（道路与铁道工程专业论文）加筋土桥台的受力与变形的数值模拟分析.pdf

r e i n f o r c e da b u t m e n ts t r e s sa n dd e f o r m a t i o na n a l y s i s at h e s i ss u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e e o f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y m e n gx i a n g z h u ( h i g h w a ya n dr a i l w a ye n g i n e e r i n g ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rs u nz o n g g u a n g m a y ，2 0 1 1 本 撰写成 文中已 文中以 公开发 学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、 中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密曰( 请在以上方框内打“) 论文作者签 导师签名：墓，京喜 日期：必、年【月? p 日 中文摘要 摘要 近几十年，随着我国大规模的公共基础设施的建设，加筋土技术得到了很好 的发展，应用范围也越来越广泛。加筋土结构工程性能好，造价低廉。 加筋土结构主要是通过在土中加入土工复合材料来改善土体的整体性和限制 土体的局部变形。这种技术虽然应用比较广泛，但没有可靠的理论分析依据来对 设计进行指导，大多参考实际经验。 目前各种试验和数值模拟解决的实际问题比较单一，也未能得出比较通用并 且符合实际工程的试验方法。本文以辽宁省在建某跨铁路桥2 0 # 桥台工程为依据， 通过运用a n s y s 有限元软件对加筋土桥台进行数值模拟分析和计算。分别对桥台 进行平面应变模拟和三维实体模拟计算，并结合工程实际采集数据，针对桥台内 部的受力和土体及面板的变形，分析对比各个方法的优缺点，并提出比较可靠的 数值模拟方法，对加筋土桥台设计和施工提供指导意见。主要内容有： 1 、平面分析 通过对桥台前墙顺桥向单侧加筋和桥台横向双侧加筋的平面应变模拟计算，分 析填土和面板的位移变化情况，找出筋带受力情况与潜在滑移面的关系； 2 、桥台三面加筋三维实体模拟 通过对桥台整体的三维实体非线性模拟计算，在考虑面板土体接触面的情况下 着重分析填土和面板的位移变化情况，与平面模拟情况进行对比分析； 3 、数值模拟结果与现场采集数据分析对比 数值计算结果与实际采集数据对比，结合理论计算，检验数值计算结果，并得 出平面模拟与三维模拟的特点和侧重点，总结出比较合理的有限元模拟方法。 关键词：a n s y s ；接触面单元；三维模型；加筋土；非线性；筋带拉力；挡墙位 移 a b s t r a c t i nr e c e n td e c a d e s ，a sc h i n a sm a s s i v ep u b l i ci n f r a s t r u c t u r ec o n s t r u c t i o n ，r e i n f o r c e d t e c h n o l o g yg o tav e r yg o o dd e v e l o p m e n t ，a p p l i c a t i o ns c o p em o r ea n dm o r ew i d e l y r e i n f o r c e ds t r u c t u r ee n g i n e e r i n gp e r f o r m a n c ei sg o o d ，u s e f u l n e s sw i d e ，l o w c o s t r e i n f o r c e ds t r u c t u r ei sm a i n l yt h r o u g ha d d i n g i n s o i l g e o t e x t i l ec o m p o u n d m a t e r i a l st oi m p r o v es o i li n t e g r i t ya n dl i m i tt h el o c a ld e f o r m a t i o ns o i l t h i s k i n do f t e c h n o l o g y ，w h i l ea p p l ym o r ee x t e n s i v e ，b u ti nm a n y p r a c t i c a lp r o b l e m s ，s t i l ln o r e l i a b l e t h e o r e t i c a la n a l y s i so fd e s i g nb a s i sg u i d i n g ，m o s t l yr e f e r e n c ea c t u a le x p e r i e n c e a tp r e s e n lv a r i o u st e s ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ea c t u a lp r o b l e ms o l v i n gi s n l o r eo n e f o l d ，a l s of a i l e dt od r a wt h em o s tc o m m o na n da c c o r d w i t ht h ea c t u a l e n g i n e e r i n gt e s t i n gm e t h o d i nt h i sp a p e ra c r o s sr a i l w a yb r i d g ei nl i a o n i n gp r o v i n c e b a s e do nt h ea b u t m e n t 静2 0 ，t h r o u g ht h ea p p l i c a t i o no fe n g i n e e r i n go f r e i n f o r c e d a b u t m e n ta n s y sf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ei ss i m u l a t e da n da n a l y z e da n d c a l c u l a t e d o nt h e a b u t m e n tr e s p e c t i v e l y o n p l a n e s t r a i ns i m u l a t i o n a n dt h r e e - d i m e n s i o n a le n t i t y s i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n ，a n dc o m b i n e dw i t he n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，a c c o r d i n gt o d a t ao f s o i la n dt h ei n t e r n a lf o r c ea b u t m e n t o fd e f o r m a t i o na n dp a n e l ，c o m p a r i n gt h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f v a r i o u sm e t h o d s ，a n dp u t sf o r w a r dar e l i a b l en u m e r i c a l s i m u l a t i o nm e t h o d ，d e s i g na n dc o n s t r u c t i o n o fr e i n f o r c e da b u t m e n ta n dp r o v i d e g u i d a n c e t h em a i nc o n t e n t si n c l u d e ： 1 p l a n ea n a l y s i s t h r o u g ht h ef r o n tw a l lt ot h eb r i d g ea b u t m e n tu n i l a t e r a ls t i f f e n e da n dt h el a t e r a l b i l a t e r a ls t i f f e n e dh o m o g e n i z et h ep l a n es t r a i ns i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n ，a n a l y s i so ft h e f i n e ds o i la n dp a n e l ，f i n d so u td i s p l a c e m e n tv a r i a t i o nr e i n f o r c e db e l t w i t hp o t e n t i a l s l i d i n gs u r f a c es t r e s sr e l a t i o n s ； 2 t h ea b u t m e n tt h r e ef a c es t i f f e n e dt h r e e - d i m e n s i o n a le n t i t ys i m u l a t i o n t h r o u g ht h ew h o l eo ft h ea b u t m e n t3 de n t i t yo fn o n l i n e a rs i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n ， c o n s i d e r i n gt h ec i r c u m s t a n c e ss o i ls u r f a c ep a n e le m p h a t i c a l l ya n a l y z e dt h ef i l l e ds o i l a n dp a n e l ，d i s p l a c e m e n tv a r i a t i o na n dg r a p h i cs i m u l a t i o nb yc o m p a r i n ga n a l y s i s ； 3 n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sw i t ht h ef i e l dd a t ac o l l e c t i o na n a l y s i sc o n t r a s t n u m e r i c a lr e s u l t sc o m p a r e dw i t ha c t u a l d a t a ，c o m b i n e dw i t ht h et h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n ，i n s p e c t i o n ，a n dd r a wt h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o nr e s u l t so fs i m u l a t i o na n d3 d s i m u l a t i o nf i a t ，s u m m a r i z e st h ec h a r a c t e r i s t i c sa n de m p h a s i si nt h ef i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o nm e t h o di sm o r er e a s o n a b l e k e yw o r d s ：a n s y s ；c o n t a c te l e m e n t s ；3 d m o d e l ；r e i n f o r c e d ；n o n l i n e a r ； r e i n f o r c e db e l tt e n s i o n ；r e t a i n i n gw a l ld i s p l a c e m e n t 目录 目录 第1 章绪论1 1 1 加筋土技术的国内外现状1 1 2 加筋土技术研究存在的问题3 1 3 本文的主要工作5 第2 章加筋土结构的加筋原理7 2 1 摩擦加筋原理。7 2 2 准黏聚力理论8 2 3 其它理论一9 2 4 j 、结1 0 第3 章加筋土桥台的材料试验及计算问题1 1 3 1 加筋土桥台的破坏形式和稳定性要求1 1 3 2 拉筋带似摩擦系数试验研究数据1 1 3 2 1 试验填料1 1 3 2 2 试验方法。1 2 3 2 3 试验结果1 3 3 3 加筋土桥台的内部稳定性分析1 3 3 3 1 基本假定1 4 3 3 2 筋带拉力计算1 4 3 3 3 筋带数量( 宽度) 计算1 7 3 3 4 筋带抗拔稳定计算1 9 3 4 加筋土桥台的外部稳定性分析2 3 3 4 1 基础底面地基应力验算2 3 3 4 2 基底滑动稳定验算2 4 3 4 3 抗倾覆稳定验算2 4 3 5 其他分析方法2 5 3 5 1 能量法2 5 3 5 2 剪涨区法2 5 3 6 小结2 7 第4 章加筋土桥台的有限元分析2 8 4 1 有限元分析理论及方法2 8 目录 元分析2 9 题分析方法。2 9 构关系和单元类型一2 9 土体接触面处理3 1 单元类型3 2 限元模型结构和材料参数3 3 面应变有限元分析3 4 面应变有限元分析3 7 性有限元分析4 2 构关系和单元类型4 2 单元类型4 2 理4 4 、网格划分4 4 结果分析4 8 5 1 ! ；：； 5 3 5 2 展望5 4 参考文献5 5 攻读学位期间公开发表论文5 9 致 谢一6 0 研究生履历。6 1 加筋土桥台的受力与变形的数值模拟分析 第1 章绪论 随着我国公共基础设施的大规模建设，加筋土技术得到了迅猛的发展和广泛 的应用。加筋土是由土和筋体组成的复合土体。在填土工程过程中铺设加筋带或 土工格栅或土工织物等加筋材料，利用筋材与土体的摩擦作用，改善土体的变形 条件，提高土体的工程性能，从而达到稳定土体的目的。加筋土挡土墙即由填土、 填土中布设的筋带和墙面板三部分组成，如图1 1 所示。 图1 1 加筋土挡土墙基本构造 f i g 1 1e a r t hr e t a i n i n gw a l lb a s i cs t r u c t u r e 1 1 加筋土技术的国内外现状 加筋土技术在我国的应用历史悠久，比如掺入了稻草的土墙，加入了稻草或 树枝树叶的土坝，在河岸加入树木或竹条以加固堤岸，这种结构往往经历数百年 而不坍塌。虽然加筋土技术使用时问早，广泛，但是一直没有进行系统地总结和 理论研究，所以没有较大的发现。 直到2 0 世纪6 0 年代，法国工程师亨利维达尔( h e n r iv i d a l ) 在试验中发现 当土中加入有机材料后，土体的工程性质发现明显变化，强度提高，稳定性增强。 据此提出加筋土理论，并推出了加筋方法及设计理论，并于1 9 6 5 年在法国成功修 建了世界上一座加筋土挡土墙【4 1 。由此拉开了加筋土技术作为现代建筑结构技术研 究和推广使用的序幕。 绪论 后的十年里是加筋土技术在世界范围内广泛推广使用和发展的阶段。各国 大量相关的试验及研究。当时，研究最为活跃的属法国桥梁道路中心、美 大学等【3 1 。在亚洲，应用最早的属于日本。日本于6 0 年代将该技术命名为 土工法”。在随后的十年里进行了大量的模型试验研究，根据日本国家多 的情况，专门研究了其抗震性能，将其广泛应用于市政工程、公路铁路、 工程中1 4 1 。 国最早是将该技术应用于7 0 年代修建的加州3 9 号公路。随后成立了专门 关研究和应用的工作小组，并在全国范围内广泛的推广应用。在法国的 g 、美国加州大学k l l e e 以及d p m c h t t r i c k 等学者1 5 l 的研究下，筋带拉力、 压力的分布和计算，以及破裂面的形态等方面有了重大发现。加筋土技术 性迅速让世界各国工程届引起了重视，8 0 年代初期，在匹兹堡、悉尼和巴 召开了有关加筋土技术的国际性研讨会f 2 1 。各种国际间的合作研究机构相继 并制定了有关加筋土工程的规程、条例和手册【6 l 。 据1 9 8 2 年的统计资料，世界上有近4 0 个国家建成了大约5 0 0 0 多项加筋土 加筋土工程的应用范围已从加筋土挡墙发展到桥台、护岸、堤坝、建筑物 基础、铁路路堤、码头防波堤、水库、尾矿坝、储仓及核设施、军用设施等多个 领域。第十届国际土力学及基础工程会议的科技水平发展报告中认为，加筋土技 术的广泛应用是6 0 年代以来岩土工程中重要新进展之一1 1 】o 7 0 年代末，加筋土技术在我国开始的得到发展和应用，我国第一座加筋土挡 墙1 7 1 是在1 9 7 9 年由云南煤矿设计院设计，在用坝矿区建成的3 座2 _ 4 m 高的试验 性的加筋土挡墙。随后，又在该矿区建成了一座长5 7 m ，高8 3 m 的加筋土挡墙， 建成后使用效果良好。该工程的成功使得该技术得到了国内工程届的极大兴趣。 在交通、市政工程、港口、水利等行业和部门迅速的发展和应用。1 9 8 4 年至1 9 8 5 年，在重庆长寿白沙湾长江北岸设计并成功建造了当时世界上最高的加筋土码头 工程。 为适应加筋土技术的推广应用，我国先后共举行5 次全国加筋土技术经验交 加筋土桥台的受力与变形的数值模拟分析 流会【5 】，世界上许多国家先后制定并颁发了有关加筋土工程的设计、施工规范和标 准，或设计施工指南等。 加筋土挡墙具有以下特点： ( 1 ) 组成加筋土结构的墙面板和拉筋可以预先制作，现场分层填筑，这种装 配式的方法，施工简便、快速，效率高并且节省劳力和缩短工期。 ( 2 ) 加筋土是柔性结构物，能够适应地基轻微的变形。在软弱地基上修筑时， 由于拉筋在填筑过程中逐层埋设，所以因填土引起的地基变形对加筋土挡墙的稳 定性影响比对其它结构物小，同时，地基的处理也较简便。 ( 3 ) 加筋土挡土墙具有一定的柔性，能抵抗变形，抗震动性能也较强。因此， 它也是一种很好的抗震结构物。 ( 4 ) 加筋土挡墙节约用地，造型美观，墙面板可以垂直砌筑，可大量减少占 地。挡土墙的总体布设及墙面板的形式图案可根据周围环境特点和业主需要进行 设计。 ( 5 ) 加筋土挡墙造价比较低，与钢筋混凝土挡墙相比，可减少造价一半左右； 与石砌重力式挡墙比较，可节约2 0 以上。而且，加筋土挡墙造价的节省随墙高 的增加而愈加显著，因此它具有良好的经济效益。 1 2 加筋土技术研究存在的问题 相对加筋土技术的广泛应用，其设计理论的研究相对滞后，只是以传统的朗 金库仑破裂面为设计依据，显然太保剞3 1 。虽然现在对加筋土挡墙的稳定性分析 时，考虑了拉筋的影响，但是这些分析方法基本都是建立在极限平衡理论基础上， 土体内部的应力应变关系完全被忽略了，对加筋土挡墙破坏的发生和发展过程的 研究分析结果不明确。土体与面板的界面处理模糊，笼统的假定滑裂面的形状为 0 3 h 型或朗金库仑型【3 9 】等，与实际有一定的出入，设计时有可能造成加筋土挡墙 的不稳定甚至产生变形和破坏，或者出现超筋现象，经济上不合理。在实际加筋 土挡墙的使用中，常出现一些工程问题，例如挡墙发生了严重鼓胀变形，土体与 筋体脱离等。 绪论 土结构的作用机理分析，多数变形破坏现象可能是由于锚固长度不 与土体的摩擦力不足【3 4 l ，使得筋体与土体之间产生的拉力过大而产 离，并且使得挡土墙上部土压力过大而导致墙面外倾产生鼓胀现象。 构稳定性越好，但是过长就会造成资源的浪费，工程造价的提高。 筋土的挡墙设计不仅要提高安全性能，还要节约工程投资，提高经 者通过大量的研究工作，对土工加筋原理、加筋土的破坏模式、加 定分析、加筋土的强度特性分析、加筋土的本构模型研究等加筋土 有了较为深入的认识。对有关加筋土挡墙中拉筋拉力分布、填土的 算，拉筋有效区和无效区的划分、总抗拔力的确定都得出了一些理 。 于加筋土工程的理论是古典的朗肯理论，库仑土压力理论【1 5 1 。按照 算的拉筋最大拉力发生在墙体底部。库仑法假定在极限破坏时，作 动土压力与分布在墙内的拉筋拉力互相平衡，拉筋的拉力与填土的 最大拉力也出现在墙体的底部。 我国的赵炎华【”l 教授对加筋土设计提出了塑性区配筋法即b 法和剪胀区配筋 法即c 法，并分析了实践效果。该理论认为加筋土在自重及荷载作用下，墙背填 土中因受力状态不同而形成压密区、剪胀区和弹性区，配筋重点应是剪胀区。 1 9 8 7 年进一步对挡土墙土压力分布规律进行探讨，认为土压力分布图形是加 筋土所固有的特性曲线，不应随其它条件的变化而改变。同年赵炎华做了加筋土 挡墙的原位测试，结果显示出拉筋拉力最大值发生在距面板附近，而后向尾端逐 渐变小，筋条尾端拉力为零，最大拉力沿深度的分布规律显示了剪胀区配筋法分 层配筋是塑性区发生转移的实际效果，验证了剪胀区配筋法的合理性。 1 9 8 6 年d eb u h a n 1 6 j 将均化法屈服设计用于加筋土，将加筋土理解为均质各向 异性物质，根据其强度准则可导出结构各个组成部分的强度特性。 1 9 8 9 年i j u r a n 和c c h e n 1 7 1 指出现有的极限平衡设计方法和按应力控制的设计 加筋土桥台的受力与变形的数值模拟分析 方法都有各自的局限性，因此提出应变相容设计法。此方法满足筋土应变相容要 求，考虑在工作应力和破坏应力时的真实位移模式，建立土的塑性破坏模型。假 定滑动面为对数螺旋线，筋为理想弹塑性弹簧，剪应变在破坏面上是均匀分布或 沿着破坏面线性增加，从而求出拉筋屈服前的挡墙临界高度。同时对施工过程影 响的上下限做了分析。用各种试验对这种计算的临界高度、破坏面形态、最大拉 力分布进行了验证。 进入9 0 年代，在加筋土设计方面，有些国家的设计人员开始采用极限状态法， 设计时分为最终极限状态和使用极限状态两大类，考虑建筑物的使用寿命和筋材 与土的应变相容性，对材料特性指标、土力学指标和作用力等，采用分项系数以 代替单一的安全系数，较大地改进了极限平衡法( m c g o w n 等1 9 9 8 年) 。1 9 9 2 年 吴雄志f 1 5 l 提出了一种以变压力系数为基础，并考虑墙后填土破裂面影响的拉筋最 大拉力计算方法。该方法与试验结果有很好的吻合性。1 9 9 9 年李广信根据自己研 究素土的本构模型的经验提出了加筋土计算的等效应力法【1 5 】，根据土体的变形结 合加筋材料的变形规律将加筋的作用等效为附加应力。 以上这些理论是以极限平衡理论为基础结合条件假定建立起来的，或者是在 极限平衡理论的基础上对理论加以改进。由于极限平衡理论的局限性，使得以上 理论没有对土体内部应力应变关系、土体与筋材及墙面接触关系、挡土墙的变形 协调关系等予以充分的考虑，导致加筋土挡墙的机理研究与实际有一定的出入。 1 3 本文的主要工作 本文运用有限元方法，考虑了力的平衡条件，以及材料的应力应变关系和土 体与筋体、面板与土体的接触关系，对加筋土挡墙的稳定性进行模拟，对其机理 进行分析和研究，找出比较合理的模拟方法，以使得加筋土挡墙设计更加经济、 合理，符合实际。主要有以下几个方面： 将结构简化为平面应变问题进行模拟，对于单侧加筋挡墙和双侧加筋挡墙分 别模拟对比； 绪论 对桥台结构进行三维实体模拟，在考虑面板土体接触面的情况下模拟计算， 并与平面应变问题的模拟结果进行对比； 通过工程实地数据采集，结合数值模拟结果，对比分析平面应变问题模拟与 三维实体模拟的优缺点。提出了一套符合实际切实可行的数值模拟计算方法。 图1 2 面板的砌筑 f i g 1 2p a n e ll i n i n g 图1 3 现场筋带埋设 f i g 1 3r e i n f o r c e m e n te m b e d d e d 加筋土桥台的受力与变形的数值模拟分析 第2 章加筋土结构的加筋原理 在加筋土的结构中，由填土自重和外力产生的侧压力作用于面板，通过面板 上的筋带连接件将侧压力传给筋带，企图将筋带从土中拉出。而筋带被土压住， 筋带与填土间之间产生摩阻力阻止筋带被拔出。使得其形成个共同工作的复合 结构。土层的抗拉及抗剪强度增加，提高了整体稳定性。目前，这种筋带与土层 之间的作用被总结为摩擦加筋原理【2 5 】和准黏聚力原理【2 5 1 。 2 1 摩擦加筋原理 如图2 1 ，在加筋土挡墙中，墙体在破坏时会出现明显的稳定区和活动区，活 动区产生的水平推力与稳定区的摩阻力平衡，则能保证结构的安全性。 c b 图2 1 加筋十的结构分区及筋土间的摩阻作用 f i g 2 1r e i n f o r c e ds t r u c t u r eb e t w e e nr e i n f o r c e ds o i lz o n i n ga n dt h ef r i c t i o ne f f e c t 设土的水平推力在筋带中引起的拉力沿筋带呈现非线性分布，则取长为刃， 宽为b 的筋带，分析其局部平衡，可以得出筋带与土体之间摩阻力的传递为 d t ；t 1 一t 2 2 b n f d l ( 2 1 ) 式中：n 一垂直作用于筋带的法向力； 之间形 加筋砂 下就达 的强度 1 一极限平衡，2 _ 弹性平衡，3 一新的极限平衡，c _ “准黏聚力” 图2 2 加筋带砂土样与未加筋带砂土样的应力圆分析 f i g 2 2s t i f f e n e d w i t hs a n ds a m p l e sa n dn o ts t i f f e n e dw i t hs a n dk i n do fs t r e s sc i r c l ea n a l y s i s 试验中，保持盯，不变，假定f 值不变，对于加筋砂土样，由m o h r - c o u l o m b 准则得出新的极限平衡状态下数学表达式为： 口。= 仃3 。增2 ( 4 5 。+ j 1 驴) + 2 c 。留( 4 5 。+ j 1 妒) ( 2 2 ) 试验中，对于未加筋带砂土样，在极限平衡状态下，则有： 加筋十桥台的受力与变形的数值模拟分析 比较两式得到： 吼= ( + 培2 ( 4 5 。+ 三驴) a a 3 , k p c = 一 2 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 其中k p = t g ( 4 5 。+ 二 砂土本身是没有黏聚力的，但在加筋后，形成的这种复合材料具有了某种黏 聚力。试验中，土样受到的侧压力是仃，而实际上受到的侧压力为0 3 + a c r 3 ，a c t ， 正是由于加筋后出现的。在这里用c 来代替，我们将此称为“准粘聚力”， 这个理论为“准粘聚力原理”。 2 3 其他理论 在其他的加筋土理论【1 9 】中，还有均质等代材料原理【，1 】和弹塑性层板理论f 1 】被一 些学者所认同，应用于加筋土技术的研究及设计计算中。 均质等代材料原理认为加筋土是由填料土与加筋材料层层交替铺设而成的复 合体，每一层加筋材料和每一层填土形成一个单元层，每层相互平行且间距相等， 因此，可将加筋体看成为交替j 下交层系。加筋体由很多的单元层组成，加筋体的 厚度( 即正交层系) 与单元层相比要厚得多。假定各单元层的分层界面上无相对 位移，每一层中三个均质材料的平面垂直于一个直角坐标轴，而且层面必须平行 于一个弹性对称面，那么这种交替正交层系可以用等代均质材料的理论来分析， 以研究加筋土在工作荷载作用下的性状。 弹塑性层板理论认为加筋体是填土与加筋材料层层铺设而成，把每一层加筋 材料和填土看成为一个“层板单元 ，整个加筋体就是由粘结在一起的层板单元 的有限层组成。假定每一层单元具有唯一的确定的材料性质，则可用增量分析法 计算层板单元在弹塑性状态下的位移和应力，从而对加筋体的应力一应变特性进 行分析。弹性层板理论计算一般采用有限元法进行计算，关键是要选择并确定层 板单元的弹塑性模型和相应的屈服准则。 加筋体结构的加筋原理 2 4 小结 在加筋土的众多原理中，准黏聚力原理的理论研究比较深入，对于土体加筋 后所增加的所谓“准黏聚力c ”是一个抽象模糊概念，“准黏聚力c ”的真实含义 及形成机理仍需进一步研究。均质等代材料原理和弹塑性层板理论是一个简化原 理，前者忽略了土体与筋材之间的材料性质差别和筋一土界面的作用；后者简单的 将两种材料看成层合板来处理，太过于理想化，计算出的结构力学和位移模型与 实际偏差较大，当然，这两种理论计算方法简单。 摩擦加筋原理被广泛认同，考虑了土体及筋材各自的材料工程性能和差异性， 重视材料界面的处理和研究，原理的基础理论简单明了。本文在接下工作中将以 摩擦加筋原理作为理论基础来进行加筋土桥台的数值模拟研究。 图2 3 面板与筋带的连接 f i g 2 3p a n e la n dt h er e i n f o r c e db e l tc o n n e c t i o n s 加筋土桥台的受力与变形的数值模拟分析 第3 章加筋土桥台的材料试验及计算问题 3 1 加筋土桥台的结构破坏形式和稳定性要求 加筋土的结构破坏形式主要有以下三种： 因筋带强度不够造成筋带的断裂； 因筋土界面之间的结合力不够造成筋土界面错动或分离导致加筋体结构 断裂； 外部不稳定因素造成的破坏。 针对以上主要的破坏形式，保证加筋土的结构安全性，在设计时，需要进行 内部稳定性计算和外部稳定性计算。根据内部计算和外部计算的不同，车辆荷载 换算为等代均布土层厚度的计算结果也有所不同。 3 2 拉筋带似摩擦系数试验研究数据 本论文的研究对象拉筋采用永固牌钢塑复合拉筋带1 2 9 i ( c a t 3 0 0 2 0 c ) 。其主要 物理力学指标见表3 1 。 表3 1 试验拉筋带的物理力学指标 t a b 3 1t e s tt e n s i ls i n e wb e l to ft h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a li n d e x e s 3 2 1 试验填料 选取标准砂和有一定级配的砂卵石两种填料。标准砂、砂卵石的物理指标及 砂卵石的颗分情况见表3 2 和表3 3 。 加筋土桥台的材料试验及计算问题 表3 2 试验填料的物理性质指标 t a b 3 2t e s t st h ep h y s i c a lp r o p e r t i e so ff i l l e ri n d i c a t o r s 标准砂砂卵石 粒径( r a m )密度( g c m 3 )最佳含水量( ) 最大干密度( g c m z ) 湿密度( g c m 3 ) o 6 31 4 34 52 1 82 2 8 表3 3 砂卵石颗粒分布 t a b 3 3s a n d yp e b b l ep a r t i c l ed i s t r i b u t i o n 6 06 0 , - - 一4 04 0 2 02 0 - - 1 01 0 55 - 22 0 5 h 时，取 h 1 = h ： h _ 一加筋体高度； m 一加筋体顶面填土的边坡的坡率； 蛐坡坡脚至面板的水平距离； h 加筋体以上的路堤的高度。 3 、土压力系数计算： 土压力系数： k l i 吩( 1 一争+ k 詈 ( 磊= 6 m ) ( 3 3 ) k a k( 乙 6 m ) ( 3 4 ) 式中：乞一第f 层筋带结点至加筋体顶面的垂直距离； k 加筋体内深度弓处土压力系数； 加筋十桥台的材料试验及计算问题 一主动土压力系数； k j 一静止土压力系数； 其余符号意义同前。 4 、乞层深处，作用于墙面板的水平土压应力x o r e i ： 2 4 吒+ 吒j + + ( 3 5 ) 式中：仃矗_ 力口筋土填料作用于深度z j 处墙面板的水平土压应力( 胁) ； 仃。；一车辆附加荷载作用于深度乞处墙面板的水平土压应力( 砒) ， = k o l i ，o r 疗为车辆附加荷载产生的竖直压应力； o b i 一加筋体顶面以上填土重力换算均布土厚所引起的深度乙处墙 面板的水平土压应力( 砒) ，一k ) ，q ； o r 旅一搭板及沥青路面荷载换算均命土厚所引起的深度z i 处墙面板 的土压应力( 舰) ，= k ，o r # 为搭板及沥青路面荷载产生的竖直压应力； 5 、单个筋带结点所受拉力计算见下式： 互= ( ) s = ( + 吒t + + ) 是s ( 3 6 ) 式中：单个筋带结点所受拉力计算见下式，具体数值见表3 6 ： 霉= ( ) & s 一( + + + ) & s ( 3 7 ) 式中：霉一乙层深度处的筋带所承受的水平拉力( 枷) ； 在乞层深度处，作用于面板的土压应力( 砒) ； 足一筋带结点水平间距( m ) ； s 一筋带结点垂直间距( m ) ； 其余符号意义同前。 加筋土桥台的受力与变形的数值模拟分析 表3 6 每个拉筋孔结点筋带拉力计算 t a b 3 6e a c ht e n s i ls i n e wh o l en o d e sw i t ht e n s i o nc a l c u l a t er e i n f o r c e m e n t 3 3 3 筋带数量( 宽度) 计算 筋带截面的抗拉强度应符合规范公式( 5 4 8 9 ) 的规定： 解os 1 0 0 0 y ，) ，且2 互。一1 z 1 7 ( 3 8 ) ( 3 9 ) 加筋土桥台的材料试验及计算问题 式中：r o 一乞层深度处的筋带所承受的水平拉力设计值( 州) ； a 一筋带截面的有效净截面积( m m 2 ) ； 无一筋带材料强度标准值( m p a ) ，按规范取用，对钢塑复合带取 其试验断裂拉力，本桥五= 2 0 0 ( m p a ) ； 一结构重要性系数，按规范取用，本例为二级公路，墙高 5 o m ， 故取) ，o = 1 o ； ，一筋带材料抗拉性能分项系数，各类筋带均取1 2 5 ； ：一拉筋材料抗拉计算调节系数，按规范取用，考虑到施工条件 及材料蠕变性能，本例取：= 2 0 ； 。一加筋体及墙顶填土主动土压力或附加荷载土压力的分项系数，按 规范取用，当计算筋带拉力，当拉力增大对结构起不利作用时，对荷载组 合i 、i i ，取1 = 1 4 。 由上式可得出如下公式： 彳)，。)，q。互三竖坚差卫，里=y。互里型堕学=125yoyq。互 ( 3 1 。) 每个结点处筋带总宽度具体数值见表3 7 。筋带厚度为2 0 r a m ，所以表3 7 中 筋带总宽度统一爿2 0 。 表3 7 每个结点筋带断面计算 t a b 3 7e a c hn o d ew i t hs e c t i o nc a l c u l a t er e i n f o r c e m e n t 3 3 4 筋带抗拔稳定计算 1 、由筋带拉力计算所得的筋带宽度饥来计算筋带抗拔力。单个筋带结点的抗 拔稳定性验算： ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) 式中：一永久荷载重力作用下，毛层深度处，筋带有效长度所提供的抗拔 力( 斛) ； 瓦一乙层深度处的筋带所承受的水平拉力设计值( 埘) ； 1 9 一 位 一 一 冁 一l 2 3 4 5 6 7 8 9 m n 一 筋 一 2 0 加筋土桥台的受力与变形的数值模拟分析 将表3 8 中第( 1 0 ) y t j 和第( 1 1 ) 歹t j 数值进行比较，若第( 1 1 ) 列数值 第( 1 0 ) 3 i t j 数值， 则满足要求，相反，不满足要求。从表中可以看出第1 5 层筋带的拉拔抗力值小 于拉力作用效应组合值，应增大筋带的总宽度，利用下列公式反求b i 。 利用下列公式反求b i ： ) ，。瓦：熟 y r l ( 3 1 4 ) 式中( r o t , o ) 为表3 8 中第( 1 0 ) 列的计算数值。 将表3 8 中第( 1 0 ) 列中第1 - 5 层数值代入上述公式，并分别采用各层的g 、k 值，且p - i 求得满足抗拔要求的魏，根据计算结果，再增加一定的保证系数，得出最 终采用根数，重新对各层筋带进行抗拉和抗拔稳定性验算，见表3 9 。 图3 4 填筑同填土 f i g 3 4f i l l i n gb a c k f i l ls o i l 加筋士桥台的材料试验及计算问题 表3 9 最终采用的筋带根数及筋带抗拉抗拔稳定检验 t a b 3 9f i n a l l ya d o p t e dw i t hr o o tn u m b e ra n dt h em u s c l e so ft e n s i l er e s i s t a n ts t e e lb e l tp u l l i n g s t a b i l i t yi n s p e c t i o n 数羹琏蒌最嚣_ 躲鬻 r 篙苫蓄萝一 篓根) 盎洒i ；燃嚣i ；纠。然p 册 ( 1 ) ( 2 ) - ( 1 ) 0 0 3 ( 3 ) 蕊訾( 6 ) 列 贼2 韵 ( 8 ) 列 10 0 2 7 50 9 2 40 1 22 1 7 1 9 2 02 1 79 4 8 2o 0 6 9 32 3 14 0 1 26 2 91 9 2 0 6 2 9 30 0 8 2 2 40 0 7 9 8 50 0 8 9 9 60 0 8 7 0 7 0 0 9 1 8 8 0 0 9 6 2 9 0 1 0 0 1 1 00 1 0 3 6 2 7 4 2 6 6 3 0 0 2 9 0 3 0 6 3 2 1 3 3 4 3 4 5 0 1 2 o 1 2 0 1 2 0 1 2 0