（水工结构工程专业论文）高大加筋土挡墙安全性分析.pdf

摘要 摘要 本论文结合“重庆市长江滨江路综合整治及景观改造方案”研究课题，以现场 观测为基础，分别应用极限平衡法、有限元强度折减法、以及基于复合材料理论 的有限元法对长江滨江路防护工程进行安全性分析，并与现场观测进行比较，得 出以下初步结论： ( 1 ) 数值计算表明，两阶分级直立式加筋土挡墙的塑性区( 相当于极限状态 滑动面) 的分布特征总体上为：从下阶墙高的三分之一处( 日3 处) 开始，呈近 似圆弧状向上发展至上阶墙墙后或者中间台阶边缘处贯通，贯通位置与上下两阶 墙中的台阶宽度有关。与现场观测资料对比可知，塑性贯通区基本接近加筋土挡 墙的实际变形情况。 ( 2 ) 墙后填土土体的强度参数变化对墙体滑动面的形状有一定影响，随着墙 后填土粘聚力c 值的降低和p 值的增大，滑动面有由加筋土体内逐渐向墙后填土 区域内发展的趋势；这说明，墙后填土粘聚力c 值的降低使得墙后填土更容易发 生塑性破坏。 ( 3 ) 通过本文多种数值计算方法对比分析可知，用有限元强度折减法对高大 加筋土挡墙进行安全性分析既能较为全面的搜索到加筋土挡墙的滑动带位置和 形状，同时也可获得加筋土挡墙的整体稳定安全系数，这为分析高大加筋土挡墙 的整体稳定安全提供了新的途径和方法。 ( 4 ) 数值分析表明，基础固定的加筋土挡墙总体上呈现“鼓肚”变形特征。 比较各断面横向变形的计算和观测资料，可以发现在上下两阶加筋土挡墙中间设 置一定宽度的台阶有利于减小挡墙的水平位移；在分级直立加筋土挡墙的上阶挡 墙基础部分布设多层加筋材料( 加筋带或高强土工格栅) 可以有效阻断上下两阶 挡墙的塑性区贯通，有利于增加上墙的局部稳定性和护岸工程整体稳定性。 ( 5 ) 由数值分析计算可知，滨江路护岸工程目前基本处于欠安全状况，下阶 挡墙部分工程段交形较大，加快对长滨路加筋土护岸工程的全面加固治理是十分 必要的。结合工程实际情况，提出了两种护岸工程的加固处治方案，并利用本文 的计算方法分析了加固处置后加筋土护岸工程的安全性，可为制定工程加固处治 方案时提供参考和借鉴。 关键词：加筋土挡墙，安全性分析，极限平衡理论，有限元强度折减法，复合材 料理论 摘要 t h et h e s i sc 0 b i n e s r i t ht h er e s e a r c hs u b j e c t ，刊h c hi st h es c h e m e o ft h ec 伽p r e h e n s i v ei p r o v e m e n t 锄dr e f o 珈s1 a l l d s c a p eo ft h er o a dw h i c h b o r d e r so nt h ey a n g t s er i v e ri nc h o n g q i n g ， a 1 1 dt a k e st h eo b s e n r a t i o na s b a s i s ，m a k e st h es a f e t ya n a l y s i sf o rt h ep r o t e c t i o np r o j e c to ft h er o a d 稚i c hb o r d e r so nt h ey 锄g t s er i y e rb yt h el i m i t i n ge q u i l i b r i 皿e t h o d ( s i m p l i f i e db i s h o pm e t h o d ) ，s t r e n g t hr e d u c t i o nf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ， a i l dt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dw 】1 i c hb a s e so nt h ec 伽p l e xm a t e r i a lt h e o r y ， 醐dc o p 龇i n g 霄i t ht h eo b s e n r a t i o nd r a 霄st h ep r e l i m i n 日r yc o n c l u s i o n sa s f o l l o w i n g ： f i r s t ， t h e a n a l y t i c c a l c u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e s t h a t ， t h e d i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c s o ft h e p l a s t i c z o n eo ft h e t w 0 一s t a g e g r a d t i a t e dv e r t i c a lr e i n f o r c e d s o i ir e t a i n i n g 说1 1 ， m a i n l y p r e s e n tt h ea p p r o x i 嗨t ec i r c u l a ra r cd e v e l o p i n gf r 伽o n e t h i l 7 do ft h e b o t t 伽s t a g eo ft h ew a l lt ot h er e a r 旧1lo rm i d d l ep e d e s t a ls i to ft h e u p p e r ，a l l dt h ep i e r c i n gp o s i t i o nr e l a t i n gw i t ht h eb r e a d t ho ft h es t e p c p a r i n gw i t ht h eo b s e r v a t i o n ，w ec 锄f i n dt h a t ，t h ep l a s t i cz o n ei sc l o s e t ot h er e a ld e f o 珊i n gs i t u a t i o no ft h er e i n f o r c e ds o i lr e t a i n i n gw a l l s e c o n d ， t h ec h a n g eo ft h ei n t e n s i v ep 勘? a 皿e t e ro ft h ef i l ls e c t i o n a f f e c t st ot h es h a p eo ft h eg l i d ep l a n eo ft h ew a l l ：a st h ec o h e s i v e s t r e n g t hr e d u c i n ga i l dt h e 锄g l eo fi n t e n l a lf r i c t i o ne n l a r g i n g ，t h eg l i d e p l a n eg r a d t i a l l yd e v e l o p sf r 伽c o p l e x u so ft h er e i n f o r c e ds o i lt ot h ez o n e o ff i l ls e c t i o n 。i ti n d i c a t e st h a t ，t h ep l a s t i cc o l l a p s eo ft h ef i l l s e c t i o ni se a s i l yo c c u r r e db e c a u s eo ft h er e d u c t i o no ft h ec o h e s i v e s t r e n g t h t h i r d ，a c c o r d i n gt ot h ec p a r a t i v ea n a l y s i sd fv a r i o u sm e t h o d ， t h e s a f e t ya j l a l y s i so ft h eh i g hr e i n f o r c e ds o i lr e t a i n i n g 吼1 lb ys t r e n g t h r e d u c t i o nf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，讪i c hb o t hb ea b l et oc o m p r e h e n s i v e l y s e a r c ht h ep o s i t i o na n dt h ef o r mo fs l i pb a n do ft h er e i n f o r c e ds o i l r e t a i n i n g 髓l l ， a n db ea b l et oc o 工l r e c t l yg e tt h ea s s u r a n c e e f f i c i e n t o ft h er e s i s t a n c et oo v e r t u r n i n g i tp r o v i d e su san e wm e t h o do fa c t i o n 摘要 a n dt h o u g h tf a rt h ea s s u r a n c ec o e f f i c i e n to ft h er e s i s t a n c et oo v e r t u r n i n g o ft h er e i n f o r e e ds o i lr e t a i n i n g 髭1 1 。 f b r t h ， t h en 岫e r i c a la n a l y s i si n d i c a t e st h a t ，t h eb a s ef i x e d r e i n f o r c e ds o i lr e t a i n i n g 张l la saw h o l ea p p e a r s t h eb u l g i n gb e l l y d e f o 瑚a t i o l l c 0 m p a r i n gw i t ht h ec a l c u l a t i o n 锄do b s e r v a t i o nd a t ao ft h e l a t e r a ld e f o m t i o no fc r o s s s e c t i o n s ，w ec a nf i n dt h a t ，i n s t a l l i n g d e f i n i t eb r o a dp e d e s t a ls i ta v a i l sr e d u c i n gt h ef l a td i s p l a c 钮e n to ft h e r a l l ：i n s t a l l i n gm u l t i 一1 a y e rr e i n f o r c e dm a t e r i a lc 锄e f f e c t i v e l yb l o c k t h ep l a s t i cz o n eo fr e i n f o r c e ds o i lr e t a i n i n g 曹a 1 1 f i f t l l ，t h ea n a l y t i cc a l c u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e st h a t ，a tt h ep r e s e n t ， t h eb 锄k p r o t e c t i o ni sb a s i c a l l yl y i n gi nt h eu n s a f es t a t e ： t h e d e f o m t i o no ft h eb o t t o mr e i n f o r c e ds o i lr e t a i n i n g 胃a 1 1i sr a t h e r1 a r g e i ti sn e c e s s a r yt h a ta c c e l e r a t i n gf u l lr e i n f o r c e m e n to fp r o t e c t i o no ft h e r o a dw h i c hb o r d e r so nt h ey a n g t s er i v e ri nc h o n g q i n g c o b i n i n gw i t ht h e p r a c t i c a ls i t u a t i o no fp r o j e c t ， t h e 霄r i t e rt 8 k e st w op r o g r a m so ft h e b a n k p r o t e c t i o n ，锄da n a l y s e st h es a f e t yo ft h er e i n f o r c e da n dp r o c e e d e d r s r wb vt h ec a l c u l a t e dm e t h o d so ft h i st h e s i s a n di tt a k e sr e f e r e n c ea n d l e s s o nf o rm a k i n gr e i n f o r c e dp r o g r 锄 k e y 彻s ：r e i n f o r c e ds o i lr e t a i n i n g 舰l l ，s a f e t y 锄a l y s i s ， l i m i t i n g e q u il i b r i 伽t h e o r y ， s t r e n g t hf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ， c o m p l e x a t e r i a l t h e o r y 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本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。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 列缓 醐咖0 7 年；月矽日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：办j 碌 指导教师签名： 日期；渺 年月哕日日期。岬多月 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出及研究意义 1 l1 引言 加筋土结构是一种在素土( 松教多空介质) 中加入高模量抗拉筋材的复合结 构。类似于钢筋混凝土，加筋土体中的拉应力通过土与筋材的界面剪切作用传递 到相邻的拉筋上，而筋材间土体仅承受压应力及剪切应力，从而使加筋土成为具 有筋土相互约束的复合结构。“3 加筋土挡墙由三个主要部分组成：加筋材料、填土和面板。加筋材料根据材 料可分为金属和非金属两种类型，根据几何形状可分为条带、网格、土工织物和 纤维等，根据制造方法可分为有纺土工织物、无纺土工织物、土工格栅、土工网、 土工膜和土工衬垫，根据刚度可分为柔性和非柔性两类。加筋土陡坡常用的断面 形式有直立式( 包括分阶直立式) 、斜坡式( 包括分阶斜坡式) 及混合式。加筋土 挡墙结构常见的形式有条带式和包裹式两种。条带式结构一般是将高强度、高模 量的加筋条带在填土中按一定间距排列，其一端与结构临空侧的面板连接，另一 端则埋设在填土中。包裹式结构采用扁丝机织土工织物在土内填满，在铺设的每 一层织物上填土压实，将外端部织物卷回一定长度后，再在其上填土压实。 1 1 2 加筋土挡墙结构的发展 6 0 年代以来，岩土工程中的重要进展之一就是上工加筋技术与锚杆技术的广 泛应用，尤其是近2 0 年来土工合成材料的大量涌现更将这个新发展推向了：“岩 土工程领域革命的高潮”。当前，土工合成材料的应用越来越广泛，在挡墙、软基 处理、高路堤、水工防渗、护岸工程、海岸工程、环境保护等各个领域发挥着越 来越大的作用，而且土工合成材料的应用领域还在不断扩展之中。 土中加筋的概念由来已久，早在古罗马时代及中国汉代就已出现以草木为筋 材的加筋技术。而将加筋概念上升为理论，则始于本世纪6 0 年代法国工程师 l lv i d a l ，他首先开创了加筋土技术，分析了加筋的机理，并提出了一套分析计算 方法，从而为加筋技术开创了更广阔的应用前景。 上世纪7 0 年代是加筋土技术在世界范围传播和发展的阶段。相应的试验、研 究工作也同时进行。当时研究最为活跃的是法国桥梁道路中心、美国加州大学、 日本国铁和建设省等。在筋带拉力、墙后土压力分布以及潜在破裂面形态等方面， 法国的f s c h l o s s e r ，mc l o n g ，i j 1 1 r 龃，美国加州大学l 【l l e e 以及 d p m c k i t t r i c k 等学者作出了较大贡献。y a r i g ( 1 9 7 2 ) 与s c h l o s s e r l o n g ( 1 9 7 3 ) 指出在低压力阶段，加筋土出现滑移破坏，并且没有明显的粘聚力，仅提高了内 摩擦角。为了交流研究成果和试验经验，1 9 7 8 年和1 9 7 9 年先后在匹兹堡、悉尼和 第一章绪论 巴黎等地召开了加筋土技术的国际性研讨会。“加筋土工程协会”和国际间的合作 研究机构相继成立，法、美、日、德、英等国也先后制定了有关加筋土工程的规 程、条例和手册一 8 0 年代，除了进一步探讨加筋土结构的基本特性、完善设计计算理论外，许 多国家还在拓宽填料、筋材的应用范围等方面作了大量的工作。1 9 8 7 年，美国联 邦公路管理局提供研究基金，以加州大学j 瓦姒t c h e l l 为首，与英、法学者合作 完成了“加筋土坡和路堤”研究报告。美、英学者l c d h 0 l t z 和兄丸j e 孵l l 等人 开展的用土工合成材料稳定路堤、处理软弱地基等方面的研究也取得了重要成果。 8 0 年代中期，美，法合作利用离心机进行模型试验，以了解不同筋材、面板刚度、 地基土的压缩性以及不同的超载和填料对加筋土结构内部稳定性的影响，并利用 有限元法对加筋土结构的设计和试验成果进行数值分析嘲。 9 0 年代以后，国际工程界和学术界在加筋机理研究、完善加筋土结构设计计 算理论、拓宽应用范围、数值模拟分析、延长使用寿命、加筋材料蠕变影响分析 等方面作了大量的工作，取得了许多重要成果。 现场观测的数据对研究加筋机理、指导工程设计更具有实际价值。催伯华、 r k e r r yr o w e r 啪等实测了土工合成材料加固路基处理效果；何光春结合重庆市长 滨路和巴南区长江护岸工程的建设，分别对6 米和1 5 米高的加筋土挡土墙进行了 现场试验，实测了墙后土压力、筋带拉力、地基应力、墙后位移等数据。陈群、 杨广庆等对加筋挡墙进行了原型观测，得到了一些相似的数据和结论。 在加筋技术交流方面，四年一次的国际加筋土技术研讨会在日本连续举行了 四届。我国先后举行了五次( 武汉( 1 9 8 2 年) 、昆明( 1 9 8 6 年) 、重庆( 1 9 9 0 年) 、 济南( 1 9 9 4 年) 、泰安( 1 9 9 8 年) 、宜昌( 2 0 年) 、常州( 2 0 0 2 年) 西安( 2 0 0 4 年) ) 加筋土技术经验交流会。 1 1 3 问题的提出与研究意义 由上节可以看出，加筋土挡土结构是伴随着铁路运输，公路运输，市政建设， 港口等基础设施的建设而应运而生的。这些基础设施的建设高潮在欧美等西方国 家出现在二战之后，并且仍在继续。对于我国而言，这一基础设施的建设高潮才 刚刚出现。尤其是我国的西部大开发战略继续实施的大好时机，而西部多为山区 地形，公路，铁路等基础设施建设中将面临大量的高填方问题。因此，技术先进， 经济效益显著的加筋土挡土结构将在我国，乃至世界的基础设施建设中大有可为。 在加筋土挡土结构大量用于基础设施建设的同时，一方面，这种新型结构为 投资者节省了大笔投资，另一方面，各种工程事故乃至灾难性的毁坏不时发生， 令开发商遭受巨额损失。这种情况虽然没有从根本上改变人们对这种新型挡土结 构的看法，但起码使投资者对其采取慎之又慎的态度。在国内某城市由于一段时 2 第一章绪论 问内加筋土挡土结构工程事故频出，竟然使政府主管部门几乎采取禁止这种新型 结构的措施。 分析事故产生的原因，除了施工质量不合格外，设计不合理，考虑因素不周 全占主导地位。这中间，设计者的经验是否丰富是一方面，而设计规范本身的合 理性，完善性也是一个重要方面。设计规范是成熟的设计理论的总结与体现。从 目前加筋土，以及加筋土挡土结构的设计理论的研究来看，各种理论依据不同， 侧重点不同，互相问较难统一，都不完善，或较难应用于工程实践。在这种理论 研究的现状下，设计规范的不完善是必然的。目前的设计规范主要是建立在力的 极限平衡基础上的半经验设计法，而且规范主要是针对挡土结构的强度，稳定性 设计，对于结构的变形设计很难把握。而且各个国家，各个部门间的设计规范也 差异较大，统一性差。我国各部门的加筋土挡土结构设计规范主要参考了美国现 行的设计规范而制定。 综上所述，目前的矛盾在于： ( 1 ) 日益增长的工程需要与目前的理论研究现状的矛盾； ( 2 ) 日益复杂的工程条件，日益苛刻的工程要求与目前的设计规范现状的矛 盾； 急待解决的问题为： ( 1 ) 加筋土，加筋土挡土结构的作用机理研究尚待深入； ( 2 ) 加筋土，加筋土挡土结构设计规范需待修正，完善。 因此，在目前加强基础设施建设，西部大开发战略继续实施的有利时机，加 强加筋土，加筋士挡土结构机理的研究，探索合理的设计方法具有特别重要的理 论价值和现实意义。 1 2 加筋土挡墙结构的理论研究现状 1 2 1 加筋土挡墙变形和破坏的试验研究 关于加筋土挡土结构的理论与试验研究始于对其整体力学性能的认识。大型 足尺模型实验，原位观测及大型模型离心实验是研究加筋土挡土结构的工作性能 的重要手段。近2 0 年来国外许多研究者，尤其是法国学者曾对此作过深入地研究。 国内也有一些研究成果。法国学者b 观q 喊j ，c a r l i p ( 1 9 7 3 ) b 0 d e n j b ， m 山朋i j ( 1 9 玩b 册d 1 h ( 1 9 8 2 ) ，b 嬲d c l 【 m j ( 1 9 9 4 ) ，b 淞吐c k m j s c h l d s 锨；f ( 1 9 8 9 ) ， 美国学者f ：删ia 也h e 1 b e ( 1 9 9 2 ) b 。& n 衄咖，b k 五e g j h i e g e r ( 1 9 9 2 ) ， m c g o w n ，九a n d 瑚峨k z ( 1 9 8 7 ) ，m a 虹mj a b b a _ y a l r i s t c i p h e f ( 1 9 9 0 ) ，k e f i s h m a n c s d 路趾等( 1 9 9 3 ) ，我国张道宽( 1 9 8 7 ) ，王钊( 1 9 8 8 ) ，施建勇( 1 9 9 1 ) 等许多学者曾进行过加筋土挡土结构的足尺模型试验及监测。由于试验所采用的 加筋类型，面板类型，填土类型以及模型相似比，试验边界条件不同，因此结论 3 第一章绪论 也有所差异，但可得出一些基本结论： ( 1 ) 典型的破裂面可用对数螺旋曲线表示； ( 2 ) 无超载时加筋土挡墙的变形在建造完成时基本结束，此后随时间相关连的 蠕变可忽略不计； ( 3 ) 墙面的水平位移下部小，中部，上部大，有超载作用时，随超载增加，下 部水平位移增长缓慢，上部激增，墙体有旋转运动趋势； ( 4 ) 可拉伸筋带与不可拉伸筋带表现出不同的结构行为。当筋带可拉伸时，由 于容许侧向变形，在结构的上部加筋土处于k a 应力状态，而筋带不可拉伸时则处 于勋状态； ( 5 ) 破坏主要表现为两种形式：筋一土界面间的滑动和筋带的断裂。当长高比 ( l m ) 较小时表现为界面问的滑动，当筋带有足够的锚固长度时表现为筋带断裂； ( 6 ) 加筋土挡土结构的最大拉力线与常规挡土结构基于m o b r 伽1 伽b 破裂楔 体模型所预测的结果有很大差别。在加筋士挡土结构中，第一簇零扩展线平行于 筋带方向，第二簇在垂直方向且与潜在破裂面方向相同。而在常规挡土结构中零 扩展沿( 州2 + 9 炀方向； ( 7 ) 面板刚度对侧向压力及位移的影响。增加面板刚度使变形减小，侧向土压 力增大，但对变形的影响小于对土压力的影响。 值得指出的是，由于在模型相似性模拟方面的困难，模型试验所得出的结果 与原型结构的变形，破坏现象之间往往存在着差异，所以直接将模型试验所得出 的结论作为理论研究的基本假定或应用到实际工程的设计当中，并不是很恰当。 1 2 2 筋一土相互作用 加筋土的作用机理归根到底是筋土相互作用。然而这一机理直到现在未 能被充分认识。这一方面归因于被认识对象的不直观性，更重要的是由于各种不 同类型的加筋类型，挡土结构纷纷出现，使得筋一土结构间的相互作用变得错综 复杂，难以把握。所谓理论研究落后于工程实际，根本原因在于对其相互作用机 理未能认识清楚。 长期以来各国学者对筋一土间的相互作用机理进行了许多研究，目前认为从 加筋类型区分，加筋可分为线状加筋( 条带式) ，面状加筋( 席垫式) 两种，分别 表现出不同的筋土相互作用机理。 ( 1 ) 摩擦约束剪胀机制 对于条带式加筋，s c h l o s s f 弛de l i a 8 ，v ( 1 9 7 8 ) 认为，密实砂土中的筋带受 约束剪胀作用而表现出三维摩擦效应。当筋带受拉时，引起筋带周围密实的砂土 发生剪胀，而体积的膨胀受到周围土体的约束，使得作用于筋带上的正应力增加， 从而表现为视摩擦角大于测量值。p h 邶e n e ，( 1 9 8 4 ) 测量了筋带受拉时筋带周围剪胀 4 第一章绪论 区的近似范围，指出该范围大于筋带直径的三倍。筋土间摩擦作用的另一特 点是使摩擦力完全发挥所需筋土间的相对位移很小，一般在l _ 5 衄范围内。 ( 2 ) 摩擦被动抵抗机制 当加筋为格栅，格网等席垫式时，筋土问的相互作用表现为摩擦一被 动抵抗机制。与受拉方向平行的筋带与砂土间存在相互摩擦，而与受拉垂直方向 的筋带主要表现为抗弯。总的抗拔力是二者的结合。为了分析两种作用的相对重 要性，b a c o t ( 1 9 9 3 ) ，s c m o s s e r ( 1 9 9 3 ) ，m o f b o i s 锄dl g ( 1 9 8 4 ) 通过拉拔试验指出，摩 擦机制占主要地位，当被动抗力产生时，摩擦力已经完全发挥。 可以认为，摩擦一约束剪胀机制，摩擦一被动抵抗机制是加筋受拉时筋 土间相互作用的基本机制。然而当考虑面板的影响以及筋土结构的相互 作用时，需作进一步的深入研究。此外，目前的研究多为机理的探讨，尚缺少定 量的研究，难以指导工程设计。因此，急待加强定量的研究和实验的验证。 1 3 加筋土挡墙破坏模式分析与设计方法简介 1 3 1 破坏模式分析 加筋土挡土墙的破坏模式分为稳定性破坏、倾覆破坏及筋材破坏。稳定性破 坏包括整体稳定性破坏和内部稳定性破坏；筋材破坏分为筋材被拉断和筋材被拉 出而发生的破坏，此外还有因为过大的筋带侧向变形而引起的破坏及筋材长度不 够而引起的破坏l l 卅。 闩 ，夕 ，弋7 ：夕蕞 q 予 积假想的 j 破裂面 ，e = 4 5 + 9 t 2 n i 卜j 叫 图1 1 整体稳定性破坏假设破裂面图1 2 局部稳定性破坏假设破裂面 1 ) 整体稳定性破坏 这种类型的破坏主要包括平面滑移、地基承载力和深层滑动等，其主要形式 为破裂面发生在加筋层下面，如图1 1 所示。 一一。 tilll|；卜ijll上 第一章绪论 加筋区a b c d 所受的力如下： q 1 = 月盔乞( 0 5 ，打+ 鼋)暇= 埘观+ ( 三一x 。) 拿 l = + q ls i n 伊互= q ic o s 矿。 安全系数尼= 1 协n 万亿，艿为土与筋材的摩擦角。 ( 2 ) 局部稳定性破坏 这种类型的破坏，破裂面发生在两层加筋材之间，加筋a b c d 所受的力如下： q 2 = z k 。( 0 5 f 了+ 口)= ，d 观+ o 5 7 j d _ 己+ g ( 三一毒) 2 = c o s 口+ 易s i n 一口)e = 矿2 s i n 口+ 易c o s ( 妒一功 这里，z 取决于滑动面的位置。安全系数层= 2t 觚伊五。 ( 3 ) 内部稳定性破坏 加筋土内部稳定性破坏受很多因素的影响，如拉筋数量、断面尺寸、拉筋强 度、尺寸、长度及作用在面板上的土压力、填土的性质等。而且，上述各因素又 相互影响。但是，因为加筋土挡墙内部稳定性主要是由拉筋在拉力作用下抗拉能 力和抗拔能力来衡量，这两个方面能大致反映各个因素对加筋土挡墙内部稳定的 影响，故归结起来加筋土挡墙内部稳定性破坏有以下两种形式： 1 1 由于拉筋强度不足造成的断裂，如图1 3 所示。 劲由于拉筋与填土之间的结合力不足造成的加筋体断裂，如图1 4 所示。 撼国 圈1 3 拉筋断裂造成的内部失稳图1 4 加筋体断裂造成的内部失稳 ( 4 ) 倾覆破坏 这种类型的破坏模式根据下式计算安全系数，所受的力如图1 1 所示。 口 o 5 弼+ o 5 9 ( 上一，) ( + f ) + 乏i 三s i n 矿 4 ( o 1 6 7 e + 0 5 e 弘2 ) c o s ( 5 ) 筋材长度不够引起的破坏 这种破坏在实际工程中很少遇见，其破坏原因是筋材包裹长度不够。包裹长 度的作用主要是支撑包裹体上的土，只需很短的一段长度即可。如图1 5 所示 包裹的长度按下式确定： 6 第一章绪论 l 。= k 4 d | 媳恤砩 式中：d 为加筋层间距：艿为界面摩擦角；磁为主动土压力系数。 p 叫 4 44 l | k a 0 0 f f f ff f f f 仉 e 图1 5 包裹长度受力简图 - d r ( 2 3 ) 则拉筋与土体之间就不会产生相互滑动f l o 】，如图2 2 所示。如果每一层加筋能 满足上式要求，则整个加筋土结构的内部抗拔稳定性就能得到保证。 加筋土结构物中的拉筋通常呈水平状，相间、成层地铺设在需要加固的土体 中。如果土体密实，拉筋布置的水平间距较小，那么上下拉筋对土体的法向反力 和摩擦阻力在土体颗粒中传递( 即由拉筋直接接触的土颗粒传递给没有直接接触的 土颗粒1 而形成与士压力相平衡的承压拱，如图2 3 所示。这时，在上下筋条之间 的土体，除端部的土体不稳定外，将形成一个稳定的整体 幽旦攀b 图2 2 摩擦加筋原理 图2 3 加筋土间的承压拱作用 综上可知，在加筋土挡墙中，墙体由于受土体的推力产生破坏时，将在加筋体 中产生破裂面，该破裂面不同于朗金理论的主动破裂面。以规范中建议的o 3 h 破裂面为例，该破裂面将墙体分为主动区和稳定区，见图2 4 。下滑棱体a b c d 自 重产生的水平推力对每一层拉筋形成拉力，欲将拉筋从土中拔出，而稳定区土体 与筋带的摩擦阻力将阻止拉筋被拔出。如果每一层拉筋与土体的摩擦阻力均能抵 抗相应的土推力，则整个墙体就不会出现a b c d 滑动面，加筋土体的内部稳定就 第二章加筋土挡墙一般设计计算与方法 有保证。设每层筋带所受的土体的水平推力为t ，那么应满足： r p r 印d o 嘲s o pk a d s l 0 a ds 唧0 p 嵋 _ i i m e ，f r e q u 匝c 第三章加筋土挡墙整体安全稳定数值分析理论 t i m e - t i m es t 印完成。在每一个荷载增量步中荷载增量越小，每一子步的迭代次数 越多，计算越精确，但是计算时间会越长。相反如果应力路径相关问题在一个给 定的子步内不能快速收敛，那么解可能偏离理论荷载响应路径太多，这个问题在 施加荷载增量太大时容易出现。为解决这个问题，a n s y s 程序采用了一种非常重要 的。二分法自动荷载步长技术”( a u t o m a t i ct i m es t e p p i n g ) 来实现逐步加载， 这是一项非常重要的技术。无论何时只要平衡迭代收敛失败，二分法把荷载步长 分成两半，然后从最后收敛的子步自动重启动，如果已二分的荷载步长再次收敛 失败，二分法将再次分割荷载步长然后重新启动，持续这一过程直到获得收敛或 达到最小时间步长。二分法提供了一种很好的对收敛失败自动矫正的方法。这样 就可以在一个荷载增量子步中以较小的迭代次数达到计算收敛。 图3 5 一次牛顿- 拉普森( n w t o n i h p b 佃) 迭代示意图 在每一增量步中，程序提供了多种迭代求解方法。牛顿一拉普森 ( 叽o n r a p h s o n ) 平衡迭代法可能是在固体力学中对非线性问题求解时应用最 广的方法，它具有较高的收敛速率。图3 5 为一次牛顿一拉普森迭代过程示意图。 在缸) = 缸。) 附近将杪 = p 卜瞵0 ) 】作泰勒展开，并只保留线性项，得到： = 以) + 孵】舷卜缸。) ) = o ( 3 1 1 ) 【j 0 】为切线刚度矩阵。 由此可以得到第n + 1 次近似解如下： 轨) = “譬】如。) 一& 。) ) = ( 砰】 ) = f 4 一曩” 上式右端为失衡力，f 4 为所加荷载矢量，f ”为对应于单元应力的荷载矢量，计 算过程中需要反复迭代，重复这个过程直到前后两次计算结果充分接近，一个合 适的收敛标准得到满足为止，如图3 6 。可见，( n e l r t o n r a p h s o n ) 迭代过程中切 线刚度矩阵【鲜】在每个迭代步中都要计算和分析，对于一个大系统来说，这将花 费很多时间。 第三章加筋土挡墙整体安全稳定数值分析理论 圈3 6 牛顿拉普森迭代法示意图 3 1 4 力和位移的收敛准则 有限元计算的迭代过程就是寻找一个外力和内力达到平衡状态的过程，整个 迭代过程直到一个合适的收敛标准得到满足才停止，用来终止平衡迭代的合理收 敛标准是有效的增量求解策略中的一个基本部分。每次迭代结束，得到的解必须 对照一个设定的允许值进行检查，看是否已经收敛。 对于一次平衡迭代，就是要找到一个解使得以下平衡方程得到满足。 砂 = p ) 一瞄0 ) 】似) = o ( 3 1 2 ) 这就要求不平衡力或者说内力和外力的差值砂 为零，但是在数值计算过程 中，通常是不可能的，而且也不需要不平衡力达到为0 的状态。因此可以设定一 个很小的允许值来判断，这个标准就是力的收敛标准。 在a n s y s 中位移的收敛标准定义为： 桫：岛五可 ( 3 1 3 ) 式中：砂 为不平衡力或内力和外力的残差矢量； ：表示矢量的欧几里德范数，i l 妒l i ：= ( 订，5 ； 同样，在有限元位移分析中，计算位移必须接近真实值，我们可以采用当前 第( i ) 次和第( i 1 ) 次迭代之间的位移改变值小于事先设定的一个很小的允许 值，这就是位移的收敛标准。 在a n s y s 中力的收敛标准定义为： 位移收敛标准：0 舢，】i | ：s 毛“可 ( 3 1 4 ) 岛，毛为事先给定的一个很小的系数，该系数越小，计算精度越高，但是迭代 次数越多，计算时间越长。计算经验表明取o 0 0 1 o 0 0 0 0 l 能够满足安全系数计 算的精度要求。 墨| ，砧耐为参考值，在 n s y s 程序中可以指定一个数值，也可以采用系统的缺 省值，系统的缺省值是所加荷载和所加位移值。 第三章加筋土挡墙整体安全稳定数值分析理论 b ) = 觑船 ( 3 1 7 ) p ) ：o ，加+ 咖) ：p ) + 要咖：要打：o ( 3 1 8 ) 所以：岳如= 等哦】( 函 一叫筹 ) = o ( 3 2 1 ) 址蹁 伍蚴 所以：打= f d 】( 协j 一如= ( 【见卜哆】) 和对= 【】泌) ( 3 2 3 ) 第三章加筋土挡墙整体安全稳定数值分析理论 吲= 器 ( 3 2 4 ) 对于一个给 3 1 6 弹塑性增量应力一应变关系计算的一般过程嘲 n s y s 程序采用了欧拉应力拉回技术( 蹦盯b 卵k w a r ；ds c h 黜) 来执行一致性 条件，这样确保应力点停留在屈服面上，其计算过程如下： ( 1 ) 根据当前的应力状况以及材料参数计算屈服强度。 在d n l c k e r - p r a g e r 准则中，对于不同的圆，盯，有不同的表达式，对于外接圆： 吼：毒堕 ( 3 2 5 ) 。 3 ( 3 一s i n 矿) ( 2 ) 如前所述，对于一个给定的应变增量，可以计算出唯一的应力增量，然而，我 们不能唯一地建立逆关系，目前的做法是由试算应变增量计算出应力增量，再根 据一致性条件来调整应力和应变。 对于施加荷载增量后，我们不知道其应力是处于弹性还是处于塑性状态，只 好暂时忽略材料的塑性，假设发生弹性变形，计算初始应变，再由初始应变计算 出试算应力，初始应变“r a i ls t r a i n ) 等于总的应变减去上一步计算后的塑性应 变。 砩 = 矗。卜留j ( 3 2 6 ) 所以初始试算应力： k 扛d k ( 3 2 7 ) ( 3 ) 根据屈服准则计算等效应力： 对于d r u c k e r 如a g e r 准则，以= 码+ 厶 ( 3 2 8 ) 如果吒小于盯，即，( d 磊) o 则说明材料处于弹性状态，没有塑性应变发生。 ( 4 ) 如果以大于仃，( d 磊) o ，则说明应力点超过了屈服面，需要将应力拉回到 屈服面，设此加载步中的塑性应变增量为如厶，则调整后的应力表示为： = 吒一蜮= 吒础 器 - 吒“盯 ( 3 2 9 ) 式中； 一一 其中，产生的塑性应变的大小d 咒由一致性条件确定，程序通过牛顿一拉普森 第三章加筋土挡墙整体安全稳定数值分析理论 执行一致性条件：，瓴。) = f ( 蠢) = ，吃+ 力= o f 坛m ) = f 坛) + 7 盯 = f 坛) 一7 础= 。 址确 式中：分母f k 。) 就是加载函数。 k ) = m 溉 应力 蠢。1 ：d 乜 塑性应变：螺j = 幻j + 血j 弹性应变：j = # j 一 占 ( 3 3 0 ) ( 3 3 1 ) ( 3 3 2 ) ( 3 3 3 ) ( 3 3 4 ) ( 3 3 5 ) 3 1 7 有限元中边坡失稳的判据 有限元强度折减法分析边坡稳定性的一个关键问题是如何根据有限元计算结 果来判别边坡是否达到极限破坏状态，目前这方面在尚没有统一的认识，失稳判 据主要有以下几种类型： ( 1 ) 在有限元计算过程中，边坡失稳与有限元数值计算不收敛同时发生，采 用以有限元数值计算不收敛作为边坡失稳的判断依据1 衄1 刀【1 町【埘。 ( 2 ) 以广义剪应变或者广义塑性应变从坡脚到坡顶贯通作为边坡破坏的标志 鳓【2 l 】啕例。 ( 3 ) 土体破坏标志应当是滑动土体无限移动，此时土体滑移面上应变和位移 发生突变且无限发展“侧。 日本学者姒t s u i s n ( 1 9 9 2 ) 利用从坡脚到坡顶的剪应变来定义土坡的破 坏，当土坡达到破坏时将剪应变的等值线作为滑动面，然后在这个面上利用应力 第三章加筋土挡墙整体安全稳定数值分析理论 水平计算安全系数。 连镇营等汹1 ( 2 0 0 1 ) 利用有限元强度折减法研究了开挖边坡的稳定性，认为 采用解的不收敛性作为破坏的判别标准，物理意义不是十分明确，因此提出边坡内 一定幅值的广义剪应变自坡底向坡项贯通，则认为边坡破坏，广义剪应变定义为： 斤7 _ 白= 去肚一岛) 2 + ( 毛一岛尸十( 毛一岛) 2 j ( 3 3 6 ) 栾茂田等( 2 0 0 2 ) 嘲也认为以有限元数值计算不收敛作为边坡失稳依据具有 一定的人为任意性，缺乏客观性。但是认为由于失稳时刚好贯通的广义剪应变值 一般无法事先确定，由此所确定的边坡的安全系数也带有一定的非确定性等人为 因素，并认为无论在广义剪应变还是在位移中不仅含有塑性分量，而且也包括弹性 分量，因此根据这些物理量的大小判断塑性区及剪切破坏区的开展与发展是不够 合理和准确的。因此提出采用塑性应变作为失稳评判指标，根据塑性区的范围及其 连通状态确定潜在滑动面及其相应的安全系数，以此评价边坡的稳定性。广义塑性 应变定义为： r ? f 、 ， 彰= 、怯1 0 一r + 一) z + 一) 2j ( 3 3 7 ) 周翠英( 2 0 0 3 ) 嘲，郑宏( 2 0 0 2 ) 瞄3 也采用了塑性区自坡底向坡项贯通作为边坡 破坏的标准，可见这一观点目前在国内还比较盛行。 但本文研究认为，塑性区从坡脚到坡顶贯通并不一定意味着破坏，塑性区贯 通是破坏的必要条件，但不是充分条件。土体破坏的标志应是滑体出现无限移动， 此时滑移面上的应变或者位移出现突变，因此，这种突变可作为边坡破坏的标恚， 此外有限元静力计算会同时出现不收敛。可见，上述( 1 ) ( 3 ) 两种判断依据是一致 的，因而以有限元静力平衡方程组是否有解，有限元数值计算是否收敛或滑面上 节点塑性应变和位移突变作为边坡破坏的依据是合理的。 3 2 筋一土复合理论 3 2 1 筋土复合材料的本构模型 ( 1 ) 应变相容概念叫 由土的应力应变曲线可知，土的典型全应力应变过程可分为初始线弹性、 应变强化和应变软化三个阶