分散式半剛性樁加固邊坡的理論與實踐.pptVIP

分散式半剛性樁加固邊坡的 理論與實踐 （有限元分析）,張信貴 廣西大學(xué)設(shè)計研究院 廣西南寧高圖設(shè)計咨詢有限公司 2012年11月,一、引言 二、分散式半剛性樁加固邊坡的相關(guān)有限元理論 三、全埋式分散式半剛性樁加固邊坡的三維分析 四、埋入式分散式半剛性樁加固邊坡的三維分析 五、全埋式與埋入式的二維分析 六、結(jié)論與展望,目 錄,1.1 研究內(nèi)容及存在的問題,1、利用ABAQUS有限元軟件及強度折減法技術(shù)，分別對全埋式、埋入式半剛性樁加固邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行三維有限元模擬。 2、將三維模型簡化為平面應(yīng)變問題，分別按樁土復(fù)合指標(biāo)和樁土分算指標(biāo)進(jìn)行模擬。,研究內(nèi)容：,問題：,1、邊坡抗滑樁的本構(gòu)模型大都選視為剛體或彈性體，本構(gòu)模型為線彈性模擬；而對于半剛性樁該如何選取本構(gòu)模型？ 2、邊坡中抗滑樁，剛性樁在強度折減法時其強度都不參與折減，半剛性樁在強度折減法中是否其強度也不參與折減？,1.2 幾個概念,1、全埋式樁：樁作成全長樁即做到地面。 2、埋入式樁：樁作成半長樁即不做到地面。 3、樁土抗剪強度復(fù)合指標(biāo)：由復(fù)合地基中面積比法公式（下式）算得的加固區(qū)復(fù)合指標(biāo)。 4、樁土抗剪強度分算指標(biāo)：樁、土抗剪強度指標(biāo)分開取值。,2 分散式半剛性樁加固邊坡的有限元相關(guān)理論,2.1分散式半剛性樁及土體的本構(gòu)模型選取 均選為mohr-coulomb彈塑性模型。 2.2分散式半剛性樁的樁土接觸問題,有限元相關(guān)理論,2.3 初始地應(yīng)力的平衡,在進(jìn)行有限元的模擬計算時，首先為土體定義一個初始應(yīng)力場，使其與施加重力后相平衡，此時土體單元有應(yīng)力而無位移，這就是初始地應(yīng)力平衡。,2.3 強度折減法在邊坡中的應(yīng)用,有限元相關(guān)理論,強度折減法的定義：是指通過不斷增加折減系數(shù)來降低邊坡內(nèi)部巖土體的抗剪強度參數(shù)，直到邊坡處于極限破壞狀態(tài)為止，此時的折減系數(shù)即為邊坡的強度儲備安全系數(shù)，有限元軟件也將自動算得一破壞滑裂面。由于這種方法與由于降雨導(dǎo)致邊坡內(nèi)部土體強度降低非常相似而越來越多地應(yīng)用在實踐中。 邊坡失穩(wěn)的三種判斷準(zhǔn)則： 1、以邊坡特征部位（如坡頂或坡腳）的位移拐點為評價標(biāo)準(zhǔn)。 2、以邊坡是否形成連續(xù)的貫通區(qū)作為評價標(biāo)準(zhǔn)。 3、以數(shù)值模擬過程中計算是否收斂為評價標(biāo)準(zhǔn)。 本文是以特征部位的位移拐點作為邊坡失穩(wěn)的判斷準(zhǔn)則,3 三維全埋式分析-以高壓旋噴樁為例 3.1 建模過程,三維全埋式,工程實例邊坡斷面圖,邊坡模型示意圖,3.1 建模過程,三維全埋式,模型示意圖,網(wǎng)格劃分,3.1 建模過程,三維全埋式,單元類型有C3D8和C3D6兩種,3.1 建模過程,三維全埋式,3.1 建模過程,三維全埋式,3.1 建模過程,三維全埋式,隨場變量變化的摩擦角和粘聚力,3.2 結(jié)果分析-滑動面的確定,采用位移等值線對邊坡滑動面進(jìn)行判斷時，在滑動面附近，位移等值線最為密集，且越往臨空面靠近其位移等值線間距越稀疏值也越大；而滑床處的位移等值線均相同，無其他等值線分布，從而說明該部分相對于滑動體部分處于穩(wěn)定狀態(tài)，因此可將兩部分之間的分界線定義為滑動面。如圖所示為天然邊坡的位移等值線及變形圖，由于邊坡存在在一軟弱下臥層，其滑動面經(jīng)過軟弱下臥層并繞過坡腳點，形成一大圓弧面，與極限平衡分析法中的一樣。,天然邊坡的位移等值線,天然邊坡的變形圖,三維全埋式,3.2 結(jié)果分析-滑動面的確定,上圖為高壓旋噴樁嵌入全風(fēng)化花崗巖1m深度時的位移等值線云圖及變形圖，加固后的邊坡滑動面為坡腳處呈圓弧狀，中間部分和坡頂處呈折線形，即整個邊坡的滑動面為圓弧與折線型的組合。滑動面要比天然邊坡的來得大，由圖中還可以看出加固區(qū)后土體的位移變形最大，加固區(qū)前的位移要比加固區(qū)后面土體的位移來得小，體現(xiàn)了高壓旋噴樁加固邊坡穩(wěn)定性的作用，與實際情況較相符合。,樁嵌入全風(fēng)化花崗巖1m時邊坡位移等值線云圖,樁嵌入全風(fēng)化花崗巖1m時邊坡變形圖,三維全埋式,邊坡處于臨界狀態(tài)時其滑動面不僅可以通過位移等值線來確定，還可通過塑性區(qū)域的貫通趨勢來判斷。從圖中可知,由塑性區(qū)域確定的天然滑動面與由位移等值線確定的滑動面相似，兩者大致相同。,天然邊坡破壞時塑性區(qū)域,3.2 結(jié)果分析-滑動面的確定,天然邊坡破壞時變形圖,三維全埋式,上圖為樁嵌入全風(fēng)化花崗巖1m時邊坡的塑性區(qū)與破壞時的變形圖,從圖中可知,由塑性區(qū)域確定的滑動面與由位移等值線確定的滑動面相似，兩者大致相同。,樁嵌入全風(fēng)化花崗巖1m時邊坡破壞的塑性區(qū)域,樁嵌入全風(fēng)化花崗巖1m時邊坡破壞時變形圖,3.2 結(jié)果分析-滑動面的確定,三維全埋式,3.2 結(jié)果分析-塑性區(qū)的發(fā)展趨勢,不同折減系數(shù)下的塑性區(qū)貫通情況,三維全埋式,3.2 結(jié)果分析-滑動面的確定,通過數(shù)值模擬計算，高壓旋噴樁加固邊坡穩(wěn)定性其塑性區(qū)發(fā)展趨勢與折減系數(shù)的關(guān)系如上圖所示，其中折減系數(shù)增加梯度為0.05。從圖中可以看出，隨著Fr 的增大，土體的抗剪強度逐漸減小，邊坡由自然狀態(tài)向失穩(wěn)狀態(tài)逐漸發(fā)展。塑性區(qū)域首先從距坡頂處最近的高壓旋噴樁樁后土體及該樁體附近的粉質(zhì)粘土軟弱下臥層開始出現(xiàn)，然后沿著軟弱下臥層水平向左穿過高壓旋噴樁至坡腳處，形成一以坡腳為圓心的圓弧狀塑性區(qū)域；向右則沿著坡體上緣延伸，塑性區(qū)域逐漸增大。當(dāng)Fr1.25時邊坡內(nèi)的塑性區(qū)域迅速擴展并全部貫通；但是Fr在1.25至1.33范圍內(nèi)，計算仍能滿足邊坡的平衡要求而達(dá)到收斂，只是求解過程中迭代次數(shù)逐漸增大；直到Fr=1.33時，滑體的不平衡力明顯增大，邊坡已不能滿足平衡要求，其求解無法達(dá)到計算精度，計算不再收斂宣告中斷。,三維全埋式,由圖中可以看出坡頂、坡中及坡腳的位移曲線圖重疊在一起，說明以坡頂、坡中或坡腳為邊坡的特征部位判斷得出的安全系數(shù)是相同的，可見邊坡失穩(wěn)時滑體是呈現(xiàn)整體滑動。隨著土體材料折減系數(shù)的增加，滑體水平位移呈線性逐漸增加，當(dāng)材料折減系數(shù)達(dá)到1.13時，邊坡處于臨界破壞狀態(tài)，過了臨界狀態(tài)后，折減系數(shù)不再增大而水平位移卻發(fā)生急劇增加，此時宣告邊坡失穩(wěn)破壞，從位移曲線圖中可以明顯地看到一明顯拐點，此拐點對應(yīng)邊坡處于臨界破壞狀態(tài)。,天然邊坡安全系數(shù)Fr與U1的關(guān)系曲線,3.2 結(jié)果分析-安全系數(shù),三維全埋式,由圖中可以看出在相同的折減系數(shù)下坡腳的水平位移比坡中及坡頂?shù)乃轿灰苼淼眯?，但不管由邊坡滑體上的哪個特征點確定的位移，都是隨著折減系數(shù)的增大首先呈線性增加，經(jīng)歷彈性階段后進(jìn)入塑性階段，至材料折減系數(shù)為1.27時邊坡處于臨界破壞狀態(tài)，過了臨界狀態(tài)后，特征點上的水平位移和塑性應(yīng)變發(fā)生突變，此時位移圖曲線上可以看到一曲率最大的拐點，此拐點對應(yīng)的折減系數(shù)即為邊坡的安全系數(shù)為1.27。,3.2 結(jié)果分析-安全系數(shù),加固后安全系數(shù)Fr與U1的關(guān)系曲線,三維全埋式,3.2 結(jié)果分析-安全系數(shù),由圖可以看出天然邊坡的變形階段有彈性階段和破壞階段而沒有一明顯的屈服階段，此時邊坡的破壞是突然的、毫無征兆的，類似鑄鐵等脆性材料的破壞，這在工程上是危險的。而加固后的邊坡其變形階段除了有彈性階段和破壞階段外，還具有一定的塑性屈服階段，類似鋼材等韌性材料的破壞過程，也就說明邊坡在臨界失穩(wěn)狀態(tài)時是有明顯的征兆的，在工程上就可以采取加固措施來防止邊坡的失穩(wěn)破壞。,天然邊坡與加固后邊坡的安全系數(shù)比較,三維全埋式,3.2 結(jié)果分析-樁身變形圖,如上圖所示，高壓旋噴樁嵌入全風(fēng)化花崗巖深度為5m時和1m時的樁身變形圖是一樣的，而且樁頂?shù)淖畲笏轿灰埔彩欠浅＝咏?，這說明了提高高壓旋噴樁在滑床以下的嵌入深度對提高邊坡的穩(wěn)定性沒有明顯的作用。這是由于高壓旋噴樁樁身強度不高，在不同土層處的抗剪強度又有突變，使得高壓旋噴樁在邊坡中發(fā)生的是剪切破壞或拉彎破壞。,三維全埋式,樁嵌入全風(fēng)化花崗巖1m的變形圖,樁嵌入全風(fēng)化花崗巖5m的變形圖,3.2 結(jié)果分析-樁身變形圖,再者從圖中可以看出在全風(fēng)化花崗巖中樁的水平位移接近為零，而過了粉質(zhì)粘土軟弱層后其水平位移發(fā)生突變，隨著距離樁底高度的增加，樁身水平位移在粉質(zhì)粘土軟弱層及粘土層中快速增加，至素填土層后水平位移增加緩慢接近于0.33m，由此也可以判斷高壓旋噴樁在加固邊坡穩(wěn)定性中剪切破壞、拉彎破壞是發(fā)生在上部，而不像剛性抗滑樁那樣，彎曲或傾覆破壞發(fā)生在底部。,樁身位移曲線圖,三維全埋式,3.2 結(jié)果分析-樁身土壓力,如圖所示為12#樁的樁身曲線圖，樁前后土壓力分布呈三角形分布，在不同土層交界處樁身土壓力發(fā)生突變，這是由于不同土層的內(nèi)摩擦角不同導(dǎo)致其土壓力系數(shù)不同，故在不同土層處其樁身土壓力發(fā)生突變。 樁前土壓力與樁后土壓力在滑裂面以上及以下兩者都非常的接近，只在滑裂面附近即塑性區(qū)域處有所不同，這也說明高壓旋噴樁在破壞后與樁間土成整體滑動。,12#樁身土壓力曲線,三維全埋式,3. 3 小結(jié),本章主要研究了高壓旋噴樁加固邊坡穩(wěn)定性的三維有限元分析，模擬結(jié)果表明： 1、高壓旋噴樁處理后的邊坡滑裂面呈圓弧狀與折線的組合。 2、高壓旋噴樁發(fā)生剪切破壞或彎曲破壞，而不是發(fā)生傾覆破壞。 3、加長高壓旋噴樁在滑裂面以下的嵌入深度并不能提高邊坡的安全系數(shù)。,三維全埋式,4 三維埋入式分析-以高壓旋噴樁為例 4.1 建模過程,如圖所示為埋入式高壓旋噴樁加固邊坡潛在滑裂面附近一定范圍的邊坡模型示意圖，高壓旋噴樁只對粘土層、粉質(zhì)粘土層及全風(fēng)化花崗巖層這三層土進(jìn)行加固，而未對素填土層加固，樁體在這三層土的加固深度依次為6 m、3m、1m共10 m，邊坡土層及樁體物理力學(xué)參數(shù)如第三章所述。,三維埋入式,埋入式邊坡模型示意圖,4.2 結(jié)果分析-塑性區(qū)發(fā)展趨勢,三維埋入式,埋入式高壓旋噴樁的塑性發(fā)展趨勢,4.2 結(jié)果分析-滑動面的確定,如圖所示由位移等值線確定的滑裂面只有一個，為圓弧與折線的組合；而由塑性區(qū)域確定的滑裂面有兩個，一是通過軟弱層的主滑裂面，為圓弧與折線的組合；二是通過坡腳的次生滑裂面，為一大的圓弧面。,三維埋入式,埋入式樁的邊坡位移等值線,埋入式樁的邊坡塑性區(qū)域,4.2 結(jié)果分析-安全系數(shù),由圖可知，埋入式高壓旋噴樁加固后的邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.26，與全長式的安全系數(shù)1.27略小，說明了對存在軟弱下臥層的邊坡中，若只對潛在滑裂帶進(jìn)行注漿加固的方法來改變滑帶土的性質(zhì)，提高其抗剪強度，增加邊坡的穩(wěn)定性是可行的，能為其他類似工程提供一定的借鑒意義。,三維埋入式,折減系數(shù)Fr與U1的關(guān)系曲線,二維全埋式,樁土復(fù)合指標(biāo)模型示意圖,樁土分算指標(biāo)模型示意圖,5 全埋式與埋入式的二維分析 5.1 全埋式計算模型,在進(jìn)行二維分析時，分別按樁土復(fù)合指標(biāo)和樁土分算指標(biāo)進(jìn)行計算，左圖為基于面積法算得的樁土復(fù)合指標(biāo)模型示意圖；右圖為樁土分算指標(biāo)模型示意圖，樁、土抗剪強度參數(shù)下表所示，本構(gòu)模型均采用Mohr-Coulomb彈塑性模型。,二維全埋式,5.1 全埋式計算模型,5.2 全埋式結(jié)果分析-滑動面的確定,如圖所示由樁土復(fù)合指標(biāo)算得的邊坡失穩(wěn)破壞時的塑性區(qū)域確定的滑裂面為一大圓弧面；由樁土分算指標(biāo)算得的邊坡失穩(wěn)破壞時的塑性區(qū)域確定的滑裂面為圓弧面與折線的組合，與三維模型確定的滑裂面相近。,樁土復(fù)合指標(biāo)時邊坡的塑性區(qū)域,樁土分算指標(biāo)時邊坡的塑性區(qū)域,二維全埋式,5.2 全埋式結(jié)果分析-安全系數(shù),上圖為樁土復(fù)合指標(biāo)和樁土分算指標(biāo)算得的邊坡坡頂節(jié)點的折減系數(shù)Fr與U1的關(guān)系曲線圖，由圖中可知不同指標(biāo)算得的安全系數(shù)一樣，都是1.37，比三維模擬的安全系數(shù)1.27略大，說明可以將三維模型簡化為二維模型是可行的。,二維全埋式,折減系數(shù)Fr與U1的關(guān)系曲線,5.3 埋入式計算模型,左圖為基于面積法算得的樁土復(fù)合指標(biāo)模型示意圖，右圖為樁土分算指標(biāo)模型示意圖，樁、土抗剪強度參數(shù)如表5-15所示，本構(gòu)模型均采用Mohr-Coulomb彈塑性模型。,二維埋入式,樁土復(fù)合指標(biāo)模型示意圖,樁土分算指標(biāo)模型示意圖,5.4 埋入式結(jié)果分析-滑動面的確定,左圖為由樁土復(fù)合指標(biāo)算得的邊坡失穩(wěn)破壞時的塑性區(qū)域，由塑性區(qū)域確定的滑裂面為一通過坡腳的大圓弧面；右圖為樁土分算指標(biāo)下算得的邊坡失穩(wěn)破壞時的塑性區(qū)域，由塑性區(qū)域確定的滑裂面有兩個，一是通過軟弱層的主滑裂面，二是通過坡腳的次生滑裂面。,二維埋入式,樁土復(fù)合指標(biāo)時邊坡的塑性區(qū)域,樁土分算指標(biāo)時邊坡的塑性區(qū)域,5.4 埋入式結(jié)果分析-安全系數(shù),上圖為樁土復(fù)合指標(biāo)和樁土分算指標(biāo)求得的邊坡坡頂節(jié)點折減系數(shù)Fr與U1的關(guān)系曲線圖，由圖中可知兩者的安全系數(shù)都為1.32，比三維模擬的安全系數(shù)1.26略大。,折減系數(shù)Fr與U1的關(guān)系曲線,二維埋入式,5.5 小結(jié),1、不同嵌入深度的全埋式高壓旋噴樁，其安全系數(shù)是相同的。 2、采用埋入式高壓旋噴樁與采用全埋式高壓旋噴樁其邊坡安全系數(shù)并未明顯的降低。 3、二維模型中采用樁土復(fù)合指標(biāo)和樁土分算指標(biāo)算得的邊坡安全系數(shù)是一樣的。 4、二維有限元模擬的邊坡安全系數(shù)要比三維模型安全系數(shù)來得大，全埋式的大8%，而埋入式的大3%，故可以將三維問題轉(zhuǎn)化為二維問題進(jìn)行分析，可簡化模型的計算難度和節(jié)省計算時間。,二維埋入式,不同加固措施邊坡的安全系數(shù)表,5.5 小結(jié),二維分析,5.5 小結(jié),二維分析,5.5 小結(jié),1、在三維分析中，天然邊坡的滑裂面為一大圓弧面，而全埋式及埋入式高壓旋噴樁則為圓弧與折線型的組合面。 2、三維分析中，全埋式高壓旋噴樁嵌入深度不同時，其滑裂面位置卻是相同的；埋入式高壓旋噴樁的邊坡滑裂面與全埋式的滑裂面相似，但