（岩土工程专业论文）路堑式土工格室柔性挡墙变形性状研究.pdf

摘要 土工格室柔性挡墙以既满足结构安全、施工简便和造价低廉的基本要求，又符合生 态保护、墙面绿化和美化景观的和谐需求之特色，成为适合在工程建设中广泛推广的新 型支挡结构。目前工程实践的缺乏与理论研究的有限使柔性挡墙的设计施工尚未形成系 统的体系，在施工实践中暴露出来的问题尤其是变形问题亟待研究解决。本文采用有限 元数值模拟与结构计算法对柔性挡墙的变形性状作以分析，其结论可为设计施工提供参 考。 柔性挡墙的变形机理主要基于施工过程的影响、挡墙自重作用及墙背土压力作用等 方面的考虑，首先根据问题实际来建立模型并进行有限元计算，考虑模型的建立方法、 参数的选取以及模型的适用性讨论。利用所建模型进行数值模拟研究挡墙的变形性状， 包括水平位移与沉降。然后分析各影响挡墙变形的计算参数对分析结果的影响特征，以 得到各参数与挡墙变形关系的一般性结论。参数包括基础刚度、挡墙几何参数( 高度、 厚度和坡比) 和墙体物理力学参数( 弹性模量、泊松比、墙体重度、粘聚力和内摩擦角) 等。 采用数值模拟与结构计算的方法研究具体的工程问题，对京昆高速陕西段某路堑式 土工格室柔性挡墙竣工后墙身挠曲变形较大之现象进行分析。数值分析结果与解析解接 近，并得到实际观测情况验证。结果表明挡墙出现较大变形缘于施工期间墙后土坡的塌 方形成的破裂体。 最后根据实际施工经验总结了柔性挡墙的施工工艺流程并提出柔性挡墙的稳定性 与变形控制措施，用于指导设计与施工。 关键词：土工格室柔性挡墙，数值模拟，结构计算，变形性状，施工工艺 a b s t r a c t a san e wt y p eo fr e t a i n i n g s t r u c t u r e s ，g e o c e l lf l e x i b l er e t a i n i n gw a l lc a nb ew i d e l y p r o m o t e d i nt h ec o n s t r u c t i o n s ，b e c a u s ei t i ss a f e ，s i m p l e ，i n e x p e n s i v e ，e n v i r o n m e n t a l l y f r i e n d l ya n db e a u t i f u l a tp r e s e n t ，t h el a c ko ft h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c ea n dt h e o r e t i c a lr e s e a r c h r e s u l ti nt h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no ff l e x i b l er e t a i n i n gw a l ls y s t e mh a dn o tb e c o m ea s y s t e m p r a c t i c ei nt h ec o n s t r u c t i o no ft h ep r o b l e m se x p o s e db y , i np a r t i c u l a rt h eu r g e n tn e e d t os t u d ya n ds o l v ed e f o r m a t i o n i nt h i sp a p e r , u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o da n d a n a l y s i so f t h ed e f o r m a t i o no ft h ef l e x i b l er e t a i n i n gw a l lf e a t u r ea n a l y s i s ，t h ec o n c l u s i o n sc a np r o v i d e r e f e r e n c ef o rt h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o n d e f o r m a t i o nm e c h a n i s mm a i n l yc o n s i d e r st h ei m p a c to ft h ec o n s t r u c t i o np r o c e s s ，t h e r o l eo fw a l la n ds o i lp r e s s u r e f i r s to fa l l ，a c c o r d i n gt ot h ea c t u a li s s u eo ft h ee s t a b l i s h m e n to f m o d e la n df i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，m o d e lc o n s i d e r i n gt h ee s t a b l i s h m e n to fm e t h o d o l o g i e s ， p a r a m e t e r so ft h em o d e ls e l e c t e d ，a sw e l la st h ea p p l i c a b i l i t yo ft h em o d e l u s et h em o d e lt o s i m u l a t et h e r e t a i n i n g w a l lo nt h ed e f o r m a t i o np r o p e r t i e s ，i n c l u d i n gt h eh o r i z o n t a l d i s p l a c e m e n ta n ds e t t l e m e n t t h e nt h ep a p e ra n a l y z e dt h ei m p a c to nt h ec a l c u l a t i o no f r e t a i n i n gw a l ld e f o r m a t i o np a r a m e t e r so nt h ea n a l y i n gr e s u l t si no r d e rt oo b t a i nt h er e t a i n i n g w a l ld e f o r m a t i o np a r a m e t e r sa n dt h eg e n e r a lc o n c l u s i o n s s t i f f n e s sp a r a m e t e r si n c l u d i n g i n f r a s t r u c t u r e ，r e t a i n i n gw a l lg e o m e t r i cp a r a m e t e r s ( h e i g h t ，t h i c k n e s sa n ds l o p er a t i o ) a n d p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e r so ft h ew a l l ( e l a s t i cm o d u l u s ，p o i s s o n sr a t i o ，t h ew e i g h t o ft h ew a l l ，c o h e s i o na n da n g l eo fi n t e r n a lf r i c t i o n ) t or e s e a c hs p e c i f i c e n g i n e e r i n gp r o b l e m sb ya d o p t i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o n a n d c a l c u l a t i o nm e t h o d ，c o n d u c ta n a l y s i sa r g e ra n a l y s i so nf l e x i b l er e t a i n i n gw a l li ns h a a n x i s e c t i o no fj i n g k u nh i g h w a ya f t e rt h ec o m p l e t i o no ft h ew a l ld e f l e c t i o n n u m e r i c a la n a l y s i s r e s u l t sw i t ht h ea n a l y t i cs o l u t i o nc l o s e ra n dv e r i f i e db ya c t u a lo b s e r v a t i o n t h er e s u l t ss h o w e d al a r g e rr e t a i n i n gw a l ld u r i n gc o n s t r u c t i o no ft h ew a l ld e f o r m a t i o nd u et ot h es l o p ea f t e rt h e r u p t u r eo fac a v e f i n a l l yi ts u m m e du pt h ec o n s t r u c t i o np r o c e s sa n dd e f o r m a t i o nc o n t r o lm e a s u r e so f f l e x i b l er e t a i n i n gw a l lb ya c t u a lc o n s t r u c t i o ne x p e r i e n c et og u i d et h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o n k e yw o r d s ：g e o c e l lf l e x i b l er e t a i n i n gw a l l ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；s t r u c t u r a lc a l c u l a t i o n ； d e f o r m a tp e r f o r m a n c e ；c o n s t r u c t i o np r o c e s s 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：乌韵多 论文知识产权权属声明 夕卵莎年，月妒日 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名 暂声 归9 年r 月印日 芳厂一啡 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 概述 支挡结构是岩土工程中的一个重要组成部分，随着我国国民经济水平的提高与基本 建设的不断发展，以及支挡结构水平的提高和注重生态保护、减少环境破坏、节约用地 观念的加强，支挡结构在岩土工程中的使用越来越广泛【1 1 。路基支挡工程是一种能够抵 抗侧向土压力、防止边坡或路基主体崩塌而设置在路旁的结构物f 2 1 。支挡结构物可用于 稳定路基和路堑边坡，减少土石方工程量和占地面积，防止水流冲刷路基，并可用于整 治坍方、滑坡等路基病害，故在公路建设中得到了广泛应用3 】【4 1 。因传统支挡结构物圬 工数量大，劳动强度高，在石料匮乏地区工程造价高，同时由于其自身重量大，对地基 承载力要求较高，特别是圬工墙面无法进行绿化【4 】，不仅影响公路沿线景观，而且不符 合环境保护的要求。既要满足结构安全、施工简便和造价低廉的基本要求，又要符合生 态保护、墙面绿化和美化景观的和谐需求，土工格室柔性挡墙应运而生了。 路基支挡工程类型较多，可按支挡结构的材料、结构形式、设置位置、设置地区等 方法划分，包括各种类型的挡土墙与其他具有承重作用的支撑结构物( 护肩、护脚、 砌石路基、抗滑桩等) 【2 1 ，诸支挡结构类型中挡土墙是应用广泛的一种。挡土墙类型的 划分方法较多，按其设置的位置可以分为路堑挡土墙、路肩挡土墙、路堤挡土墙、山坡 挡土墙等【2 】；按其建筑材料可以分为浆砌片石挡土墙、混凝土挡土墙、土工合成材料挡 土墙以及复合型挡土墙等【l 】；按其结构形式可以分为重力式及衡重式挡土墙、悬臂式及 扶臂式挡土墙、锚杆式挡土墙、桩板式挡土墙和框架式挡土墙等【2 】；另外还有按施工方 法及所处环境条件进行划分的【3 1 。本文研究的即是处于路堑的、土工格室砌筑的、重力 式挡土墙。 由于我国一些地区石料来源丰富，就地取材方便，再加上施工方法简单，因此，在 过去很长一段时间内，石砌的重力式挡土墙是我国岩土工程中广泛采用的主要支挡结 构。重力式挡墙依靠墙身自重保持稳定。但由于重力式挡墙断面尺寸大，墙身较重，对 地基承载力要求较高，且圬工数量多，施工进度慢，在地形困难、石料缺乏地区应用不 便，其使用上的缺点是明显的。2 0 世纪五六十年代以后，工程技术人员研究、引进和推 广了卸荷板式挡土墙、锚杆挡土墙、加筋土挡土墙和锚定板挡土墙等一系列新型、轻型 挡土墙，并带动了对支挡结构设计理论的试验研究，加筋土挡土墙、锚定板挡土墙、土 钉墙等复合型挡土墙都根据各种结构的特点进行了室内模型试验和现场测试，对其墙背 第一章绪论 松弛区( 或破裂面) 和土压力提出了新的计算公式。另外，支挡结构与被支挡岩土体相 互共同作用的机理开始得到比较深入的研究，如边坡开挖松弛区的弹性理论分析及数值 分析、坡体与加固支挡结构相互作用机理等的研究，对进一步合理确定作用于支挡结构 上的荷载以及合理进行新型支挡结构的内力分析具有非常积极的意义1 1 2 删。 随着社会经济发展与人类文明进步，生态保护日益受到人们的关注，岩土工程生态 环境保护问题也随之越来越受到岩土工程界的广泛重视。其中，支挡结构的设计、施工 如何与边坡植被防护有机结合，成为传统与新型支挡结构都不可避免要面临的新课题。 日本、韩国在处理高边坡坡面绿化时，将支挡结构与植被技术结合的较好。整个坡面尽 量突出绿色植被；欧美国家的公路沿线大多是低矮边坡，一般采用经济实用的方法绿化 坡面；国内自2 0 世纪9 0 年代以来也发展了液压喷播技术、土工网植草护坡等技术】。 边坡支挡与防护结构的绿化适逢其时，方兴未艾。 12 研究现状综述 土工格室柔性挡墙是由具有三维网状结构的土工格室和充填料组成的结构层，按一 定坡度层层叠加形成的一种新型支挡构造物，可以满足结构稳定、墙面绿化等要求。路 堑式的柔性挡墙，其作用性状耦舍了墙体、墙后土体、基础等影响因素的相互作用，受 力与变形性状复杂，目前对其工程性状的研究有限，设计与施工工艺尚有待完善【4 l 。 12 1 土工格室研究与应用 土工格室( 6 e o e e l l ) 是2 0 世纪8 0 年代初在国际上出现的种新型土工合成材料， 具有立体网状结构，见图11 。它伸缩自如，运输方便，使用时张开并充填土石或混凝 土料，构成具有强大侧向限制和大刚度的结构体t s 1 6 删凡 图1 1 土工格室结构图 土工格室及其加固技术经过近几十年的发展，现已广泛应用于土木工程的各个领 长安大学硕士学位论文 域，取得了良好的社会经济效益。它既可用于加固软土地基，又可用于边坡防护、挡土 墙，还可用于河道治理、堤坝工程、城市排水道支撑工程等【9 】【1 0 】【1 1 1 。 2 0 世纪9 0 年代末，土工格室的应用逐渐进入到公路建设领域中。国内对土工格室 的研究目前主要有【4 】： ( 1 ) 土工格室工程特性试验研究。原西安公路交通大学采用2 m 3 m 模型箱对7 组不 同规格的土工格室进行了静载试验，结果表明常用土工格室的规格能满足不同垫层条件 的要求；西南交通大学采用2 m 2 m 模型箱对两组不同规格的土工格室砂垫层进行了动 载试验，表明土工格室结构层在动载作用下的变形远小于一般的砂垫层，加固效果明显； 上海铁道大学结合淮南线路基病害整治实体工程，进行了基床土动应力和土工格室动应 变测试分析，研究了列车震动情况下经铺设土工格室后基床的动应力、土工格室的动应 变变化规律，表明土工格室可有效扩散应力，垫层下基床土的动应力分布较其他方法更 趋均匀，且土工格室自身的强度完全可以承受轨下最大拉力的工作环境；长安大学公路 学院进行了黄土路堤土工格室护坡的冲刷模型试验，表明土工格室对黄土路堤边坡的冲 刷防护效果明显；湖南交通科学研究院采用t l j 2 型土工离心机进行了9 组土工格室加 筋路堤离心模型试验，并结合实体工程完成了2 组土工格室加筋路堤大模型试验，初步 给出了土工格室加筋路堤设计的相关参数；铁道部科学研究院采用土工格室处理基床下 沉病害，采用各种整治方法可解决基床排水、隔水问题及基床强度不足的问题。 ( 2 ) 软弱地基加固。将土工格室铺设于软土地基之上，其格室间填入颗粒排水材料 ( 如碎石或砂砾) ，可以形成稳定的垫层结构，有效的限制填料的横向移动，分散上部 荷载产生的应力，加速软土排水固结，减少路基不均匀沉降。因为软土上铺设土工格室 垫层后，当荷载施加到填充填料的土工格室结构层上时，由于格室的侧限作用和格室与 填料间的相互摩擦，使大部分垂直力被转化成向四周分散的侧向力，因为每个格室彼此 独立，相邻格室的这些侧向力大小相等方向相反而互相抵消，从而降低了地基的实际负 荷。另外，格室的侧限作用对基层滑动面的形成和发展有一定的控制作用，使地基的破 坏向深层发展，因而地基承载力得以提高。1 9 9 5 年1 1 月，广州铁路集团公司在焦柳铁 路k 8 5 6 + 5 4 5 k 8 5 6 + 7 4 5 段基床下沉外挤病害整治中采用土工格室加固法进行病害整 治，不到5 个月轨面基本稳定，养护工作量减少；1 9 9 6 年8 月，上海铁路局在淮南铁路 k 1 9 4 + 4 8 0 - - k 1 9 6 + 6 9 0 的基床下沉外挤病害整治中采用土工格室进行加固处理，显著改 善了基床的动应力分布，整治效果良好，且节约投资；1 9 9 6 年1 2 月，郑州铁路局在阳 安铁路怼4 1 + 4 5 0 k 2 4 1 + 5 5 0 进行了软弱基床加固现场试验，根据方案比选，采用了土 第一章绪论 工格室加固技术进行加固处理。结果表明，土工格室可有效约束软弱基床的侧向位移和 扩散应力；1 9 9 7 年南疆铁路西延工程中，为加固盐渍土软弱地基，使用土工格室作为加 固材料，观测结果表明，路堤整体处于稳定状态，工后沉降满足规范要求；2 0 0 0 年长安 大学与甘肃省交通厅合作，对峻柳高速公路土家湾隧道软黄土地基和尹中高速公路饱和 黄土地基，采用土工格室进行了地基加固处理，结合实体工程，开展了一系列现场测试 工作。结果表明，处理地段工后沉降不大于1 5 c m ，且土压力分布趋于均匀，完全满足 规范要求，取得了良好的处治效果；在分析室内和现场试验成果并总结己有工程实践经 验的基础上，湖南大学赵明华，长安大学谢永利、杨晓华给出了土工格室加固软基稳定 性分析方法，初步推导了地基承载力计算公式；西南交通大学刘俊彦、罗强，长安大学 杨晓华、李新伟对土工格室加固地基的工程性状进行了有限元分析。 ( 3 ) 路基边坡防护。土工格室用于路堤边坡防护，首先，水流受到格室片材的限制， 避免坡面径流的形成，减小冲刷作用；其次，可直接在格室中填土、植草，有利于水土 保持、绿化环境；第三，施工工艺简单，施工进度快，劳动强度低，对行车干扰小，施 工质量易于保证；另外，这种方法同砌石防护相比较，可节省造价约5 0 。青岛铁路分 局与西安铁路科研所合作，经过技术方案比选决定采用土工格室对兰烟线土质边坡进行 加固防护( 病害类型表现为坡面冲蚀、表层溜坍和边坡坍滑) ，加固后边坡经过多个雨 季的考验，目前坡面植物生长茂盛，边坡未产生坡面冲蚀和表层土体溜坍等病害现象， 防护效果良好；杭州钱塘江二号大桥桥台边坡原采用种植灌木护坡，由于植物根系不足 以抵御该地区降雨冲蚀，坡面布满了水流冲沟，严重影响了路基稳定，1 9 9 8 年，上海铁 路局采用土工格室护坡方法，结合植草对该边坡进行了防护，经过三个雨季的试验，证 明防护效果良好；吉林省交通科学研究所在长春环城高速潘家店段采用土工格室结合植 草方法对边坡进行防护，也达到了预期目的；1 9 9 5 年1 0 月广州铁路集团公司在京广铁 路k 1 5 7 3 + 8 2 0 k 1 5 7 3 + 8 6 0 隧道北口路堑边坡采用土工格室填充c 2 5 混凝土方法进行防 护，在降雨量达2 4 9 m m 天情况下，边坡仍处于稳定状态，取得了良好效果；2 0 0 1 年在 黑龙江省肇源县松花江干流堤防王云成堤段，采用了土工格室碎石护坡和土工格室水泥 混凝土板修建了砂堤护坡新技术试验工程，几年来，试验段工程除了有个别焊点裂开外， 其他部分均完好无损；在土工格室护坡稳定性分析和设计计算方面，武汉大学土木建筑 工程学院张季如给出了岩石边坡的稳定性分析计算模型，长安大学公路学院杨晓华给出 了土质边坡设计与计算方法。 ( 4 ) 沙漠地区筑路。因探矿、采油等工作的需要，常常在沙漠地区筑路，沙漠中往 4 长安大学硕士学位论文 往地基松软，且荒无人烟，常用筑路材料匾乏，因此筑路困难，成本很高。使用土工格 室可解决这一难题。施工方法是先将土工格室拉开，直接固定在砂基上，然后就地取材 填入砂石，操作简单效率极高。施工后的路面可满足各种重型卡车长期使用。由于土工 格室强大的侧限能力，对加固风积砂有独特的优势。西安公路交通大学对土工格室加固 风积砂进行了足尺模型试验和现场试验，研究结果表明：土工格室对风积砂具有良好的 加固作用，对沙漠地区恶劣的客观条件也有较强的适应性，土工格室砂具有较强的宏观 抗压回弹模量，在常用的土工格室规格范围内，其模量值在2 1 0 m p a 左右，比相应的风 积砂填料高一倍以上。 ( 5 ) 处理桥头跳车与填挖交界处不均匀沉降。将士工格室铺设在路桥过渡段，一端 固定在桥台，另一端铺设在路基上。由于土工格室结构层起到了一个柔性搭板的作用， 将沉降差异进行缓和过渡，是处理桥头跳车比较有效的方法。土工格室处理填挖交界处 路基的不均匀沉降问题，其原理与处理桥头跳车异曲同工。2 0 0 1 年，甘肃省交通厅与长 安大学公路学院共同完成了“桥头跳车”治理的科研项目，在甘肃古浪一永昌高速公路 全线桥头采用土工格室柔性搭板治理“桥头跳车”。使用土工格室可省去大量灰土和砂 砾及平面土工格栅，工程造价与常规方法处理桥头跳车的造价相当，但效果和使用寿命 却成倍提高。基于模量过渡原理，长安大学公路学院分别对山西省太古公路( 1 9 9 9 年) 、 广州市北二环高速公路( 2 0 0 0 年) 和甘肃省峻柳高速公路( 2 0 0 1 年) 填挖交界处采用 土工格室进行了处治，有效防止了路基不均匀沉降的发生，取得了较好的效果。 1 2 2 土工格室柔性挡墙研究现状 土工格室柔性挡墙典型结构型式包括墙体、基础和拉筋体等部分组成，路堤与路肩 式柔性挡墙结构基本相同，均包含这几部分，如图1 2 所示，挡墙是由具有三维网状结 构的土工格室和充填料组成的结构层按一定坡度层层叠加形成的支挡构造物。层与层之 间采用锚钉连接，加筋体系由1 2 层土工格室充填填料( 如级配碎石或天然砂砾等) 按一定间距布置于路堤中，并采用专用连接件与墙体连为一体。路堑式柔性挡墙没有拉 筋体部分。面板格室型式按需要特制，与拉筋格室连接安置于墙体外缘，具有易装配、 抗老化性能好、焊缝抗剥离强度高等特点【1 3 】。同时，墙面板可以采用不同的颜色( 如墨 绿色、土黄色等) 与周边环境相协调。墙体部分有叠砌式与面板式，前者由土工格室砌 筑而成，后者则还包括面板格室，工程实景如图1 3 所示，左侧为叠砌式柔性挡墙，右 侧为面板式柔性挡墙。 第章绪讫 圉1 0 土工辖室柔性挡培结构图 幽l j 土工格窒柔性挡墙，r 观 土工格室柔性挡墙作为一种新型支挡结构，以其良好的适应性、经济性和稳定性， 并具有圬工量少、工程进度快、结构受力合理、边坡坡度易调、外形美观、生态环保等 优点而在岩土工程界得到了广泛关注1 1 2 1 1 1 5 肼 。 1 9 9 8 年郑州铁路局西安科研所在宝中铁路某段，采用焊距8 0 c m ，高度2 0 c m 的土 工格室，修建了长6 0 m ，高25 m ，宽15 m 的路堤土工格室挡墙。柳州铁路局科研所在 南昆铁路某段，采用焊距6 8 c m ，高度2 0 c m 的土工格室，修建了长l o o m 高2 m ，宽 2 m 的路堑土工格室挡墙。进行了土工格室用于支挡工程的初步尝试【”。 2 0 0 2 年厦门公路局与长安大学公路学院在国道3 1 9 改线工程海沧路段中采用了土 长安大学硕十学位论文 工格室柔性挡墙，同时用m a r c 软件对土工格室柔性挡墙进行了数值分析，并对挡墙 的设计进行了优化。工程实践和数值分析表明：土工格室柔性挡墙既安全经济，又利于 环境保护，且能绿化环境。 2 0 0 3 年晋中市交通局与长安大学公路学院共同承担了祁临高速公路灵石连接线 i q + 3 5 0 i q + 4 0 2 土工格室柔性挡墙的施工图设计工作，并通过实践总结了施工工艺及 现场采集墙体和墙背若干位置土压力数据，从挡土墙施工完成至今，挡墙墙体稳定，侧 向位移较小，效果良好【1 4 1 。 长安大学公路学院在土工格室柔性挡墙的研究目前较为系统全面，在柔性挡墙的理 论分析、数值模拟、离心试验与工程实践等方面做了大量丌创性和奠基性工作。 吕东旭通过室内大型直剪试验的测试分析，结合国道3 1 9 改线工程厦门海沧路段上 的现场测试与有限元数值仿真分析，对土工格室加筋体的强度指标、土工格室加筋挡土 墙的墙背土压力分布、墙面及墙背位移、基底应力及其沉降特征进行了研究，初步提出 了土工格室加筋挡土墙的设计方法，并对某实际工程设计中的土工格室柔性挡墙进行了 优化设计17 1 。 王陆平运用m a r c 软件对土工格室柔性挡墙的工程性状进行了弹塑性数值仿真分 析。针对土工格室柔性挡墙类似柔性加筋挡墙的特点建立计算模型，分析了土工格室柔 性挡墙变形性状与受力性状的一般特征，讨论了挡墙墙宽、加筋间距、地基刚度等因素 对其变形性状和受力性状的影响，得出了土工格室柔性挡墙及墙后填土中塑性区的开展 状况，并对祁临高速公路灵石连接线k 2 + 3 5 0 - - k 2 + 4 0 2 土工格室柔性挡墙进行了工程实 例分析【1 引。 姚红志通过离心模型试验对土工格室柔性挡墙的变形性状、破坏过程进行了分析， 总结了不同墙宽、不同加筋间距墙背水平位移的一般特征和破坏特征，分析了土工格室 柔性挡墙的破坏机理。另外，应用m a r c 有限元软件对该柔性挡墙离心模型试验的变 形性状进行了数值仿真分析，讨论了该柔性挡墙及墙后塑性区域的开展特性，并与离心 模型试验结果进行对比分析【1 9 】。 1 3 课题的提出 京昆高速陕西段k 17 0 + 2 9 0 - k 17 0 + 3 6 0 路堑原设计浆砌片石护坡变更为土工格室 柔性挡墙，长安大学西汉高速公路膨胀土路基稳定及处治技术研究课题组进行设计并于 2 0 0 7 年4 - - 7 月施工。工程完成至今，墙面绿化良好，墙后坡体稳定，但墙身挠曲变形 较大。 7 第一章绪论 前节所述研究均针对路堤式与路肩式土工格室柔性挡墙，对路堑式土工格室柔性挡 墙的研究尚未见文献资料报道，工程实践更是缺乏，既无成熟经验可鉴，更无规范可循， 极大制约了这一新型挡墙独特优越性的发挥，限制其推广应用前景。故本文将针对其变 形性状进行数值模拟，分析变形性状，揭示变形机理，为进一步设计提供借鉴，为形成 较完整、系统的土工格室柔性挡墙设计理论和方法奠定基础。 1 4 本文研究思路与内容 首先采用数值模拟的方法来分析，根据问题实际来建立模型并进行有限元计算。包 括模型的建立方法、参数的选取以及模型的适用性讨论等；根据建立模型来进行数值模 拟研究挡墙的变形性状，并分析各计算参数及影响挡墙变形的参数对分析结果的影响， 以得到挡墙变形敏感参数的一般性结论；继而由前面得到的认识来分析一工程实例，研 究具体的工程问题。 其次采用结构计算的方法分析工程实例，将计算结果与数值分析结果对比，并参照 实际观测情况相互验证。 最后根据前面分析得到的变形性状与机理等结论并参照部分学者成果总结了柔性 挡墙的稳定性与变形控制措施，用于指导施工；并由工程施工实际操作经验总结了柔性 挡墙的施工工艺流程。 分析时认为挡墙墙体变形包括竖向变形和水平位移。其中竖向变形主要由沉降引 起。水平位移考虑两方面的影响，一是柔性挡墙在竖向变形时因泊松效应引起的水平位 移，属于挡墙内因起作用；二是墙后土体随时间( 自路堑开挖后至挡墙修筑完成以及以 后) 应力重分布( 卸荷突变及蠕变过程) ，墙背土压力会由静止土压力( 或略小于静止 土压力) 向主动土压力( 或大于主动土压力) 发展，挡墙随之位移，属于墙后土体外因 起作用。因蠕变分析困难且效果不理想，故在模型中给定最危险滑动面( 用陈祖煜s t a b 程序搜索出) ，讨论加载和不加载时墙背应力和墙面、墙背位移。土体达到主动极限平 衡状态的判定方法为，根据m a r c 软件分析得到的最大、最小主应力，代入土力学土 体极限平衡公式判定是否达到极限平衡。 柔性挡墙变形的影响因素有：墙体物理力学参数( 弹性模量、泊松比、重度、粘聚 力、内摩擦角) 、几何参数( 墙高、墙面和墙背坡比、墙厚) 以及墙后土体荷载( 荷载 大小、分布方式) 等。 因墙背与土体相接触，接触面两侧变形性状截然不同，因此对这一界面的处理将直 接影响分析结果，本文将挡墙与墙后土体设为两个变形体接触，接触面用粘一滑模型。 8 长安大学硕士学位论文 第二章数值模拟理论与技术 2 1 有限元法理论 对土工格室柔性挡墙变形性状的分析可归结为寻求具有相应求解条件的控制方程 ( 微分方程) 的解答。能用解析方法求得精确解的毕竟是少数问题，对于大多数问题， 由于其控制方程及求解条件的复杂性和求解区域的不规则等问题，几乎不可能得到解析 解，因此只能求助于另一种求解途径和方法数值解法以得到近似解1 2 0 1 。数值解法即 数值模拟技术是随着现代数学、力学和计算机技术的发展而派生出来的，是一种以计算 机为工作平台，运用数学、力学理论编制软件，计算工程技术问题的数值解或模拟时间 历程，再现或预测研究对象在外界条件变化过程中内部状态变化的一门工程技术。其模 拟的真实程度也是对数值计算方法理论可靠性的一种检验手段，数值模拟方法的选择因 而非常重要。目前在工程技术领域常用的数值模拟方法有：有限单元法、有限差分法、 边界元法、离散单元法、非连续变形分析法以及各种耦合计算方法等【2 l 】。有限单元法( 或 称有限元法) 以其通用性和有效性受到工程技术界的高度重视，成为当今工程分析中获 得最广泛应用的数值计算方法f 2 2 1 。 2 1 1 有限元法的基本原理 自1 9 4 3 年c o u r a n t 提出有限元法的基本思想后，不少应用数学家、物理学家和工程 师分别从不同方面对有限元法的离散理论、方法及应用进行了研列2 2 】。1 9 6 0 年c l o u g h 在求解平面弹性问题时第一次提出了“有限单元法”的名称，7 年之后0 c z i e n k i e w i c z 和y k c h e u n g 写出了第一本有限元法专著。从此，随着计算机的迅速发展，有限单元 法很快就成为求解科学研究中各类问题应用最为广泛的工具【2 0 1 。有限元法不仅适应复杂 的几何形状和边界条件，而且很容易通过对不同的单元规定不同的性质，成功地用于多 种介质和非均匀连续介质的问题，这是其它数值方法最难于处理的问题【2 1 1 。 有限元法从力学观点来看，是建立在能量原理基础上的；从数学观点出发，它又是 以变分原理为基础，是一种根据变分原理来求解数学物理问题的数值计算方法。因此， 有的学者把有限元法看成是变分法的发展和改进。可以这样认为，有限元法是根据不同 的能量原理( 如最小势能原理或与之等价的虚功原理) ，把求解的问题转化为一个变分 问题，再经过离散化来得到基本方程的数值计算方法【2 1 】。 有限元法分析问题的基本思想是将一个表示连续体的求解域离散为若干个单元，并 通过他们边界上的节点相互联结成为组合体。用每个单元内所假设的近似函数来分片地 9 第二章数值模拟理论与技术 表示全求解域内待求的未知场变量。而每个单元内的近似函数由其未知场函数( 或其导 数) 在单元各个节点上的数值和与其相对应的插值函数来表示( 通常为矩阵形式) 。由 于在联结相邻单元的节点上场函数具有相同的数值，因而将它们用作数值求解的基本未 知量。这样一来，求解原来待求场函数的无穷多自由度问题便转化为求解场函数节点值 的有限自由度问题。然后通过和原问题数学模型( 基本方程、边界条件) 等效的变分原 理或加权余量法，建立求解基本未知量( 即场函数节点值) 的代数或常微分方程组。此 方程组称为有限元求解方程，并表示成规范化的矩阵形式。接着用数值方法求解此方程， 即得n i 口- j 题的解答【2 l 】。 2 1 2 有限元法的分类 有限元法可分为两大类，即线弹性有限元法和非线性有限元法。其中线弹性有限元 法是非线性有限元法的基础，二者不但在分析方法和研究步骤上有类似之处，而且后者 常常要引用前者的某些结剁2 3 1 。 线弹性有限元法以理想弹塑性体为研究对象，所考虑的变形建立在小变形假设的基 础上。在这类问题中，材料的应力与应变呈线性关系，满足广义胡克定律，应变与位移 也是线性关系，这一问题可归结为求解线性方程组问题1 2 3 。 非线性有限元问题的方程是非线性的，一般需要迭代求解，不能用叠加原理，且不 总有一致解，甚至没有解。因此其求解过程比线弹性问题更加复杂、费用更高和更具有 不可预知性。非线性问题可分为如下三类【2 3 】： ( 1 ) 材料非线性问题。材料的应力与应变是非线性关系，但应变与位移却很微小， 此时应变与位移呈线性关系。这类问题理论上缺乏普适的本构关系，一般材料的应力应 变关系需基于试验数据或数学模拟。 ( 2 ) 几何非线性问题。是由于位移之间存在非线性关系引起的。当位移较大时，应 变与位移的关系是非线性关系，这意味着结构本身会产生大位移或大转动，而单元中的 应变却可大可小。研究这类问题时一般都假定材料的应力与应变呈线性关系，包括大位 移大应变问题及大位移小应变问题。 ( 3 ) 非线性边界( 接触问题) 。当一个结构与另一个结构或外部边界相接触时通常要 考虑非线性边界条件，接触是边界条件高度非线性的复杂问题。数学上施加无穿透接触 约束的方法有拉格朗日乘子法、罚函数法和直接约束法【2 3 1 f 2 4 1 。 1 0 长安大学硕士学位论文 2 1 3 有限元法分析过程【2 0 】【2 3 】 有限元法分析过程大体分为前处理、分析、后处理三大步骤。 对实际的连续体经过离散化后就建立了有限元分析模型，这一过程是有限元的前处 理过程。在这一阶段，要构造计算对象的几何模型，要划分有限元网格，要生成有限元 分析的输入数据。这一步是有限元分析的关键。 将求解域离散成有限个适当的单元是重要步骤，等参元是有限元分析中最常用的一 种单元。等参元采用等参变换来描述单元的几何特性和力学特性，即采用相同数目的节 点参数和相同的插值函数来进行单元几何形状和场函数的变换。借助于等参元不仅可以 对于一般的任意几何形状的工程问题方便地进行有限元离散，而且可以采用标准化的数 值积分方法计算有限元方程所含矩阵中的元素，从而使编制各类工程实际问题的有限元 分析通用程序成为可能。 有限元分析过程主要包括：单元分析、整体分析、荷载移置、引入约束和求解约束 方程等过程。这一过程是有限元分析的核心部分，有限元理论主要体现在这一过程中。 有限元法包括三类，即有限元位移法( 取单元节点位移作为基本未知量) 、有限元应力 法( 取单元节点应力作为基本未知量) 和有限元混合法( 取一部分节点位移和另一部分 节点应力作为基本未知量) 。有限元位移法计算过程的系统性、规律性强，特别适宜于 编程求解，一般除板壳问题应用到有限元混合法外，其余全部采用有限元位移法。 有限元分析的后处理主要包括对计算结果的加工处理、编辑组织和图形表示三个方 面。可以把有限元分析得到的数据转换为直观信息，如应力分布、结构变形等。 2 。2 有限元模拟技术 岩土材料的应力应变关系和荷载位移曲线一般都是非线性的，另外也常常涉及到边 界条件非线性的问题，因此对非线性问题的处理将成为岩土工程有限元模拟的关键技 术。本节将讨论本构关系、接触处理等非线性处理技术，并介绍了这些技术在m a r c 软件的实现。 2 2 1 本构关系的选择 材料非线性问题有限元分析的基本问题有两个方面，即材料本构关系的建立和非线 性方程组的解法。材料本构关系通常分为全量型本构关系和增量型本构关系两类，前者 适用于应力和应变之间存在不依赖于变形历史和路径的一一对应关系的情况，而存在非 弹性变形( 如塑性变形和蠕变变形) 时，应力状态不能由变形的当前状态确定，而必须 第二章数值模拟理论与技术 由变形的路径和历史确定，所以本文选择有限元分析中通常采用的增量型本构关系【2 l 】。 增量型弹塑性本构关系的建立依据塑性力学的基本法则，即屈服准则、流动法则和 硬化定律【2 l 】。 m o h r - c o u l o m b 准则是岩土体、混凝土类材料最常用的屈服准则，认为材料的破坏 是由内部某一点的剪应力达到材料的抗剪强度开始的，在仃。，f 。的应力平面上是一条 直线形式。 f 。= c + 0 - 。t a n 9 将仃。，f 。用仃1 ，口2 ，1 7 3 来表示，即可将上式写成 i 1 ( , - 0 - 3 ) = c c 。s 9 + j 1 ( 仃，+ 仃，) s i n 妒 或q 黾胁2 ( 4 5 。+ 詈 忆t a n ( 4 5 。+ 詈) ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 式中：f 。为抗剪强度( m p a ) ；o n 为法向应力( m p a ) ；c 为粘聚力( m p a ) ；9 为内 摩擦角( 。) 。 它表明材料的抗剪强度与作用于该平面上的正应力有关，引起材料破坏的不是最大 剪应力，而是在某个平面上f 一0 - 的最危险组合【2 5 1 。上式用应力不变量可表示为 s 却一, i 。( 1 ；s i n o s i n a p + c o s 0 ) 唧= 。 ( 2 削 式中：1 1 为应力张量第一不变量，= 仃。+ 仃：+ 仃，； 以为应力偏量第二不变量，以= 吉 ( 仃。一仃：) 2 + ( 0 2 - - 0 3 ) 2 + ( 0 3 - - 0 - 1 ) 2 ； 9 枷a e 角“栅一萼去姚詈) ；鼽以为应力偏量第三不变 量，以= 寺( 2 0 - ，一仃：一0 3 ) ( 2 仃：一仃，一仃。) ( 2 仃，一仃。一仃：) m o h r c o u l o m b 准则在7 r 平面上的截面形状为一不规则的六边形【2 5 】，见图2 1 。 d r u c h e r 和p r a g e r 在m i s e s 屈服准则的基础上增加了静水压力因子，提出了 d r u c h e r - p r a g e r 屈服准则，其屈服函数为 f - - a , + 万一k = 0 ( 2 5 ) 式中：、3 2 分别为应力张量的第一不变量和应力偏量的第二不变量；a 、七是与 1 2 长安大学硕士学位论文 岩土材料粘聚力c 和内摩擦角9 有关的常数，不同的a 、后在l 平面上代表不同的圆， 如图2 1 。通过变换口、k 的表达式就可以在有限元中实现不同的屈服准则1 2 6 】。 彪一 所时、 一三 z 图2 1 各屈服准则在7 r 平面上的曲线 m a r c 软件中采用的线性m o h r c o u l o m b 屈服准则实际是线性d r u c h e r - p r a g e r 屈服 准则f 2 4 】，后一准则则是前一准则的修正形式，从几何意义上说，是使前者屈服面的不规 则六边形光滑化以利于数值计算，学者们提出了多种修正方式，包括如图2 1 所示外角 点外接圆、内角点外接圆、内切圆和等面积圆等2 7 】【3 5 】。根据徐干成、郑颖人、陈祖煜等 人的研究，m o l a r c o u l o m b 等面积圆屈服准则代替传统的m o h r - c o u l o m b 屈服准则，不仅 可以消除m o h r c o u l o m b 屈服准则的屈服面为不规则六边形截面存在的尖顶和棱角给数 值计算带来的困难，而且计算平均误差小、离散度小口8 1 【2 9 】。本文即采用此种屈服准则。 m o h r - c o u l o m b 等面积圆屈服准则中的参数a 、k 的表达式为 2 , 3s i n f z = - = = = = = = = = = = = = = = = = 三= = = = = = = 2 届( 9 耐9 ) ( 2 6 ) ，6 4 3 c c o s 9 尼= ；= = = = = = = = = = = = = 兰= = = 、2 x - s z r ( 9 一s i n 2 妒1 流动法则给出各塑性应变增量之间的比例关系，因缺乏试验等原因，m a r c 中只在 特殊情况下使用；硬化定律是通过定义应变与塑性应变的关系来定义【2 4 1 。 2 2 2 接触处理技术 柔性挡墙与墙后土体之间可产生错动滑移，需要考虑为接触问题 3 0 】，接触条件的内 第二章数值模拟理论与技术 容包括：接触物体不可互相侵入；接触力的法向分量只能是压力；切向接触的摩擦条件。