抗滑樁受力分布的有限元分析

抗滑樁受力分布的有限元分析

目前，抗滑樁設(shè)計(jì)中的抗滑樁設(shè)計(jì)通常采用類比法進(jìn)行計(jì)算，這通常導(dǎo)致抗滑樁設(shè)計(jì)的強(qiáng)度不足或設(shè)計(jì)保守。對(duì)滑坡體物理力學(xué)特征對(duì)抗滑樁作用力的影響缺乏系統(tǒng)的研究,對(duì)其影響規(guī)律沒(méi)有充分的認(rèn)識(shí),是當(dāng)前設(shè)計(jì)的一大缺陷。針對(duì)這一問(wèn)題,本文提出采用有限元方法分析滑坡體彈性模量、重度、抗拉強(qiáng)度對(duì)抗滑樁作用力分布規(guī)律的影響。1研究方法和模型的建立1.1對(duì)參數(shù)進(jìn)行模擬分析本次研究采用數(shù)值模擬的方法,充分利用數(shù)值模擬可反復(fù)進(jìn)行、能完全重現(xiàn)的特征,可在短期內(nèi)對(duì)大量參數(shù)進(jìn)行模擬分析,并且可對(duì)極限情況進(jìn)行分析研究,克服了實(shí)驗(yàn)分析方法的不足。數(shù)值模擬采用巖土體彈塑性有限元法,利用現(xiàn)有的成熟巖土體有限元分析程序,使研究主要集中在關(guān)心的滑坡體特征對(duì)抗滑樁作用力分布規(guī)律的影響上,研究更加方便、準(zhǔn)確。1.2地質(zhì)模型的確立根據(jù)研究和計(jì)算程序的需要,必須首先確立分析用的地質(zhì)模型,研究選取具有代表性的滑坡體結(jié)構(gòu)作為研究的地質(zhì)模型,其模型結(jié)構(gòu)及參數(shù)如圖1所示。1.3應(yīng)力模型的建立在建立地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上,依據(jù)研究目的和有限元網(wǎng)格剖分原則,對(duì)模型進(jìn)行了有限元剖分。計(jì)算過(guò)程中主要考慮巖體的重力作用,未考慮構(gòu)造應(yīng)力,整個(gè)模型按理想彈塑性體的平面應(yīng)變問(wèn)題處理。模型中,假設(shè)各種材料均為各向同性的材料。計(jì)算模型中采用的位移邊界條件為:左右邊界為水平向約束,底邊界為水平、垂直兩向約束,坡面為自由約束。有限元剖分時(shí)采用4結(jié)點(diǎn)4邊形單元和3結(jié)點(diǎn)3角形單元,整個(gè)模型被離散為675個(gè)結(jié)點(diǎn),710個(gè)單元。有限元模型如圖2所示。2滑坡體各物理力學(xué)參數(shù)對(duì)抗滑樁-圍巖間相互作用巖土體的物理力學(xué)參數(shù)對(duì)抗滑樁與圍巖間作用力分布規(guī)律起著決定性作用,參數(shù)的變化將直接改變作用力的分布規(guī)律。為了研究各參數(shù)對(duì)抗滑樁與圍巖間作用力分布的影響規(guī)律,應(yīng)用前述的地質(zhì)模型和有限元模型,選用均質(zhì)玄武巖作為基本計(jì)算模型,研究滑坡體各物理力學(xué)參數(shù)的影響規(guī)律。分析時(shí),改變其中一個(gè)參數(shù),保持其它參數(shù)不變,計(jì)算一組數(shù)值結(jié)果,并將結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,從中找出作用力的變化規(guī)律。2.1彈性模量對(duì)滑坡推力的影響為了研究滑體彈性模量的影響規(guī)律,選用一組滑體彈性模量為:100、500、1000、5000、10000、50000、100000MPa來(lái)分析。做出不同彈性模量計(jì)算的結(jié)點(diǎn)應(yīng)力與結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的關(guān)系曲線如圖3、圖4所示。可以看出,當(dāng)滑體剛度增加時(shí),滑體彈性模量增大,此時(shí)抗滑樁所受的滑坡推力和剩余抗滑力幅值增大。彈性模量在1000MPa以下時(shí),滑坡推力和剩余抗滑力基本呈三角形分布。當(dāng)彈性模量繼續(xù)增大時(shí),滑坡推力曲線由三角形變?yōu)榉蔷€性分布曲線,且曲線斜率越來(lái)越大。滑坡推力合力作用點(diǎn)越來(lái)越靠近滑動(dòng)面。當(dāng)巖體彈性模量增加時(shí)滑坡下滑,由于滑體本身的變形量較小,其下滑時(shí)的能量消耗較小,因而作用于抗滑樁上的推力就較大。而巖體彈性模量較小時(shí),巖性較弱,滑坡發(fā)生及滑動(dòng)過(guò)程中,由于滑體本身的變形消耗了一定的能量,從而導(dǎo)致作用于抗滑樁上的作用力低。由滑坡推力曲線還可以看出,當(dāng)巖體的變形性處于中等時(shí),隨巖體剛度增加,滑坡推力的增加顯著,即當(dāng)彈性模量在1000～10000MPa間變化時(shí)對(duì)滑坡推力的影響較大,當(dāng)小于或大于該范圍時(shí),彈性模量對(duì)滑坡推力的影響較小。表明巖性較弱時(shí),如松散第四系或較弱飽和泥巖,其剛度增強(qiáng)有限,且其變形性均較大,滑坡滑動(dòng)時(shí)消耗能小于滑體的變形,此時(shí)作用于抗滑樁上的推力是隨巖性剛度增加所增加但變化不大。而當(dāng)巖體極硬時(shí),如完整石英巖等,由于滑體巖性剛度較大,滑體本身的變形性能較小。此時(shí),彈性模量的變化對(duì)滑坡推力的影響同樣較小。當(dāng)滑體巖性位于以上兩者之間時(shí),滑體巖性的變化對(duì)抗滑樁上作用力影響較大,在抗滑樁或抗滑建筑物設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以考慮。另一方面,由分析結(jié)果可以看出,滑坡推力及剩余滑坡推力的作用點(diǎn)位置與傳統(tǒng)假設(shè)不符。傳統(tǒng)假設(shè)多認(rèn)為對(duì)松散第四系,推力合力作用點(diǎn)高度位于滑面上1/3高處,而巖石滑坡則位于1/2處。主要是依據(jù)第四系滑坡推力呈三角形分布,而巖石滑坡的推力則是矩形分布。由本項(xiàng)研究可以看出滑坡推力是非線性變化,若從工程實(shí)用的角度出發(fā),可以均視為在滑體下部2/3范圍內(nèi)的三角形分布,而其合力作用點(diǎn)位置在滑面以上約1/4高處,剩余抗滑力的分布特征則與之相似。2.2重度對(duì)關(guān)系曲線的影響重度正是形成滑坡推力和剩余抗滑力的主要原因,為了研究它對(duì)滑坡推力和剩余抗滑力的影響規(guī)律,選取了一組重度值來(lái)研究,重度值取為:0.01、0.015、0.02、0.025、0.028、0.03、0.035kN/m3。不同重度時(shí)關(guān)系曲線如圖5、圖6所示。從圖上可以看出,重度大時(shí),滑坡推力和剩余抗滑力幅值大,滑坡推力曲線形狀基本相似,力的作用位置基本不變。2.3拉伸控制理論改變滑體抗拉強(qiáng)度,分別為:0、0.05、0.1、0.5、1.0、5.0、10MPa7個(gè)抗拉強(qiáng)度,計(jì)算的結(jié)點(diǎn)應(yīng)力與結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)關(guān)系曲線如圖7、圖8所示。從圖中可以看出,隨著抗拉強(qiáng)度增大,滑坡推力和剩余抗滑力的幅值都增大,但當(dāng)抗拉強(qiáng)度增大到0.5MPa以后,繼續(xù)增大抗拉強(qiáng)度,滑坡推力和剩余抗滑力將不再變化,表明當(dāng)巖體的抗拉強(qiáng)度達(dá)到一定值后,不會(huì)再被拉力破壞。3滑體重度對(duì)滑動(dòng)力和剩余抗滑力的影響(1)滑體彈性模量增大,抗滑樁所受的滑坡推力和剩余抗滑力幅值增大,且在較小值范圍內(nèi)時(shí)影響較小