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(lèi)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。納（壟5師）在進(jìn)行外部升穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)逃，極限平衡法記是將加筋土擋熟墻假定為剛性痰擋墻的。但實(shí)捏際上，它是一勾種柔性結(jié)構(gòu)，念因此這樣的假等定并不是合理國(guó)的嬌.蹈加筋土結(jié)構(gòu)有暫限元分析起步應(yīng)較晚，直箱到戰(zhàn)2岡0宮世動(dòng)紀(jì)裹7擔(dān)0共年代后才開(kāi)始?jí)τ迷摲A(yù)測(cè)加悔筋土結(jié)構(gòu)的內(nèi)辰部穩(wěn)定性。傳油統(tǒng)的分析方法發(fā)建立在力的極紫限平衡理論之雨上，無(wú)法描述棗結(jié)構(gòu)的變形機(jī)究制。有限元法享力學(xué)概念簡(jiǎn)單霸，應(yīng)用靈活，嚇將變形的協(xié)調(diào)濁性與力的平衡裙結(jié)合起來(lái)，克熊服了傳統(tǒng)的理比論局限，是模新擬某些復(fù)雜結(jié)我構(gòu)及變化過(guò)程萌成為可能。逝加筋擋墻的有墻限元法主要有俗三種模式尚：根（蟻1漸）將土體和加昆筋材料看做一翻復(fù)合材料，假暫設(shè)土體和材料叉之間沒(méi)有相對(duì)么滑移，采用未幼加筋土的本構(gòu)門(mén)關(guān)系模型對(duì)加國(guó)筋土體進(jìn)行有帳限元分析鍵；映(2嚼)虜將加筋土中的夸加筋材和土體頸處理成不同材驟料，分別采用投不同的本構(gòu)關(guān)杏系進(jìn)行有限元金分析，但仍不鄰考慮加筋土中堂的筋材和土的瑞相互作用，將市加筋材料和土勞體截然分開(kāi)處嶄理；他（衫3昌）將加筋土體瀉看作是有土體頌，加筋材料以賀及土體與土體丙加筋材料之間頸的接觸單元所諸聯(lián)系起來(lái)的有績(jī)機(jī)體，接觸單蛙元應(yīng)力的大小院隨加筋材料與拆土體之間的相應(yīng)對(duì)位移而改變凍。偏當(dāng)選擇復(fù)合式罩方法時(shí)，需要量確定所研究的悲加筋土作為復(fù)墨合材料時(shí)的本竿構(gòu)關(guān)系。但是訊，目前國(guó)內(nèi)外城的眾多研究工菜作者提出的各目種加筋土的本尿構(gòu)模型都只是賣(mài)針對(duì)某一特定方的土體材料或憑是加筋材料，娘并不具有普遍緊性。目前，已綿經(jīng)出現(xiàn)了各種紋各樣的可用于艙未加筋土的有長(zhǎng)限元分析軟件絕，其功能非常蘭強(qiáng)大，而分離兇式方法可以充煎分模擬筋土之做間、土與面板生之間的相互作參用，并且易于蓄實(shí)現(xiàn)有限元?dú)炗?jì)算。因此，垃本文選擇計(jì)算甚模式中的第三堂種方法。舊本文在建立有今限元計(jì)算模型惑時(shí)，土體的材孩料本構(gòu)關(guān)系采浩用的是帖Drucke仗r-Prag沿er許模型。本構(gòu)模搖型反映了土體咽的非線(xiàn)性，此斧本構(gòu)模型的適會(huì)用范圍較寬，主對(duì)于砂土和粘僚性土都能適用過(guò)。由實(shí)測(cè)可知旗，加筋土擋墻慘中土體的應(yīng)力遺水平及地基的戀應(yīng)力水平一般稈不大，也就是單說(shuō)一般不會(huì)發(fā)材生大范圍的塑塘性區(qū)，剪脹性地的影響較小。捧在模擬筋土之糟間、土與面板第之間相互作用織時(shí)，引入的界館面單元，可以霉較好的模擬接蒼觸面上的錯(cuò)動(dòng)遭滑移和張開(kāi)，顏并能考慮接觸護(hù)面變形的非線(xiàn)訴性特性。妥土工合成材料腔的與土的接觸夫單元采用無(wú)厚束度陵的謹(jǐn)Goodma駝n燈單元叮。擾1斯用有限元方法皮的計(jì)算方法污在有限元分析本中，抗拉強(qiáng)度都較小的顆粒狀不材料所組成的拿土體處理成塑爹性體，它的屈專(zhuān)服準(zhǔn)則舉用外Drucke情r-Prag洋e遺r扣屈服準(zhǔn)則，它委是軌對(duì)愈Mohr-C免oulom毒b升準(zhǔn)則給予近似染，以此來(lái)修屯正霉VonMis劫s柴屈服準(zhǔn)則，即好在鍋VonMis滅s迷的表達(dá)式中包替含一個(gè)附加項(xiàng)偉。蓄在程序中，土亂體的等效應(yīng)力抱表達(dá)式為：潛補(bǔ)攝?。▌?chuàng)1頓）索-平均應(yīng)力灘{S}告-逼偏差應(yīng)力丹-歇材料常數(shù)，用延下式計(jì)算金-籮土的內(nèi)摩擦角蝶[M]預(yù)-兼屈服力隨方向案的變化矩陣追屈服準(zhǔn)則的表把達(dá)式：丑耐（還2現(xiàn)）旨-衣材料的抗拉極甚限強(qiáng)度濟(jì)當(dāng)償和絹值給定后，其瑞屈服面為服衣從應(yīng)Mohr-C躍oulom趨b喬屈服準(zhǔn)則的外夫切圓錐面。流動(dòng)準(zhǔn)則：蠻土體任一點(diǎn)的瘋應(yīng)變?cè)隽繛椋菏街?屈腳截標(biāo)料e輔表示彈性挽；回p徑表示塑性異；秋Q懼-港位移勢(shì)函數(shù)式中：為待定參數(shù)；牧由而彈性應(yīng)變獅為托[D倦]賽彈性矩陣則：市撐渾(3)斑利用屈服函最數(shù)孕F炊，可以得出蕩夸冬(4)眼軋睛轎(5)再k乓-出塑性變形中所撕作的功毫將出（逆4雖）暖和虎(5強(qiáng))槐帶入顛（缸3炭）得結(jié)程序中用相關(guān)畫(huà)準(zhǔn)則，或即私Q=F誕在有限元分析仆中將整個(gè)結(jié)構(gòu)繡處理成平面。危這樣處理也是艷和實(shí)際工程相頃符合的，因?yàn)榧y作為一個(gè)長(zhǎng)度告比寬度大得多加的加筋土擋墻置或加筋土坡，垂并且往往這種浩結(jié)構(gòu)的內(nèi)在因余素和外來(lái)荷載席都不沿長(zhǎng)度變潔化，作為平面懼應(yīng)變問(wèn)題是合市適的。土體是娛一種塑性材料回，在有限元分壓析中，處理枯成辰8賢節(jié)點(diǎn)的四邊形驢單元具有較高糊的精度。但是嫩，用這種單元般建模野時(shí)，勇考慮的因素較魄多，相對(duì)來(lái)說(shuō)允不易實(shí)現(xiàn)。相享對(duì)來(lái)說(shuō)，四節(jié)蹈點(diǎn)矩形單元建牛模方便，計(jì)算圈簡(jiǎn)便，因此在對(duì)分析中采用經(jīng)圖擱2畢四節(jié)點(diǎn)矩形單猜元。幅圖挨1盾拼土體單元模型量拉筋材料用一欣維桿單元來(lái)模況擬。在本分析京中，拉筋只具際有抗拉強(qiáng)度，答而不存在抗壓閉和抗彎特性。太由于它在一般莖情況下，其應(yīng)援力應(yīng)變處于彈東性范圍內(nèi)，故樣在分析的過(guò)程掠中把它處理為劇線(xiàn)彈性材料。殃在只考慮水平耽位移的情況下姑，單元節(jié)點(diǎn)力籌與節(jié)點(diǎn)位移的蘭關(guān)系式為福該吐樣搬會(huì)（晶6釀）式中：億{儲(chǔ)}紋-高節(jié)點(diǎn)力，愚-損節(jié)點(diǎn)位移，胸[K]=A-橫截面積l-單元長(zhǎng)度域棋羅暴羊久圖默2撤胞桿單元模型揉拉筋與土之間種在施工或運(yùn)行匯過(guò)程中有相對(duì)候滑動(dòng)現(xiàn)象，即晝?cè)诶罡浇霰姮F(xiàn)位移不連續(xù)能的現(xiàn)象，因此廁，需要在土工枯格珊與土之間翻設(shè)置接觸單元泉。接觸單元為外二維喜點(diǎn)籌-季點(diǎn)接觸單元。威二維旦點(diǎn)財(cái)-元點(diǎn)接觸單元用樹(shù)來(lái)模擬兩個(gè)能林夠保持或斷開(kāi)星的物理接觸，攤并能夠模擬有部相對(duì)滑動(dòng)的面良。本單元只承應(yīng)受法向壓力和脈切向剪力（庫(kù)狹倫摩擦）。單腐元每個(gè)節(jié)點(diǎn)鑄有形2葉個(gè)自由裝度們:補(bǔ)沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)志系館x,鑰y顧方向的平動(dòng)。丈本單元可以在遺法向進(jìn)行預(yù)加跨載或者給定一燦個(gè)間隙。當(dāng)間逐隙比和切向沒(méi)惠有滑動(dòng)時(shí)，制叔定的剛度將作戒用在法向和切恐向。即：竿腳爸華休眨（級(jí)7翅）-摩擦系數(shù)很-款作用于間隙的另法向力杏-低平行于間隙的門(mén)滑移力法向力為：式中：K-法向剛度尾-澤節(jié)覽點(diǎn)廁i格在法向的位移月；-影響因子扔d佛-繪節(jié)點(diǎn)間距離滑移力為：-粘滯剛度室-程節(jié)商點(diǎn)尖I認(rèn)在滑動(dòng)方向的膀位移們-槳節(jié)肚點(diǎn)沿J事懶在滑動(dòng)方向的枕位移漁-屈節(jié)掛點(diǎn)帥I裝和酸J調(diào)之間的相對(duì)滑俱動(dòng)位移單元?jiǎng)偠染仃?事例降圖徒3金冷加筋擋墻的形聯(lián)式遍表姨1對(duì)填土物理力懼學(xué)參數(shù)瞎Tab.榴1料叉Physic主almec客hanics灰param拉eters溜offil朝ling番參數(shù)團(tuán)密度擔(dān)痕彈模論泊松比馳內(nèi)摩擦角揚(yáng)（析）罷巖性土戒26勁3100構(gòu)0.22訂40料砂性土萍22月．火50嬌1100騰0.2炊36掘格珊內(nèi)的填土族22盞950漏0.35偷38座基地片石愁22賄6000頓0允．雪35很80賊表伙2棵接觸單元的梁參數(shù)執(zhí)Tab.抖2根眉Parame難terso毅fcell墨ofin眠terfa蹦ce密參數(shù)量法向剛度孔KN/m糾切向剛度伸KN/m滿(mǎn)摩擦系數(shù)銹路基土與面板國(guó)接觸單元挽10000爽1000嫁0爛．委3蛙筋體土接觸單獄元源100000雄10000雞0耽．娃4箭面板采用混凝桑土材料，它的哪設(shè)計(jì)參數(shù)為：仰密次度濫24盞軋，彈性模瞎量納3000Mp和a胸，泊松比俗為姐0.3志輝；拉筋的本構(gòu)念關(guān)系采用線(xiàn)彈加性模型，其設(shè)綿計(jì)參數(shù)采用值葛為：彈性模先量勢(shì)8000窗。通計(jì)算結(jié)構(gòu)分析租：每從抱圖昏5策～炭圖董9柔的應(yīng)力值等值亂線(xiàn)圖中，我們土能夠看到加擋城墻后應(yīng)力分布棵比較均衡，不戰(zhàn)會(huì)出現(xiàn)部分的扎應(yīng)力集中和局周部破壞。閃從憲圖帖1自0離～隊(duì)圖沾1消2訊對(duì)加筋前后原騰路基邊坡水平寸位移，豎向位快移及等效應(yīng)力躬值進(jìn)行比較，衡我們能夠看到諸加擋墻后使路昆基邊坡水平向美和豎向的位移仰得到遏制，等澆效應(yīng)力值減小測(cè)。詢(xún)從敲圖獸1舌3筍～挑圖籌1抖5登拉筋應(yīng)力水平草向分布圖中可拐以看出成促加筋擋墻內(nèi)的緩拉筋拉力最大齒值出現(xiàn)的位置苗與拉筋的埋置痰深度有關(guān)。且耐在擋墻分層的庸上下是不同的趨，面板分階的爽上層拉筋最大聰拉應(yīng)力值出現(xiàn)錢(qián)在靠拉筋的后網(wǎng)端，面板分階拍附近及面板分貍階的下部拉筋烤拉應(yīng)力最大值部會(huì)出現(xiàn)在拉筋助的前端控。貞然套可園孟椒乞榜丘侄績(jī)個(gè)碰圖約4想牽加筋后路基邊巨坡和拉筋擋墻辟的網(wǎng)格劃分爐圖顧5彈丸加擋墻后的路坦基第一主應(yīng)力始圖胡捐府布圖茶6圣茶加擋墻后的路果基第二主應(yīng)力錢(qián)圖己歡婚圖王7慨加擋墻后的路菜基第三主應(yīng)力敘圖掌圖炸8能波加擋墻后的路行基等效應(yīng)力圖丘刺牽圖基9喚鄰加擋墻后的路商基剪應(yīng)力圖釘圖梅10驅(qū)懲加筋前后水平節(jié)位移比較氣圖自11仗況加筋前后豎向儲(chǔ)位移比較稼圖恐12直元加擋墻前后邊勤坡等效應(yīng)力值憂(yōu)比較網(wǎng)性圖勇13吼粥拉筋擋墻中的制二層拉筋的應(yīng)肌力值勁癢螺圖姐14編叫拉筋擋墻中齡的敵5擊1申層拉筋的應(yīng)力暈值攝圖召15咽歡拉筋擋墻中桃的躁5陽(yáng)1高層拉筋的應(yīng)力盾值3結(jié)論躍祥（悟1洞）有限元法為代計(jì)算不規(guī)則擋俯墻提供了方便頂，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的駛地質(zhì)情況設(shè)定紗模型，能較方延便的計(jì)算出路咸基的各個(gè)方向敘的位移，路基奧沉降量，各個(gè)扣方向的應(yīng)力及亞應(yīng)變情況；多（琴2翠）節(jié)約了大量糞的人力和物力第進(jìn)行重復(fù)性的掃工作，并且在阿現(xiàn)有程序的基秤礎(chǔ)上，可以使現(xiàn)整個(gè)分析簡(jiǎn)單大明了，易于操泊作，從而使這弄種有限元分析守方法易于推廣稱(chēng)；嶄（豈3驕）現(xiàn)有的商業(yè)位有限元分析是雖經(jīng)過(guò)大量的實(shí)藝際工程驗(yàn)算過(guò)駱的，計(jì)算結(jié)果拴與實(shí)際較為接煮近。因此，這旁種做法具有工椅程實(shí)用價(jià)值；印（丘4坦）同極限平衡膨法相比，數(shù)值舉分析方法，尤每其是有限元法祖可以提供土體扮的應(yīng)力場(chǎng)和變狼形場(chǎng)，在計(jì)算裂中可以考慮土夢(mèng)體的非均勻性?xún)?chǔ)和非線(xiàn)性、土哀性隨時(shí)間的變洲化、施工步序訊和荷載變化，右計(jì)算成果能夠壤反映從施工開(kāi)廟始至運(yùn)行期間受土體變形性質(zhì)矩變化的全過(guò)程懂。因此，它彌隔補(bǔ)了極限平衡欺法太粗糙在一旅定的假設(shè)條件制下使用和太宏它觀無(wú)法描述各誠(chéng)單元和節(jié)點(diǎn)的葬性狀的缺陷。參考文獻(xiàn)：兼[1]脹輝冷天條清蹄,戴曾德嫩榮咱.漫公路支擋結(jié)逃構(gòu)濾[M]芬.票北京戶(hù)：胸.齒人民交通出版芬社剖,2006久[2]癥錦高江貨平賽,趁胡長(zhǎng)比順住,坡陳忠驚達(dá)探,抱吳家周惠蠶.延土壓力計(jì)算原杜理與網(wǎng)狀加筋香土擋墻設(shè)計(jì)理疤論煮[M]振.容北京：人民交勉通出版木社枝2002.1爽0蓋[3]耀約肖文，賴(lài)思靜濃，楊建藍(lán)國(guó)椅.蠶土工格珊加筋厭陡坡路堤的有節(jié)限元分禍析倦[J]茂.年公路交通技術(shù)牽，狂200園6煩，登5拒：鑼29-34怕[梅4黎]困龐小朝睬,鍬周小文昌,棋溫慶博侮,服等榮.擁向量隨機(jī)場(chǎng)模躍擬及其在巖土倍工程中的應(yīng)用緒[J].及兼清華大學(xué)學(xué)報(bào)極,2003亂,43(乓5):7墾06-7賽09.排[5改]君鄧念東，侯恩徒科，樊懷