加筋高邊坡有限元分析

1、https:/加筋高邊坡有限元分析加筋高邊坡有限元分析摘要：利用巖土工程有限元軟件對(duì)西南地區(qū)某加筋高邊坡進(jìn)行了位移和受力的計(jì)算分析。按照現(xiàn)場(chǎng)的施工順序設(shè)置了加載計(jì)算步驟，結(jié)果表明：土工布的加筋作用能夠有效提高邊坡的穩(wěn)定性，分析了加筋邊坡的總位移、水平位移和豎直位移的分布規(guī)律及其形成原因。然后是加筋邊坡應(yīng)力的分析，通過(guò)對(duì)剪應(yīng)力和相對(duì)剪應(yīng)力以及塑性點(diǎn)的分析，討論了邊坡破壞的發(fā)展過(guò)程和塑性區(qū)的分布，并提出了相應(yīng)的處置措施，為加筋高邊坡的設(shè)計(jì)和施工監(jiān)測(cè)提供參考。關(guān)鍵詞：加筋高邊坡； 土工合成材料；有限單元法；塑性區(qū)隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展和耕地面積的不斷減少，工程建設(shè)用地越來(lái)越緊缺。針對(duì)工程用地的嚴(yán)

2、重不足，削山填溝作為一種能夠有效增加建設(shè)用地的方法，得到了廣泛應(yīng)用，因此，在西南地區(qū)出現(xiàn)了大量的高填方工程1-3。高填方工程往往采用加筋的方法修建較陡的邊坡，以達(dá)到減少用地的目的。加筋材料一般采用土工合成材料，其中土工格柵和土工布的應(yīng)用最為普遍4-5。目前加筋土坡的高度已達(dá) 60m 以上，加筋土高邊坡對(duì)填方和土工合成材料本身都提出了更加嚴(yán)格的要求6-8。針對(duì)高邊坡的工程特點(diǎn)，本文以西南某地區(qū)高填方加筋邊坡工程為背景，運(yùn)用有限元軟件，對(duì)邊坡進(jìn)行必要進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，以估算填方施工中的受力變形情況，為設(shè)計(jì)和施工監(jiān)測(cè)服務(wù)，并且初步探討了加筋邊坡需要重點(diǎn)處理的部位。1 加筋高邊坡的有限元模型的建立1.

3、1 幾何模型的建立和材料屬性加筋高邊坡采用土工布加筋，其下部為粘土，強(qiáng)度較高。填土材料選用當(dāng)?shù)氐纳罢惩粒哂休^高的強(qiáng)度參數(shù)，適于高邊坡的修筑。各土層的物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表 1。土工布的參數(shù)根據(jù)青島旭域公司提供的資料選取，抗拉強(qiáng)度為500kN/m。表 1 各土層的物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 The physical and mechanical parameters of soil土層 天然容重（kN/m3） 飽和容重（kN/m3） 粘聚力（kPa） 內(nèi)摩擦角（） 滲透系數(shù)（m/d） 壓縮模量（kN/m2） 泊松比計(jì)算中用土工格柵單元模擬土工布，其它材料用實(shí)體單元模擬。土工格柵與填土之間相當(dāng)于鋼筋混

4、凝土計(jì)算中的組合式方法，也相當(dāng)于應(yīng)變比例系數(shù)為 1的等效附加應(yīng)力法9-10，即認(rèn)為筋土之間變形協(xié)調(diào)，沒(méi)有相對(duì)滑移。圖 1 模型的網(wǎng)格劃分Fig.1 divided mesh of modelhttps:/2 計(jì)算結(jié)果與分析2.1 應(yīng)變分析圖 2 加筋高邊坡的總位移云圖 圖 3 加筋高邊坡的水平位移云圖Fig.2 total displacement nephogram of Fig.3 horizontal displacementnephogramreinforced slope of reinforced slope加筋邊坡的總位移云圖如圖 2 所示。從加載完成之后的位移云圖和位移等值線圖

5、可以看出，最大位移發(fā)生在坡頂面上距離坡頂 20.5 米處，最大位移為0.55 米。形成了在加筋體與未加筋體之間土體位移較大，即靠近加筋體的部分，土體有較大的位移。等高度上的土體，加筋部分的位移小于未加筋部分，說(shuō)明了加筋對(duì)于降低邊坡變形的巨大作用。加筋邊坡的水平位移云圖和等值線圖如圖 3 所示。邊坡穩(wěn)定最為敏感的一個(gè)因素就是水平位移的變化，水平位移增大是滑坡發(fā)生的前兆。從水平位移云圖可以看出，最大水平位移發(fā)生在下級(jí)邊坡，基本位于坡面中心處。最大水平位移為 0.17 米。并且呈現(xiàn)出以該點(diǎn)為中心，逐漸向坡體內(nèi)較小的趨勢(shì)。水平位移的等值線在加筋體后側(cè)的部分，基本呈現(xiàn)出圓弧狀，與圓弧滑裂面的形狀相似，不

6、斷向破體內(nèi)部遞減。因?yàn)樗轿灰频戎稻€之間的位移差是相等的，所以可以從水平位移等值線的疏密程度來(lái)推測(cè)滑裂面的位置。在等值線較密處，水平位移的變化較大，這樣的水平位移差值達(dá)到一定程度時(shí)，就表明土體已經(jīng)開(kāi)裂，也就是滑裂面發(fā)生的位置。圖 4 加筋高邊坡的豎直位移云圖Fig.4 vertical displacement distributiondiagram of reinforced slope加筋邊坡的豎直位移云圖如圖 4 所示。從中可以看出，坡體豎直位移的最大值為 0.54 米，發(fā)生在破頂面上距坡頂 17 米處。因?yàn)樯喜客馏w的豎向位移是其高度以下土體沉降的累加，所以，呈現(xiàn)出向下逐漸減小的趨勢(shì)。對(duì)

7、比同一高度上土體的豎向沉降，發(fā)現(xiàn)加筋部分的沉降明顯小于未加筋部分，說(shuō)明了加筋能夠有效降低土體的豎向應(yīng)力，起到很好的均化擴(kuò)散作用，從而降低了豎向沉降。2.1 應(yīng)力分析加筋邊坡的剪應(yīng)力云圖，相對(duì)剪應(yīng)力云圖和塑性點(diǎn)分布圖分別如圖 5，圖 6和圖 7 所示。圖 5 加筋高邊坡的剪應(yīng)力云圖 圖 6 加筋高邊坡的相對(duì)剪應(yīng)力云圖https:/Fig.5 shear stress nephogram of reinforced Fig.6 relative shear stressnephogram ofslope of reinforced slope圖 7 塑性點(diǎn)分布圖Fig.7 distribution

8、 diagram of plastic yield-point根據(jù)摩爾 庫(kù)倫準(zhǔn)則，土體發(fā)生破壞，主要是剪應(yīng)力達(dá)到了剪切強(qiáng)度，從圖5 可以看出，加筋邊坡的最大剪應(yīng)力發(fā)生在坡腳處以下的地方，最大剪應(yīng)力為159kPa。坡體內(nèi)的剪應(yīng)力主要在 40100 之間，由上向下逐漸增加。加筋邊坡的坡腳處剪應(yīng)力最大。以此處為中心，向周?chē)饾u減小。并且在地基土中，靠近加筋體的剪應(yīng)力要大于遠(yuǎn)離加筋體部分的剪應(yīng)力。從相對(duì)剪應(yīng)力云圖上可以看出發(fā)生剪切破壞的土體主要集中加筋體后側(cè)部分，高度在 526 米以及坡腳以下部分。如果這兩個(gè)塑性區(qū)一旦貫通，就形成了滑列面。邊坡就發(fā)生了失穩(wěn)。加筋使得加筋體的相對(duì)剪應(yīng)力值在 0.60.7

9、 之間，說(shuō)明了加筋能夠有效提高土體的抗剪強(qiáng)度，避免了土體過(guò)早地發(fā)生剪切破壞。塑性點(diǎn)的分布圖也再次證明了塑性區(qū)主要集中在加筋體后側(cè)部分和坡腳部分，所以，在邊坡處置時(shí)，首先要加固坡腳部分，可以采用高強(qiáng)度得混凝土處理。其次，加筋體后側(cè)部分是直接影響作用于加筋體應(yīng)力分布的關(guān)鍵部分，應(yīng)該充分壓實(shí)，避免其在土壓力作用下的過(guò)大變形，能夠有效提高加筋邊坡的穩(wěn)定性和減小水平位移，特別是邊坡下部坡面的鼓出變形 。3 結(jié)論以西南地區(qū)某高填方加筋邊坡工程為背景，采用有限元軟件進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，計(jì)算結(jié)果表明填筑體的最大總位移發(fā)生在坡頂面上，距離坡頂約為 4/5 的坡高；最大水平位移發(fā)生在距坡底面 1/4 高度的坡面上，為明顯的鼓出破壞；最大豎直位移發(fā)生在破頂面上，距坡頂 3/5 的坡高處。對(duì)比加筋部分與未加筋部分的位移，可以發(fā)現(xiàn)，加筋部分的位移要小于未加筋部分的位移，并且，位移的變化更加均勻，說(shuō)明了加筋能夠起到應(yīng)力的擴(kuò)散和均化作用。通過(guò)對(duì)加筋邊坡的剪應(yīng)力云圖，相對(duì)剪應(yīng)力云圖和塑性點(diǎn)分布圖的分析，發(fā)現(xiàn)加筋邊坡的坡腳處剪應(yīng)力最大，以此處為中心，向周?chē)饾u減小。并且在地