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土工格柵加筋粉煤灰擋牆穩定性分析

發布時間:2018-12-19 11:38   閱讀:次   字號:  

粉煤灰是我國主要工業固體廢物之一,同時也是理想的加筋土填土介質。在濱海城市,利用海水排放的粉煤灰占濕排粉煤灰很大的比例,但是其綜合利用率卻很低。土工格柵加筋粉煤灰擋土牆結構,由於具有良好的經濟效益,相對於以往的笨重的混凝土重力擋牆具有相當的優勢,特別是用於填方式路基。近年來國內很多研究部門對此做了工作,也有不少工程實例,但總的來說,對加筋擋牆的理論研究還不成熟,尤其是加筋粉煤灰擋土牆,這種理論研究滯後於工程實踐的現象在相當大的程度上限製了這種結構形式的推廣應用。因此,筆者進行了土工格柵加筋粉煤灰的數值模擬試驗,依托軟件FLAC3D,利用強度折減係數法,分析土工格柵加筋粉煤灰擋土牆的穩定性,為它的的廣泛應用提供工程依據。

FLAC是快速拉格朗日差分分析(Fast Lagrangian Analysis of Continua)的簡寫。FLAC3D程序是FLAC二維計算程序在三維空間的擴展,用於模擬三維土體、岩體或其他材料力學特性,尤其是達到屈服極限時的塑性流變特性。FLAC基本原理與離散元相似,它像有限元法那樣適用於包含多種材料模型及複雜邊界條件連續介質問題的求解。拉格朗日法用差分法求解,因此,要將求解區域劃分成四邊形網格,網格上某個編號為i、j的節點與物理網格上相應的節點坐標x、y對應。


強度折減法中邊坡穩定的安全係數定義為:使邊坡剛好達到臨界狀態時,對岩、土體的抗剪強度進行這間的程度,即定義安全係數為岩土體的實際抗剪強度與臨界破壞時的折減後剪切強度的比值。強度折減法的要點是利用公式(2-1)和(2-2)來調整岩土體的強度指標和(式中,為折減後的粘結力,為折減後的摩擦角,為折減係數),然後對邊坡穩定性進行數值分析,不斷地增加折減係數,反複計算,直至其達到臨界破壞,此時得到的折減係數即為安全係數。

土工格柵加筋擋土牆的數值模擬計算中主要由填土單元、土工格柵單元和麵板單元組成。就一般的擋土牆來說,其長度方向遠遠大於寬度和高度方向的尺寸,其外在的荷載和內部的結構都不隨長度方向上變化,符合平麵應變條件[3,4,5]。該擋土牆模型寬12米,高度隨計算來作相應改變。填土水平,填土材料為粉煤灰。假設擋土牆不受浸水影響。擬建在地基較為強硬的粘性土地基上,基礎深6米。擋土牆麵板采用混凝土麵板,厚0.2米,為了防止麵板下基礎產生不均勻沉降,在麵板下加設混凝土基礎。加筋擋土牆的加筋間距為0.5米。
  
土工格柵加筋粉煤灰擋土牆選用6米、8米和9米牆高進行數值模擬計算,其中加筋的長度按1H(H為牆高)計算,為考慮和土體單元網格相適應,取7.94米。

土工格柵加筋粉煤灰擋土牆牆體側向位移見圖2,三種不同高度擋土牆牆體側向位移均呈現出中間大,兩頭小的特征。一般考慮加筋擋土牆的分層填築施工,擋土牆的牆體位移會出現中間位移大,牆體的底部和上部位移小的特征,這種變形特征對於以砂土為填料的加筋擋士牆較為常見,由於濕排粉煤灰的粘聚力較小,這一性質與砂性土相似,故變形特征也相似。其中6米高擋土牆牆體最大位移為1.039cm,8米高擋土牆牆體最大位移為1.743cm,9米高擋土牆牆體最大位移為2.155cm。對比其他研究成果,該位移較小,符合要求,說明土工格柵加筋粉煤灰擋土牆有其可行之處。

土工格柵加筋粉煤灰擋土牆表麵沉降見圖3,不同高度加筋擋牆表麵沉降最大位移處均位於加筋範圍之外,即在X方向大於8.14(x=8.14)處。加筋範圍內表麵沉降呈現均勻性,這也與土工格柵加筋砂土的表麵沉降特征類似。

不同高度土工格柵加筋粉煤灰擋土牆塑性破壞區及安全係數也就不同,6米高擋土牆的塑性破壞區主要發生在牆體底部,未形成貫通區。8米和9米高擋牆的塑性破壞區均發生在牆體底部與加筋範圍之外的粉煤灰填土區,並形成貫通區,使擋土牆處於失穩狀態。由強度折減法計算得出,在土工格柵加筋粉煤灰擋土牆高度為9米時,牆體已處於塑性破壞的極限狀態,即土工格柵加筋粉煤灰擋土牆在筋長為7.94米、不考慮側向位移和表麵沉降的情況下的臨界高度為9米。
  
FLAC3D能有效的模擬在土工格柵加筋擋土牆,能直觀地得到加筋擋土牆的牆體位移、表麵沉降、以及土工格柵的應力狀況,而且得到了理想的模擬結果,為研究土工格柵加筋粉煤灰擋土牆的穩定性、應力應變分布和預測及控製提供了可靠的方法。

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