土工格栅加筋挡墙的数值模拟与分析.pdf

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1、土工格栅加筋挡墙的数值模拟与分析刘军1,束一鸣1,赵浩2(1.河海大学水利水电工程学院,江苏 南京2 1 0 0 9 8;2.江西省南昌市第五建筑安装工程公司,江西 南昌3 3 0 0 0 3)摘要:通过将加筋挡墙结构离散成土体单元、格栅单元和接触单元,采用三维快速拉格朗日分析(F L A C3 D)有限差分程序对土工格栅加筋挡墙进行了数值计算,得出了挡墙变形分布规律和筋材的受力性状.结果表明此方法合理,具有一定的实用性.关键词:土工格栅;加筋;挡墙;F L A C3 D程序中图分类号:T V 3 3 9文献标识码:B文章编号:1 0 0 4-4 7 0 1（2 0 0 6）0 1-0 0 2

2、 8-0 40前言加筋挡墙结构是由填土、拉筋和面板三者结合而成的一种新型复合支挡结构。这种结构的特点是将某些形式的拉筋埋在填土中,依靠它们与填土的相互作用来平衡土压力,因此它对地基的适应性和承受变形的能力较强。随着土工合成材料工业的发展,2 0世纪7 0年代以后出现了多种非金属筋材。土工格栅作为一种新兴的土工合成材料,具有高强度、低延伸率、与土咬合力强、耐久性好、不易蠕变等优点,是一种理想的加筋材料,被广泛地应用于铁路、公路和港口的挡墙设计上。随着土工格栅加筋挡墙的大量修建,对其的认识及设计理论有了显著提高。但是,按照传统的基于极限平衡理论的分析方法,无法考虑土体应力应变的非线性关系,也无法考

3、虑筋材的应力应变特性,无法考虑土体与筋材的相互作用关系,难以考虑复杂的边界条件和荷载条件,从而难以真实的反映出挡墙的实际情况,而数值模拟可以克服上述不足,使计算结果更加精确合理。三维快速拉格朗日分析(F L A C3 D)是近年来逐步成熟完善起来的一种基于三维显式有限差分法的新型数值分析方法。它的基本原理类似于离散元法,但它克服了离散元法的缺陷,吸取了有限元法适用于各种材料的三维力学行为。同时,在计算中采用“混合离散化”技术和拉格朗日分析,可以准确地模拟材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形。因此,本文运用美国I T A S C A咨询集团公司的F L A C3 D有限差分程序对土工格栅加筋硬面

4、挡墙进行数值模拟分析。1数值分析的计算模型1.1 土体单元的本构模型土体属于粘弹塑性变形的混合体,应力应变关系是非线性的。本文采用目前应用较多的弹塑性非线性本构关系,并运用M o h rc o u l o m b屈服准则。对于M o h rc o u l o m b屈服准则,其表达式:f=-(c+nt a n)=0(1)式中:剪应力;n 法向应力(压应力为正);c 粘结力;内摩擦角。借助于应力不变量表示为:f=13I1s i n +J2!(c o s -13!s i n s i n)-c c o s =0(2)式中:=13s i n-1(-3 3!J32(J2)3/2);收稿日期:2 0 0

5、5-1 0-1 4作者简介:刘 军(1 9 7 6-),男,硕士研究生.第3 2卷第1期江西水利科技V o l.3 2N o.12 0 0 6年3月J I A N G X IH Y D R A U L I C S C I E N C E&T E C H N O L O G YM a r.2 0 0 6I1 应力张量的第一不变量;J2、J3 分别为应力偏量的第二和第三不变量。由式(2)可知,当1=2=3时,平均静水压力m=c c o t,可见,M o h rc o u l o m b屈服准则指出静水压力m将影响屈服。1.2 格栅单元的本构模型土工格栅的受力特点是只能受拉,不能受压,且抗弯刚度小,

6、与薄膜材料的特点类似,故采用薄膜单元来模拟筋材的应力应变特性。由于土工格栅的抗拉强度和模量比较大,拉伸曲线在应变较小的情况下(一般小于5%)呈直线,考虑到土工格栅在填土中所受的拉力远小于其抗拉强度,则可以将格栅单元的本构关系近似地看作线弹性。1.3 接触单元的本构模型目前,针对界面的接触问题已发展了许多接触单元,有两节点单元、无厚度G o o d m a n单元、D e s a i薄层单元、有厚度单元等等。本文采用F L A C3 D程序中提供的土工格栅接触单元来模拟土体与格栅的界面特性。以此来反映土体与筋材的相互作用关系,这种单元的特点是在法线方向上与格栅表面刚性连接,在切线方向相当于格栅表

7、面的弹性滑块,以此来实现对筋土界面上粘结、滑移的模拟。筋土界面的剪切特性如图1所示。其中k为接触面单位面积的切向刚度。接触面强度准则采用库仑准则(如图2所示),即m a x=c+n+t a n。当界面剪应力小于剪切强度时,接触面之间为粘结状态;一旦超过剪切强度,接触面之间为摩擦滑移状态,即剪切破坏为刚塑性的。图1剪应力与相对位移关系2数值计算分析2.1 计算结构某地区修建一座土工格栅加筋式挡墙(如图3所示),挡土墙墙高H=6 m,无浸水情况,墙后填土为砂性土,填土密度为1.8 t/m3,内摩擦角为=3 0;挡墙面板为C 2 0砼板,板厚2 0 c m;土工格栅间距为0.6 m,共1 0层,容许

8、拉应力 T a=3 0 k N/m,设计长度4.2 m,与墙面牢固连接;地基为碎石土地基,地基承载力高,压缩性小。2.2 数值分析的计算参数计算参数详见附表。2.3 计算结果与分析2.3.1 墙面水平位移墙面水平位移如图4所示,最大水平位移值为1 1.5 m m,位于2/3墙高处附近,并不在墙顶位置,但两者相差不大,可以认为墙顶水平位移是最大水平位移。2.3.2 土工格栅的最大拉力各层土工格栅的最大拉力位置、最大拉力值和最大拉力值与相应的朗金主动土压力之比三者沿高度的变化分别如图5、图6、图7所示。由图可见:(1)筋材最大拉力线位置与文献 1 所述位置接近。(2)各层土工格栅所承受最大拉力值的

9、最大值出现在1/4墙高处附近,达到1 4.0 k N/m,远小于容许拉应力 T a=3 0 k N/m,说明土工格栅在填土中所受的拉力远小于其抗拉强度是符合实际情况的,格栅单元采用线弹性模型是合理的。(3)高于1/4墙高的各层土工格栅的最大拉力值随高度的增加而近似地线性减少。(4)在1/4墙高至3/4墙高的范围内,各层土工格栅的最大拉力值与相应的朗金主动土压力计算值十分接近;高于此范围高度的格栅最大拉力值较之偏大,但其数值较小;而低于此范围高度的格栅最大拉力值较之偏小,因此按朗金主动土压力计算各层土工格栅的第3 2卷第1期刘 军等土工格栅加筋挡墙的数值模拟与分析2 9k1m a xusc拉力n

10、压力图2界面强度准则m a x图6筋材最大拉力值分布图6.05.04.03.02.01.00.00.05.01 0.01 5.0各层筋材最大拉力(k N/m)高度(m)最大拉力值是安全且合理的。2.3.3 墙面与土工格栅的连结拉力如图8所示,墙面与各层土工格栅的连结拉力较各层土工格栅的最大拉力值要小得多,其值接近于三角分布,且与深度一致。2.3.4 基底竖向应力基底竖向应力分布如图9所示,m a x=3 3 3 k P a,m i n=9 0 k P a。基底最大竖向应力出现在墙趾处,且应力较为集中,而采用M e y e r h o f法计算的m a x=1 3 7 k P a则明显偏小。3结

11、论附表某地区土工格栅加筋式挡墙数值分析的计算参数表土 体 单 元 计 算 参 数格栅单元计算参数接触单元计算参数界面强度参数密度(t/m3)变形模量E(M P a)泊松比内摩擦角()粘结力(k P a)弹性模量E(G P a)泊松比厚度(m m)横向刚度(M P a/m)摩擦角()粘结力(k P a)1.83 00.3 53 002 60.3 352.32 796.05.04.03.02.01.00.00.00.10.20.30.40.50.6水平距离与墙高之比高度(m)图5筋材最大拉力线位置图图7筋材最大拉力值与朗金主动土压力的比值分布图6.05.04.03.02.01.00.0最大拉力值与

12、朗金主动土压力之比高度(m)0.0 1.0 2.0 3.0 4.02 0 04 2 0 06 0 0 06 0 03 0 0图3计算结构示意图土工格栅图4墙面水平位移分布图6.05.04.03.02.01.00.07.00.05.01 0.01 5.0水平位移(m m)高度(m)连结拉力值(k N/m)6.05.04.03.01.00.0高度(m)0.0 2.0 4.0 6.0 8.02.0图8墙面与筋材的连结拉力分布图图9基底竖向应力分布图计算点距墙趾的距离(m)基底坚向应力(k P a)0.01.02.03.04.05.01 0 002 0 03 0 04 0 03 0江西水利科技2 0

13、0 6年3月T H EN U ME R I C A LS I MU L A T I O NA N DA N A L Y S I SO FG E O G R I DR E I N F O R C E DS O I LR E T A I N I N GWA L LL I U J u n1,S H UY im i n g1,Z H A O H a o2(1.C o l l e g e o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n dH y d r o p o w e r E n g i n e e r i n g o f H o h a iU n i v e r s

14、i t y,J i a n g s uN a n j i n g2 1 0 0 9 8,C h i n a;2.N a n c h a n g C i t y F i f t hC o n s t r u c t i o nC o m p a n y o f J i a n g x i P r o v i n c e,N a n c h a n g3 3 0 0 0 3,C h i n a)A b s t r a c t:I nt h i sp a p e r,t h es t r u c t u r em o d e l o f t h eg e o g r i dr e i n f o r

15、 c e ds o i l r e t a i n i n gw a l l i sm a d eo f s o i le l e m e n t,g e o g r i de l e m e n t a n dc o n t a c t e l e m e n t.T h eg e o g r i dr e i n f o r c e ds o i l r e t a i n i n gw a l l i s c a l c u l a t e db yt h eF L A C3 D,a p r o g r a mo f t h r e e d i m e n s i o n a l f i

16、 n i t e d i f f e r e n c e a n a l y s i s.A t t h e s a m e t i m e,t h e l a wo f t h e d e f o r m a t i o nd i s t r i b u t i o no f t h e r e t a i n i n g w a l l a n dt h e s t r e s s s t a t e o f r e i n f o r c e m e n t s a r e o b t a i n e d.T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h ea

17、 n a l y t i c a l m e t h o di s r e a s o n a b l e f o r t h e r e i n f o r c e ds o i l r e t a i n i n g w a l l a n di s v a l u a b l e i na p p l i c a t i o n.K e yw o r d s:G e o g r i d;R e i n f o r c e d;R e t a i n i n g w a l l;F L A C3 Dp r o g r a m编辑:张绍付(1)通过数值模拟与分析,可以获得挡墙填土和加筋材的应

18、力应变状态及相应的应力场和位移场,从而了解挡土墙的实际工作情况。(2)对于土工格栅加筋挡墙,土体采用弹塑性本构模型、土工格栅采用线弹性本构模型总的看来是较为合理的。(3)基底竖向应力采用M e y e r h o f法计算时,需充分估计墙趾处基底压力,防止因墙趾处地基承载力不足而造成挡墙失稳破坏。(4)关于筋材与土体的相互作用方面的研究已取得了许多进展,但仍未获得十分满意的结果,如何在数值模拟时加以考虑,还需要进一步加以研究。参考文献：1 地基处理手册编写委员会.地基处理手册(第二版)M.北京:中国建筑工业出版社,2 0 0 0.2 土工合成材料工程应用手册编写委员会.土工合成材料工程应用手册

19、(第二版)M.北京:中国建筑工业出版社,2 0 0 0.3 钱家欢,殷宗泽.土工原理与计算(第二版)M.北京:中国水利水电出版社,1 9 9 6.4 I t a s c aC o n s u l t i n gG r o u pI n c.F L A C3 DF a s tL a g r a n g i a nA n a l y s i so fC o n t i n u ai n3D i m e n s i o n s U s e r s G u i d eR.v e r s i o n2.1.U S A:I t a s c aC o n s u l t i n g G r o u pI n

20、 c.,2 0 0 2.5 钱劲松,凌建明,黄琴龙.土工格栅加筋路堤的三维有限元分析 J.同济大学学报,2 0 0 3,3 1(1 2):1 4 2 1-1 4 2 5.6 沈慧萍.加筋土的界面特性与加筋软基计算(硕士学位论文)D .南京:河南大学,2 0 0 5.第3 2卷第1期刘 军等土工格栅加筋挡墙的数值模拟与分析3 1文 章 摘 要 的 写 作 要 求(1)用第三人称。作为一种可供阅读和检索的独立使用的文体,摘要只能用第三人称而不用其他人称来写。(2)简短精炼,明确具体。简短,指篇幅短,一般要求5 0 3 0 0字(依摘要类型而定);精炼,指摘录出原文的精华,无多余的话;明确具体,指表意明白,不含糊,无空泛、笼统的词语,应有较多而有用的定性和定量的信息。(3)格式要规范。尽可能用规范术语,不用非共知共用的符号和术语。不得简单地重复题名中已有的信息,并切忌罗列段落标题来代替摘要。(4)文字表达上应符合“语言通顺,结构严谨,标点符号准确”的要求。摘要中的语言应当符合现代汉浯的语法规则、修辞规则和逻辑规则,不能出现语病。!