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土工格柵加筋土擋牆變形分析研究

發布時間:2018-12-11 10:05   閱讀:次   字號:  

岩土材料在荷載作用下會產生相應的變形,根據卸載後材料變形能否恢複可分為彈性變形與塑性變形。當所受荷載較小時,岩土應力-應變符合彈性關係,即材料產生彈性變形;當所受荷載大於材料屈服強度,其應力-應變關係變現為非線性,即材料產生不可恢複的塑性變形,其應力應變關係由塑性理論中的增量法求解。岩土材料應力-應變關係可分為三種類型:理想彈塑性、應變硬化與應變軟化。
MIDAS/GTS程序中設置了特有的土工格柵單元,可方便的對其進行應力與變形分析。假設格柵單元所受應力均勻分布,且與軸線保持垂直的截麵,發生位移後保持垂直,並且原截麵各點仍保持在截麵上。MIDAS/GTS土工格柵為一維單元,且隻承受軸力作用。
填土材料與土工格柵間發生相對位移,總體來看二者變形是不連續的,為進行有限元計算需要設置接觸麵單元。MIDAS/GTS程序設置了接觸單元-Goodman單元可方便模擬不同材料或剛度相差較大的材料連續性。在一定荷載作用下不同材料產生相對錯動滑移、脫離接觸以及周期性張開與閉合。為了有效的模擬接觸麵性態,必須在接觸麵上設置接觸單元-Goodman單元。
  

Goodman單元的剪應力由接觸單元的剪切剛度Kn確定,判斷剪切應力是否達到了Mohr-Coulomb屈服準則的的抗剪強度。當超過抗剪強度時,殘留剪切模量將被用於計算單元剛度。當Goodman單元承受拉應力時,水平剛度與剪切剛度將被乘以1/10000,此時接觸單元可用於模擬節理。接觸單元延長度或寬度方向上的兩列的節點坐標相同。各節點的自由度與其所屬的單元的自由度相同。
選取河北省某高速公路加筋土擋牆作為工程背景,根據工程勘察與室內試驗結果,對計算參數進行選取。地基底部水平、豎向自由度固定,兩側水平方向固定。模擬現場施工過程采用單元生死控製逐級加載,考慮土體自重。


計算模型符合以下假定:
  (1)地基與路基填土采用Mohr-Coulomb彈塑性本構模型,參數參照室內試驗選取;
  (2)鑒於路基結構對稱性,以路基橫截麵中線為邊界,取模型一半進行受力與變形分析;
  (3)模型邊界條件地基底部固定約束,路基外側水平設置約束;
  (4)地基與路基的初始應力場由地基回填土和路基填料自重形成,並將初始位移場歸零;
  (5)加筋土擋牆高6.0 m,土工格柵長度取為5.0 m,加筋間距在牆高2.0m~4.0 m間為0.6 m,其餘均為0.4 m。


加筋土擋牆變性影響因素分析

土工格柵加筋有效控製了擋牆水平位移的發展,加筋土擋牆水平位移的影響因素包括:(1)加筋長度;(2)加筋間距;(3)路基填料等。下麵分別對每項影響因素進行分析比選,保證加筋效果的發揮。
現行加筋土擋牆設計規範並未規定加筋間距的確定方法,在實際施工過程中,從安全的角度出發采取較為保守的加筋方式,加筋間距偏小,從而造成一定的筋材的浪費。

加筋間距對擋牆水平位移的控製有重要影響。在某加筋長度值範圍內,加筋間距越小,筋、土界麵摩擦越大,加筋對擋牆水平位移的控製效果越明顯。分別選取加筋間距0.4m,0.8m,1.2m,對比分析路基水平位移的控製效果。
  

經分析可得出:
  (1)格柵長度8m相對於4m,6m,擋牆的水平位移得到了明顯控製,起到了預期的加筋效果。
  (2)加筋長度8m與12m相比位移變化不大,相對於筋長8m,12 m時加筋效果不明顯,故土工格柵加筋土擋牆的加筋長度控製在4~6m較為理想。
加筋土擋牆主要通過格柵與填土摩擦作用,改善路基的變形條件並提高路基土體的整體性,故填土的力學性質也是影響加筋效果的重要因素。粉煤灰作為一種輕質填料、實現了工業廢料的再利用,即經濟又環保。在高速公路擋牆施工中粉煤灰得到廣泛應用,由於其輕質透水理性質,粉煤灰可以作為加筋土路基工程中優先選用的填料。也應該看到壓實度是粉煤灰強度的重要指標,在施工過程中應加以關注。

選取河北某高速公路加筋土擋牆為工程背景,通過MIDAS/GTS岩土有限元分析軟件進行數值計算,對加筋土擋牆的應力與位移場進行研究,在此基礎上分析加筋效果的影響因素,可得如下結論:
  (1)擋牆水平位移分布表現為中間較大而兩端較小,宏觀上表現為鼓狀。土工隔柵使得水平位移最大值發生在牆體中部而非路基底部。土工隔柵的施作改善加筋土擋牆的位移場分布狀況,有效約束路基填土的水平位移的發展,提高加筋土擋牆的穩定性,這與現場實驗結果基本吻合。
  (2)土工隔柵加筋增強擋牆路基的整體性,產生明顯的薄膜和網兜效應,在擋牆路基中形成托舉力,有效改善了豎向土壓力的分布,有利於減少不均勻沉降和擋牆路基病害。
  (3)土工格柵拉筋所受最大拉力隨著填築高度的增大的先增大後減小,在擋牆高3m左右土工格柵的軸力達到最大值;這與擋牆鼓出變形的不利位置相一致,說明土工格柵起到了明顯的加筋效果。
  (4)隨著加筋長度的增大,擋牆的水平位移得到了明顯控製,起到了預期的加筋效果,土工格柵加筋土擋牆的加筋長度控製在4~6m較為理想。
  (5)加筋土擋牆主要是通過格柵與填土摩擦的作用,改善路基的變形條件並提高路基土體的整體性,與粘性土相比,粉煤灰作為路基填料時的擋牆的水平位移相對較小,加筋效果比較明顯。


Midas/GTS程序是由POSCO公司開發的針對岩土工程領域有限元軟件。程序界麵簡潔,擁有強大前、後處理功能與材料模型庫,可方便進行建模計算與網格劃分。GTS(Geotechnical and Tunnel analysis System)包含了施工階段的應力與變形分析和滲透分析等功能。

建築結構分析(Structural analysis)側重於分析荷載的不確定性,選取不同荷載工況進行計算,進而對計算結果進行組合,選取最不利組合進行設計。與建築結構分析不同,GTS(Geotechnical and Tunnel analysis System)更多關注施工階段和工程材料本身的不確定性,即更多關注岩土的物理狀態。岩土工程分析中應選用實體單元模擬岩體狀態,力求符合岩土非線性特點以及地基土應力狀態並真實再現施工階段的施作過程。MIDAS/GTS不僅具有岩土分析所需的基本分析功能,並提供了包含最新分析理論的強大的分析功能,成為岩土工程分析與設計的優秀計算程序。

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