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水利工程论文-土工织物加筋堤坝复合有限元分析方法.doc

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水利工程论文-土工织物加筋堤坝复合有限元分析方法.doc

水利工程论文土工织物加筋堤坝复合有限元分析方法摘要本文首先对作者在文献1所得到的一个加筋复合土体本构模型进行分析计算。并将其编制成有限元程序,分析了一个具有实测资料的加筋路堤工程实例,与实测值进行比较,检验了程序以及这个加筋复合体本构模型的可靠性。然后对某简化堤坝工程进行了沉降和稳定计算。计算结果表明,这个加筋复合体模型以及有限元程序能够合理地反映加筋效果。关键词加筋堤坝有限元土工织物本构关系文献1建立了一个加筋复合土体的本构关系,它将加筋复合土体视为一种近视的横观各向同性体,引入摩擦等效附加应力的概念来模拟土与加筋体之间复杂的界面作用,充分考虑复合土体的各向异性以及土工合成材料的特点,通过一些假定得到了在不同的受力和变形条件下一些弹性参数的计算公式。本文将对此模型指出应用中应注意的问题,然后分别采用室内试验和一个工程实例来进行验证,最后利用本模型对某个加筋堤坝工程分析加筋对沉降和稳定的影响。1模型使用中的几个问题首先需要对文献1中本构模型的几个问题进行说明。1从分析过程中可以看出,各弹性参数公式分别是在一定的变形和应力路径条件下的结果,按理说这些公式也只能用于特定的条件,在不同的受力和变形条件应按上述方法或其它方式进行重新推导。但是在实际工程中受力条件和变形条件较多,不易也没有必要对每一种工况都进行仔细地分析,而且有些情况下的弹性参数按上述方式并不能直接推导出简单的公式,如平面应变条件下的竖向模量和泊松比。所以这里要作一个近似,即假设这些参数作为固有的弹性参数,虽然复合体为各向异性的,但我们也不妨认为由以上各种特殊应力路径得到的弹性参数与土体参数之间的关系适用于其它应力路径的情况,如平面应变条件下的竖向模量和泊松比公式可以近似地取用εx0,σ2σ3为常数的情况或称为三轴被动压缩来确定。而对于水平向模量由虎克定律可以知道从上述三轴被动压缩试验的应力路径下得不到具有Ex意义的曲线,但若采用σ1常数,Δσ2Δσ3≠0的应力路径,式295表明这种应力路径可以用来分析Ex。因此可以利用三轴试样进行了轴向应力不变,径向应力减小的应力路径试验即三轴主动压缩试验,对水平向模量进行试验分析。对于一般的三轴剪切试验,通常是先进行等向固结再剪切,为了更好地模拟加筋结构的实际受力和变形情况,避免在试样等向固结过程中将土工织物压皱而引起误差,试验除了等向固结试验外,还进行了三轴不等向固结试验。不等向固结情况下初始固结尽量取K0状态,可使得土工织物事先既不压皱,也不被拉伸。限于篇幅本文对试验过程和试验结果不作介绍,详细内容可见文献2,这里仅选取两个试验结果如图1。这两个图分别是用来分析加筋复合体竖向和水平向模量的,其中加筋砂的理论曲线是根据上述公式计算而得,从中可以看到试验曲线和理论曲线较为吻合,特别是初始阶段,完全能满足工程需要。从其它试验结果来看,文献1所得到的一些公式也有较好的精度。图1加筋砂土和非加筋砂土试验和计算的应力应变关系3工程实例验证模根据文献1的本构模型改动原Biot固结有限元程序,用于土工织物加筋结构的计算分析之中。为了检验程序的可靠性和此本构模型在实际工程中的应用情况,首先用来分析具有实测资料的一个加筋路堤。3.1工程概括某试验段工程采用土工织物加筋和塑料排水板联合处理软土地基。其地基各土层情况见表1所示。路堤设计断面如图2所示。土工织物铺设时施加了约1的预应变。土工织物铺设于砂垫层之间。塑料排水板的打设长度为12m,间距1.5m,采用正方形布置。路基沉降观测及路基基底土压力观测布置于K18500断面,该断面的施工加载过程如图3所示。3.2计算条件和方法土体采用邓肯张非线弹性双曲线模型,计算参数如表1。将加筋土工织物和周围的砂垫层作为复合土体进行单元划分。其本构关系采用文献1中所介绍的公式,本算例为平面应变情况,除了水平模量采用文献1中式28外,由于其它参数该文未能得到平面条件下的计算公式,根据前面说明其它参数采用εx0时,认为复合体的参数与其中的土体相同。土工织物的应力应变关系利用双曲线模型3,其初始切线模量为Ebi为640kN/m,抗拉强度K257.4kN/m。工程中塑料排水板在平面上是正方形布置而不适合平面应变问题,但有一种近似处理方法即把这种砂井塑料排水板转化为砂墙地基来分析,只需修正土体的渗透系数即可,修正和处理方法按文献4的方法进行。取砂墙间距为4.0m,则可得修正系数水平方向为0.881,竖向为0.90。图2路堤设计断面示意图3施工加载过程表1地基各土层有限元计算参数土层号土名c´/kPaφ´/°KnRfGFDKr/m/d1素填土0.034.3232.70.380.770.200.003.71.221042121淤泥质亚粘土0.035.672.30.840.740.180.001.91.951042222淤泥质亚粘土夹亚砂土15.723.942.51.000.830.180.003.44.6010423淤泥质亚砂土夹亚粘土0.031.0112.10.330.750.220.000.91.871043亚砂土0.036.9451.20.350.770.290.306.21.211044粉砂0.040.0500.00.300.700.250.000.01.841043.3计算结果采用已编制的复合有限元程序可得到此断面中心点的沉降时程线如图4所示。从图中可以看到,计算结果与实测值相当吻合。现场埋设了4个土压力盒,施工一个月后其测试值见图5所示。而土压力盒附近点由计算得到的土压力值也绘于图5中。由于本工程打设了塑料排水板,在计算时作了等效,而且认为塑料排水板处的超静孔压力为0,这些处理影响了计算的精度。但从图中看到,计算和实测还是较为接近。从这个实例的计算结果与实测结果的一致性可以证明上文的模型有一定的可靠性,可以利用此程序来分析土工织物的加筋效果。图4沉降与时间关系曲线图5土压力分布4加筋效果分析为了分析土工织物的加筋效果,以及进一步检验上文模型对加筋效果的反映程度,本文采用上述方法对某加筋堤坝工程进行分析计算。某堤坝工程几何尺寸、计算网格及路堤的施工工程如图6所示,堤底设置50cm厚度的砂垫层,内夹设一层加筋有纺土工织物。为了便于说明问题和计算简便,计算时对地基条件作了简化,认为地基软土为同一种土体,地基计算深度为15.0m,其下为基岩,取原地基中最主要的土体为淤泥质粉质粘土。土体模型仍采用邓肯张双曲线弹性非线性模型,模型计算参数如表2所示。其中土工织物其初始切线模量为Ebi为640kN/m,抗拉强度K257.4kN/m。预应变取1计算。利用上述编制的有限元程序将加筋堤和非加筋堤分别进行沉降和稳定计算。图6路堤尺寸、计算范围、网格划分以及加载过程表2地基土有限元计算参数土名c´/kPaφ´KnRfGFDKr/m/d

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