙。不當(dāng)間隙比是和切向沒(méi)籍有滑動(dòng)時(shí)深，制定的銳剛度將作芬用在法向夸和切向。即：皆念骨謊情孫類準(zhǔn)（哥7撫）逗-堆摩擦系數(shù)疊-許作用于間筋隙的法向拐力油-捷平行于間角隙的滑移求力束法向力為盡：式中：慶K凝-政法向剛度勒-隱節(jié)總點(diǎn)副i統(tǒng)在法向的答位移；的-猾影響因子榮d糊-植節(jié)點(diǎn)間距腦離怠滑移力為崖：播-劑粘滯剛度伏-遺節(jié)解點(diǎn)卸I康在滑動(dòng)方擋向的位移綿-丙節(jié)愈點(diǎn)合J晚脂在滑動(dòng)方觸向的位移蝴-認(rèn)節(jié)燈點(diǎn)命I輪和燙J曲之間的相器對(duì)滑動(dòng)位叮移董單元?jiǎng)偠群骄仃?事例塊圖切3著技加筋擋墻勤的形式要表灶1笨填土物閣理力學(xué)參胡數(shù)屋Tab.稱窯1蛙唇Phys艇ical去mec剝hani浸csp欣aram叨eter醋sof俘fil寄ling抽參數(shù)異密度勉彈模隸泊松比耕內(nèi)摩擦角加（寬）頃巖性土頸26杠3100潔0.22倡40久砂性土片22絞．牧50碧1100臟0.2通36偶格珊內(nèi)的滲填土帖22搏950旱0.35虛38糞基地片石斑22果6000破0吉．豈35夸80巖表晶2艇接觸單銹元的參數(shù)淺Tab.蓬臨2哥Para中mete崖rso訊fce炭llo腰fin擾ter色face啞參數(shù)汗法向剛度潔KN/m躬切向剛度勤KN/m姿摩擦系數(shù)深路基土與到面板磚接觸單元墓1000盯0訓(xùn)1000豈0陡．哨3杜筋體土接括觸單元豐1000輛00扣1000促0蹤0讓．侄4忽面板采用谷混凝土材載料，它的厲設(shè)計(jì)參數(shù)恨為：密傷度悟24單報(bào)，彈性模劃量慮3000漢Mp膨a貝，泊松比達(dá)為繁0.3蝕欲；拉筋的劈本構(gòu)關(guān)系起采用線彈設(shè)性模型，冒其設(shè)計(jì)參擇數(shù)采用值忌為：彈性逼模名量閱8000崗。鳳計(jì)算結(jié)構(gòu)呈分析：頃從濱圖副5巷～忽圖卻9翁的應(yīng)力值直等值線圖坑中，我們紋能夠看到摩加擋墻后般應(yīng)力分布撒比較均衡捕，不會(huì)出案現(xiàn)部分的剩應(yīng)力集中池和局部破暫壞。汪從成圖腎1代0匪～垃圖匙1恢2衣對(duì)加筋前瘡后原路基櫻邊坡水平由位移，豎以向位移及減等效應(yīng)力梨值進(jìn)行比漿較，我們咬能夠看到轎加擋墻后土使路基邊漿坡水平向苦和豎向的糠位移得到鮮遏制，等減效應(yīng)力值布減小。啦從簽圖岸1愛(ài)3烈～諸圖逆1掩5徑拉筋應(yīng)力郊水平向分赴布圖中可替以看出邁末加筋擋墻喪內(nèi)的拉筋襖拉力最大甜值出現(xiàn)的份位置與拉芳筋的埋置清深度有關(guān)潑。且在擋睜墻分層的紫上下是不彼同的，面避板分階的落上層拉筋恐最大拉應(yīng)攀力值出現(xiàn)截在靠拉筋壇的后端，啦面板分階預(yù)附近及面吩板分階的任下部拉筋恭拉應(yīng)力最別大值會(huì)出臂現(xiàn)在拉筋研的前端蹄。家色塘蛛扣脈拔需課憑付揭織握腿遭畢們圖舍4莊壘加筋后路彩基邊坡和冊(cè)拉筋擋墻剖的網(wǎng)格劃隨分細(xì)圖駐5指印加擋墻后其的路基第過(guò)一主應(yīng)力茅圖純更峽圖豐6餅境加擋墻后指的路基第情二主應(yīng)力筐圖女國(guó)圖污7誓加擋墻后牽的路基第蘇三主應(yīng)力道圖春圖西8包涂加擋墻后嚷的路基等辟效應(yīng)力圖紡練圖霸9餐囑加擋墻后物的路基剪遷應(yīng)力圖葵圖村10令兩加筋前后判水平位移去比較乓圖竟11許融加筋前后榴豎向位移嗓比較瞞圖亦12慕撐加擋墻前脖后邊坡等房效應(yīng)力值楚比較尾圖直13雅外拉筋擋墻居中的二層遼拉筋的應(yīng)膨力值誤圖步14蜻為拉筋擋墻王中宣的瞞5占1烈層拉筋的依應(yīng)力值嫩圖榜15鎖腐拉筋擋墻主中胃的淺5理1佳層拉筋的攀應(yīng)力值3結(jié)論汁笛（遞1習(xí)）有限元割法為計(jì)算汪不規(guī)則擋爐墻提供了豪方便，根續(xù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的指地質(zhì)情況污設(shè)定模型瓶，能較方婦便的計(jì)算荒出路基的父各個(gè)方向噴的位移，斤路基沉降建量，各個(gè)姐方向的應(yīng)習(xí)力及應(yīng)變含情況；漁（墻2浪）節(jié)約了向大量的人易力和物力屯進(jìn)行重復(fù)兔性的工作盟，并且在宏現(xiàn)有程序缸的基礎(chǔ)上及，可以使皇整個(gè)分析墾簡(jiǎn)單明了保，易于操竊作，從而醋使這種有衣限元分析冰方法易于漏推廣；抬（慨3她）現(xiàn)有的喬商業(yè)有限蔽元分析是傭經(jīng)過(guò)大量軍的實(shí)際工干程驗(yàn)算過(guò)婆的，計(jì)算氧結(jié)果與實(shí)墾際較為接詠近。因此轎，這種做銜法具有工暈程實(shí)用價(jià)默值；遞（思4揮）同極限泳平衡法相湯比，數(shù)值榨分析方法將，尤其是雀有限元法陡可以提供陵土體的應(yīng)奪力場(chǎng)和變哲形場(chǎng)，在慚計(jì)算中可綱以考慮土說(shuō)體的非均驚勻性和非腐線性、土炎性隨時(shí)間儲(chǔ)的變化、真施工步序折和荷載變?nèi)?jì)算粘成果能夠福反映從施議工開(kāi)始至并運(yùn)行期間寺土體變形分性質(zhì)變化滔的全過(guò)程委。因此，鹽它彌補(bǔ)了新極限平衡偉法太粗糙守在一定的櫻假設(shè)條件倆下使用和診太宏觀無(wú)俘法描述各背單元和節(jié)困點(diǎn)的性狀窗的缺陷。封參考文獻(xiàn)測(cè)：晉[1]項(xiàng)涼冷天增清神,蠶曾德末榮始.伸公路支擋遼結(jié)構(gòu)構(gòu)要[M