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土工格栅加筋高路堤边坡稳定性的弹塑性有限元分析

来源期刊:中南大学学报(自然科学版)2005年第5期

论文作者:范臻辉 王永和

文章页码:904 - 910

关键词:土工格栅;高路堤;弹塑性有限元分析

Key words:geogrids; high embankment; elastic-plastic finite element analysis

摘    要:在研究路堤填土施工过程和土体的非线性应力应变关系的基础上,建立了土工格栅加筋高路堤边坡的有限元分析模型,并利用该模型对土工格栅加筋高路堤边坡的受力情况、位移和破坏机理进行研究,分析土工格栅的长度、刚度以及铺设间距等参数对路堤变形的影响。实验结果表明,选择模量高,延伸率适宜的土工格栅对减少路堤侧向位移和提高高路堤的稳定性具有明显效果;随着路堤填土高度的增加,每层土工格栅所受拉力的最大峰值逐渐移向路堤内部;土工格栅所受的拉力从下往上逐渐减小,最大拉力出现在堤底第2层上;当路堤边坡较陡时(坡率为1∶m,m≤1.0),土工格栅的加筋长度宜取5.5~8 m;土工格栅的铺设间距宜为60 cm。附件: Z2005-05-37

Abstract: Considering the relationship of the embankment filling construction and the non-linear constitutive of the soil, a finite element analytical model for the high embankment slope reinforced with geogrids was set up. Based on this model, this paper analyzed the behavior, displacement and destruction mechanism of such a slope, as well as the effect of the length, stiffness and laying distance of geogrids on the deformation of the embankment. The results show that geogrids with high elastic modulus and proper extensibility will apparently reduce the lateral displacement and improve the stability of the high embankment. In addition, the increasing height of the embankment filling will result in the gradual movement of the strongest peak tension from each layer of geogrids towards the inside of embankment, and the tension imposed on geogrids decreases gradually from the top down, with the strongest one occurring at the second layer from the bottom. In the case of comparatively steep embankment slope (ratio of slope 1∶m,m≤1.0 ), the reinforcement length of geogrids is supposed to be 5.5 8 m, and the laying distance 60 cm.

基金信息:铁道部科研基金资助项目



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土工格栅加筋高路堤边坡稳定性的弹塑性有限元分析

 范臻辉, 王永和

(中南大学 土木建筑工程学院, 湖南 长沙, 410075)

摘要: 在研究路堤填土施工过程和土体的非线性应力应变关系的基础上, 建立了土工格栅加筋高路堤边坡的有限元分析模型, 并利用该模型对土工格栅加筋高路堤边坡的受力情况、 位移和破坏机理进行研究, 分析土工格栅的长度、 刚度以及铺设间距等参数对路堤变形的影响。 实验结果表明, 选择模量高, 延伸率适宜的土工格栅对减少路堤侧向位移和提高高路堤的稳定性具有明显效果; 随着路堤填土高度的增加, 每层土工格栅所受拉力的最大峰值逐渐移向路堤内部; 土工格栅所受的拉力从下往上逐渐减小, 最大拉力出现在堤底第2层上; 当路堤边坡较陡时(坡率为1∶m, m≤1.0), 土工格栅的加筋长度宜取5.5~8 m; 土工格栅的铺设间距宜为60 cm。

关键词: 土工格栅; 高路堤; 弹塑性有限元分析

中图分类号:TU472.3 文献标识码:A 文章编号: 1672-7207(2005)05-0904-07

Elastic-plastic finite element analysis of reinforcing geogrids applied in high embankment slope

FAN Zhen-hui, WANG Yong-he

(School of Civil and Architectural Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Abstract: Considering the relationship of the embankment filling construction and the non-linear constitutive of the soil, a finite element analytical model for the high embankment slope reinforced with geogrids was set up. Based on this model, this paper analyzed the behavior, displacement and destruction mechanism of such a slope, as well as the effect of the length, stiffness and laying distance of geogrids on the deformation of the embankment. The results show that geogrids with high elastic modulus and proper extensibility will apparently reduce the lateral displacement and improve the stability of the high embankment. In addition, the increasing height of the embankment filling will result in the gradual movement of the strongest peak tension from each layer of geogrids towards the inside of embankment, and the tension imposed on geogrids decreases gradually from the top down, with the strongest one occurring at the second layer from the bottom. In the case of comparatively steep embankment slope (ratio of slope 1∶m, m≤1.0 ), the reinforcement length of geogrids is supposed to be 5.5-8 m, and the laying distance 60 cm.

Key words: geogrids; high embankment; elastic-plastic finite element analysis

   随着国家西部大开发战略的实施, 对各种基础设施尤其是交通设施的需求越来越迫切, 但在西部各省的高山深谷地区进行交通建设, 经常会遇到路堤高填深挖的问题。

   在高填土路堤中加入抗拉强度较高的土工格栅比无筋路堤具有加快施工速度、 增加承载力、 节约经费等优点, 因此, 得到工程界的广泛重视。 目前, 土工格栅加筋边坡的工程实践超前于理论研究[1]。 在现有的研究中[2-10], 对土工格栅加筋边坡进行了较详细的试验分析, 而在理论分析上多采用基于圆弧滑动的极限平衡法。 由于加筋后的土体性质和无筋土体有较大区别, 仍然沿用无筋土体的假定往往和实际不符, 使理论值和实测值不吻合, 有时甚至得出和实际值完全相反的结论。 边坡侧向位移值逐渐被工程界所重视, 在分析边坡稳定性时常作为衡量边坡是否发生侧向过量位移破坏的重要指标; 而边坡坡面竖向位移即坡面沉降是工程技术要求的又一重要指标。 本文作者采用非线性有限元方法, 对土工格栅加筋高路堤边坡的受力性状、 破坏机理等进行研究, 讨论路堤边坡位移特性与土工格栅的长度、 刚度及铺设间距的关系。

1 计算模型

1.1 土体单元模型

土是一种复合体, 具有极为复杂的力学行为。 尽管土的线性模型和非线性弹性模型(如邓肯-张模型)用得较多, 但土体在外力的作用下, 不仅产生弹性变形而且还会产生不可恢复的塑性变形。 本文将土体视为弹塑性体, 采用Druck—Prager屈服准则[11]:

其中: I1为应力张量第一不变量; I1112233; J2为应力偏量第二不变量, ;

c为土的粘聚力; 为土的内摩擦角。

1.2 土工格栅单元模型

把格栅单元看成只能受拉, 不能受压, 不具有抗弯刚度, 只能沿轴向变形的一维单元, 位移函数是线性的, 用增量形式表示的单元刚度矩阵为[12]:

式中, E为格栅单元的弹性模量, kN/m; A为格栅的横截面积, m2; L为格栅单元的长度, m; α为单元与x轴的夹角。

土工格栅的厚度实际上是无法准确测定的, 格栅在做拉伸试验时, 所得到的应力实际上也是格栅单元宽度上受到的力。 因此, 本文中, 格栅单元成为一种薄膜单元, 采用的格栅单元刚度矩阵为:

在岩土工程结构中, 当2种相邻材料的变形性能相差较大时, 在一定的受力条件下, 可能会在它们之间的接触面上产生错动、 滑移或开裂。 古德曼(Goodman)等人提出了岩石节理单元, 对土工格栅-土界面的模拟中, 被广泛地用作接触面单元[13-15]

土工格栅是由横肋、 纵肋和孔眼组成, 其与土体的相互作用机理非常复杂。 但通过室内拉拔试验发现, 土工格栅与填土的咬合力非常大, 在土工格栅被拉出前就已被拉断, 故在土工格栅-土之间不采用接触单元。

2 计算实例

某土工格栅试验段高10.5 m, 左右边坡坡比为1∶0.75, 分17层铺设土工格栅, 层间距0.6 m, 除上面4层采取沿路堤横向通长布置外, 其余各层长度为6.5 m。 路堤填土的密度为1.96 g/cm3, C=12 kPa, =16; 地基土的密度为1.99 g/cm3, C=11.9 kPa, =29; 土工格栅的弹性模量为419.05 kN/m。

由于对称性, 将路堤对称划分为如图1所示的网格。 地基的计算范围: 竖向深度取路堤填土高度的2倍, 即21 m; 水平长度取距路堤中心线40 m。 共有1258个三角形土体单元, 170个土工格栅单元, 结点总数为687个, 其中X方向的约束结点数为44个, Y方向为33个。

计算过程分为19步: 第1步计算地基的初始地应力分布; 第2步至第18步模拟路堤施工(共分17层, 每层铺设一层土工格栅, 其中1至16层每层高度0.6 m, 第17层高度为0.9 m); 第19步按汽-20加载。

图 1   单元网格划分

Fig. 1   Division of element mesh

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