（道路与铁道工程专业论文）基于数值模拟软件的重力式挡墙抗震性能研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 地震作为一种突发式的自然灾害 不仅直接造成人民生命财产的巨大损失 而且伴 随或诱发许多地震地质灾害 而我国多山地 多地震的地理地质条件带来了大量和地震 作用有关的边坡支护问题 随着西部大开发战略的实施 更多的公路将在山区修建 穿越强震区和破裂带不可避免 公路工程支护结构的地震稳定性的研究尤为重要 地震效应对边 滑 坡的影响是一个复杂的动力过程 而现行的 公路工程抗震设计 规范 j t j 0 0 4 8 9 中 边 滑 坡支护的地震稳定性分析仍采用基于极限平衡理论的 拟静力法 严重影响了从定量角度进行地震灾势评估 从学科趋势来看 基于地震反 应分析的动力分析理论是发展的方向 但动一静力学两种设计方法在相当长一个时期 内会有一个协调过渡过程 仍处于需进一步探究的阶段 本文以汶川地震高烈度地震 区路段都汶路为实验线 运用有限元软件a n s y s 对沿线的重力式挡土墙支挡的路肩挡 墙支护进行自振频率分析 运用有限差分数值分析软件f l a c3 d 对重力式挡墙的四种 型式进行了抗震性能的对比研究 挡墙主要有三种破坏模式 挡土墙沿施工缝外倾错 位 挡土墙纵向水平方向鼓胀 开裂 通过理正岩土设计重力式挡土墙的四种形式 衡重式 墙背仰斜式 墙背俯斜式 墙背直立式 使其在静力作用下支挡效果一致 并且在震级7 度 8 度 9 度作用下都是稳定的 再通过f l a c 3 d 比较分析它们在不同 地震烈度作用下的动力响应 看哪一种墙背型式的抗震效果最好 此研究对设计工作 者在考虑地震作用时 选用较好抗震性能的挡墙形式具有重要的理论意义和实践意义 本文的研究内容和成果如下 1 运用基于a n s y s 的模态分析 对都汶路上的2 6 个路堑重力式挡土墙工点进行 了模态分析 得到它们的前三阶频率 及对应前三阶振型 发现前三阶振型恰恰与挡 土墙的三种破坏模式一致 即滑动破坏 倾覆破化 横向错位 由此可预测挡墙的破 坏频率 由于地震是低频的 以此优化挡土墙的频率 使其避开地震低频 2 随着挡墙高度的增高 模型的自振频率逐渐降低 阻尼比逐渐增大 这是动力 特性变化的基本规律 同时亦表明 自振频率作为衡量振动对模型影响的指标是比较 灵敏的 能充分反映模型微观特征的变化情况 3 由f l a c3 d 分析了重力式挡土墙的抗震性能 重力式挡土墙是最常用的挡土 墙 根据墙背型式的不同 又分为四种 但是设计者在设计时很少考虑到这四种墙型 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 i i m i m 一一 i e ii i i ii i 岂曼曼 曼苎曼曼曼曼曼皇蔓 曼 的抗震 i t 厶匕f 3 1 二 分析从5 方面进行了对比分析 地震作用后的剪切应变增量 即塑性应 变区 挡墙顶 挡墙底的x 残余位移 垂直于挡墙方向 挡墙顶部的残余应力 土 压力 挡墙顶的最大加速度 得出的结果恰恰与理正得出的结果一致 俯斜式挡土墙 的抗震性能最好 衡重式次之 直立式较之 仰斜式最差 以此建议在地震区挡墙设 计 俯斜式优先考虑 4 随着震级的增大 抗震性能的好坏也越来越明显 各比较量之间的差距也越来 越大 关键词 a n s y s f l a c 模态分析 抗震分析 重力式挡墙 西南交通大学硕士研究生学位论文 第t i 页 a b s t r a c t t h ee a r t h q u a k ea san a t u r a ld i s a s t e rs u d d e n l yh a p p e n sw h i c hm a yd og r e a th a r mt o h u m a nl i f ea n dp r o p e r t ya n dm a yc a u s em a n yg e o l o g i c a ld i s a s t e r sa n dt h e r e f o r et h es l o p e s u p p o r tr e l a t e dt oe a r t h q u a k e si sb r o u g h to u tb e c a u s eo fm a n ym o u n t a i n sa n df r e q u e n t e a r t h q u a k e si no u rc o u n t r y t h es t a b i l i t yo fs u p p o r t i n gs t r u c t u r e so f t h eh i g h w a ye n g i n e e r i n g u n d e re a r t h q u a k ei so fg r e a ts i g n i f i c a n c ew i t hm o r er o a d sb e i n gb u i l ti nm o u n t a i na r e a so r e v e ni nh i 曲l ys e i s m i cr e g i o n sa n df r a c t u r e dz o n e si fn e c e s s a r yw h e nt h es t r a t e g yo f d e v e l o p i n gt h ew e s ti si m p l e m e n t e d t h ei n f l u e n c eo ft h ee a r t h q u a k eo nt h es l o p e s l i d i n gs l o p e i sac o m p l i c a t e dd y n a m i c p r o c e s s a n dt h es t a b i l i t ya n a l y s i si s b a s e do nt h ep s e u d o s t a t i cm e t h o di nt h ee x i s t i n g s t a n d a r da s e i s m a t i cd e s i g no fr o a de n g i n e e r i n g j t j 0 0 4 8 9 w h i c hc a n t a s s e s st h e e a r t h q u a k et r e n dq u a n t i f i c a t i o n a l l y t h ed y n a m i ca n a l y s i s t h e o r yb a s e do ne a r t h q u a k e r e s p o n s e si st h et r e n do ft h i ss u b j e c t t h e r em a yb eat r a n s i t i o nb e t w e e nt h es t a t i ca n d d y n a m i cm e t h o d sw h i c hn e e d sf u r t h e rr e s e a r c h c o m b i n e dw i t ht h ed u j i a n g y a n w e n c h u a n r o a di nh i g h l ys e i s m i cr e g i o n so fw e n c h u a ne a r t h q u a k e t h i st h e s i sa n a l y z e st h en a t u r a l v i b r a t i o nf r e q u e n c i e so fs h o u l d e rs u p p o r t i n g so fg r a v i t yr e t a i n i n gw a l l sw i t ht h ef i n i t e e l e m e n ts o f t w a r ea n s y s t h ec o n t r a s t i v es t u d yo ns e i s m i cp e r f o r m a n c e so ff o u rt y p e so fg r a v i t yr e t a i n i n gw a l l s i sc o n d u c t e db yt h es o f t w a r ef l a cb a s e do nt h en u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o do fd y n a m i c f i n i t ed i f f e r e n c e t h e r ea r et h r e ef a i l u r em o d e so ft h er e t a i n i n gw a l l t h ew a l li sd e c l i n i n g o u t w a r d sa l o n gt h ec o n s t r u c t i o ni o i n t sa n dd i s l o c a t e d t h ew a l ls w e l l so u ta n dc r a c k si ni t s l o n g i t u d i n a ld i r e c t i o n f o u rt y p e so fg r a v i t yr e t a i n i n gw a l l sn a m e l yw e i g h i n gg r a v i t ym o d e a n dr e t a i n i n gw a l l sw i t hw a l lb a c ki n c l i n i n gu p w a r d s w a l lb a c ki n c l i n i n gd o w n w a r d sa n d s t r a i g h tw a l lb a c k a r ed e s i g n e db yl i z h e n gs o f t w a r ew h o s es u p p o r t i n ge f f e c t sa r et h es a m e u n d e rs t a t i cl o a d sa n da l la r es t a b l ei ne a r t h q u a k e sw i t ht h em a g n i t u d eo f7 8a n d9 t h e i r d y n a m i cr e s p o n s e si ne a r t h q u a k e sw i t hd i f f e r e n tm a g n i t u d e sa r ec o m p a r e da n da n a l y z e db y f l a ct od e c i d ew h i c ht y p ei st h eb e s ti ni t ss e i s m i ce f f e c t t h er e s e a r c hm a k e ss e n s eb o t hi n t h e o r i e sa n di np r a c t i c eb yd e s i g n e r st os e l e c tt h er i g h tt y p e so fr e t a i n i n gw a l l sw i t hb e t t e r s e i s m i cp e r f o r m a n c ew h e nc o n s i d e r i n gt h ee a r t h q u a k er e a c t i o n t h er e s e a r c hc o n t e n t sa n df i n d i n g sa r ea sf o l l o w s 西南交通大学硕士研究生学位论文第t i t 页 1 t h ef i r s tt h r e ef r e q u e n c i e sa n dt h e i rc o r r e s p o n d i n gv i b r a t i o ns h a p e sa r ed e r i v e db a s e d o nt h em o d a la n a l y s i so f2 0c u t t i n gg r a v i t yr e t a i n i n gw a l l so nd u j i a n g y a n w e n c h u a nr o a db y a n s y s i ti sf o u n dt h a tt h ef i r s tt h r e ef a i l u r ev i b r a t i o ns h a p e sa r ec o n s i s t e n tw i t ht h r e e f a i l u r em o d e so fr e t a i n i n gw a l l sn a m e l ys l i d i n gf a i l u r e o v e r t u r n i n gf a i l u r ea n dd i s l o c a t i o ni n t r a n s v e r s ed i r e c t i o n t h e nt h ef a i l u r ef r e q u e n c yo fr e t a i n i n gw a l l sc a l lb ef o r e c a s ta n d o p t i m i z e dt oa v o i dt h el o wf r e q u e n c ys i n c et h ee a r t h q u a k ef r e q u e n c yi sl o w 2 t h eb a s i cl a wo fd y n a m i cp r o p e r t i e si st h a tt h en a t u r a lv i b r a t i o nf r e q u e n c yo ft h e m o d e lr e d u c e sa n dt h ed a m p i n gr a t i oi n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo ft h er e t a i n i n gw a l lh e i g h t t h en a t u r a lv i b r a t i o nf r e q u e n c yi ss e n s i t i v ea saf a c t o ri n f l u e n c i n gt h em o d e lt h a tc a nf u l l y d i s c l o s et h ec h a n g eo ft h em o d e l sm i c r o s c o p i cf e a t u r e s 3 t h eg r a v i t yr e t a i n i n gw a l l sa r em o s t l yu s e dw a l l st h a tc a l lb ec l a s s i f i e di n t of o u r t y p e sa c c o r d i n gt ot h e i rw a l lb a c kf o r m s t h es e i s m i cp e r f o r m a n c eo ft h eg r a v i t yr e t a i n i n g w a l l s u s u a l l yn o tt a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o nb yd e s i g n e r s i sa n a l y z e db yf l a c3 d f i v e a s p e c t sa f t e rt h ee a r t h q u a k e t h es h e a rs t r a i ni n c r e m e n t t h ep l a s t i cs t r a i nz o n e t h ex d i s p l a c e m e n t so ft h ew a l lt o pa n db o s o m p e r p e n d i c u l a rt ot h er e t a i n i n gw a l ld i r e c t i o n t h e r e s i d u a ls t r e s so nt h et o po ft h ew a l l s o i ls t r e s s a n dt h em a x i m u ma c c e l e r a t i o no nt h eb a c k o ft h ew a l l a r ec o m p a r e da n da n a l y z e da n dt h ec o m p a r a t i o nr e s u l t sa g r e ew e l l 谢t hr e s u l t s d e r i v e df r o ml i z h e n gs o f t w a r ew h i c hi n d i c a t e st h a tt h es e i s m i cp e r f o r m a n c eo ft h er e t a i n i n g w a l lw i t ht h ew a l lb a c ki n c l i n i n gd o w n w a r d si st h eb e s t t h o s eo ft h ew e i g h i n gr e t a i n i n gw a l l t h er e t a i n i n gw a l lw i t has t r a i g h tw a l lb a c ka n d r e t a i n i n gw a l lw i t ht h ew a l lb a c ki n c l i n i n g u p w a r d sc o m e ss e c o n d t h i r da n dt h el a s t a sar e s u l t t h er e t a i n i n gw a l lw i t ht h ew a l lb a c k i n c l i n i n gd o w n w a r d si s a d v i s e dt ob es e l e c t e da sap r i o r i t yi n r e t a i n i n gw a l ld e s i g n si n e a r t h q u a k ea r e a s 4 t h es e i s m i cp e r f o r m a n c eo ft h er e t a i n i n gw a l l c h a n g e so b v i o u s l ya n dt h e c o m p a r a t i v ef a c t o r sd i f f e rm o r ea st h ei n c r e a s eo ft h ee a r t h q u a k em a g n i t u d e k e y w o r d s a n s y s f l a c m o d a la n a l y s i s s e i s m i ca n a l y s i s g r a v i t yr e t a i n i n gw a l l 西南交通大学凹南父逋大字 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 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用 影印 缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文 本学位论文属于 1 保密口 在年解密后适用本授权书 2 不保密影使用本授权书 请在以上方框内打 v 学位论文作者签名 鲡 指导老师签名 同期 2 0 o f i 窟 同期 如l o f i 一 西南交通大学硕士学位论文主要工作 贡献 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下 本文利用大型通用软件a n s y s 研究了都汶路上路堑式重力挡墙的自振频率及 相应振型 得出了振型与挡墙在地震作用下破坏模式一致 利用f l a c3 d 分析了重 力式挡墙的四种形式 根据墙背形式的不同 仰斜式 俯斜式 直立式 衡重式 在地震作用下的抗震性能 得出俯斜式挡土墙的抗震性能最好 衡重式次之 直立式 较之 仰斜式最差 以此建议在地震区挡墙设计 俯斜式优先考虑 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 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 写过的研究成果 对本文的研究做出贡献的个人和集体 均已在文中作了明确说明 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担 学位论文作者签名 日期 2 o f o 亨 f 孑 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 1 1 研究背景及问题的提出 第1 章绪论 我国是一个多山的国家 山地面积约占国土面积的2 3 这就从客观上决定了我国 有大量的自然边坡 我国正处于快速发展时期 大量的水电枢纽公路 铁路及矿山等 工程的建设会出现很多边坡支护问题 同时 我国地处世界上两条最活跃的地震带之 间 东有太平洋地震带 西有喜马拉雅山 地中海地震带 1 1 我国强震分布广 2 11 3 1 破坏性地震几乎遍布各省 其中西部地区地震活动强 频度耐1 1 近年来的地震活动 表明我国地震活动正趋于活跃 再加上对边坡地震动力特性分析研究还不深入 没有 比较成熟可靠的分析方法与标准可遵循 这一点从抗震规范 4 1 5 i 的有关条文能够体现出 来 地震边坡所引起的灾害的严重性与独特的自然地理环境密切相关 更与人类的经 济发展与分布状态 工程布局密切相关 从汶川5 1 2 地震我们看到地震破坏了原来的 稳定边坡 所以在地震作用下对边坡的稳定性进行正确评价并进行综合治理就显得十 分重要 迄今为止 关于地震作用下边坡失稳机制 边坡失稳位置 稳定性分析方法 以及模型试验的研究均有开展 但由于问题本身的复杂性 这方面课题的研究仍处于 起步阶段 理论还很不成熟 仍有诸多问题需要解决 路基支挡工程的地震荷载计算的核心问题是确定地震作用的强度及其空间分布 反映在动土压力 动下滑力 大小与沿支挡结构高度向的分布形式 目前 地震作用 下滑坡推力和挡土墙压力仍以拟静力法为基础进行计算 并且只考虑水平地震作用力 不考虑垂直地震作用力 水平地震力通过水平地震系数进行计算 滑坡推力按现行 铁 路工程抗震设计规范 推荐的拟静力法计算 结果将显著增加 初步计算表明 同一 滑坡在同样安全系数条件下 地震作用下的滑坡推力将比非地震作用大2 至1 0 倍 水 平地震系数是基于国内外挡土墙和土坝的震害经验和少量物理试验确定的 国内试验 依据主要是1 9 8 0 年四川省建筑科学研究所完成的模拟地震作用试验 此外 近年来借 助波动有限元方法 采用线弹性 弹塑性 粘弹性本构模型模拟计算地震反应 对挡 土结构水平地震作用沿墙高分布也有研究 但受算法及所采用的岩土体与支挡结构的 本构模型等因素限制 所建议的分布系数是否安全合理 还值得进一步推敲 相应设 计理论还需完善 特别是汶川地震前 按现有设计理论建造的工程尚未经历过地震实 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 践的检验 现在国内关于挡土结构土压力及分布图示的研究基本属于空白 尤其缺乏 汶川5 1 2 地震实际震害这样原型材料的支撑 开展该项技术的研究 可以为实现 以防 为主 适度抗震 的设计理念提供必要的技术支持 提高道路工程在地震作用下的安全 性 以合理的投入保证道路的畅通和安全 研究具有重要的现实意义 利用汶川大地 震这一特殊条件 推动高烈度地震区高边坡工程抗震技术的发展 课题研究亦具有重 要的意义 山区公路边坡地质灾害给国家造成了巨大的经济损失 鉴于此 本文拟从山区公 路重力式挡墙支护出发 探讨其成因 力学机理 并进行稳定性评价 在此基础上 结合目前广泛使用的有限元方法a n s y s 及有限差分法f l a c3 d 对比分析重力式挡 墙不同墙背型式的抗震性能 为山区公路边坡防治提供一种可行的方法 以充分利用 有限的公路建设资金 加快西部的公路建设和确保山区公路的安全运营 所以选择山 区公路边坡支护研究及有限元模拟使得课题具有重要的意义 1 2 国内外研究概况及发展趋势 地震导致的边坡破坏因其巨大的致灾力而广泛引起人们的关注 仅2 0 世纪 地震 滑坡已经造成了数万人丧生和几十亿美元的损失 强烈地震时 地震诱发稳定边坡破坏 害 特别是在山岳地区 其危害比地震直接造成的还要大 6 近年来岩土边坡地震崩滑问 题引起了专家和学者的高度重视 进行深入研究己取得了可喜的成果 1 2 1 边坡稳定性分析方法 一 极限平衡方法1 5 i 极限平衡法的基本思路是 假定岩土体是刚体 其破坏是由于滑体内滑动面上发 生滑动而造成的 滑动面上岩土体服从破坏条件 假设滑动面已知 形状可以为平面 圆弧面 对数螺旋面或其他不规则曲面 通过考虑由滑动面形成的隔离体的静力平衡 确定这一滑动面发生滑动时的破坏荷载 常见方法有 瑞典圆弧条分法 简化毕肖普 法 简布法 萨尔玛法 斯宾塞法以及摩根斯坦一普赖斯法 表1 1 极限平衡方法 方法优缺点 瑞典圆弧这一方法用于岩质边坡稳定性分析 只有在均质各向同性的岩体及破碎或松散岩体 条分法中才有某种近似的意义 因为岩质边坡破坏一般均为非圆弧形滑动面 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 曼皇曼曼曼曼曼曼 曼曼曼曼鼍曼 曼曼皇曼i i i i i ii ii i i l 一 一一i i 曼曼曼曼曼曼曼鼍 将圆弧滑动体分为若干等宽垂直条块 分别求其自重并将重力分解成与滑动面相切 简化毕肖 和正交的两个分力 并以圆弧的圆心为力矩中心 求该圆弧的安全系数 这种方法比瑞 普法 典圆弧法进了一步 但与岩质边坡破坏仍有很大的区别 它具有的优点是可以用于各种形状滑动面的边坡稳定分析 可根据岩体实际存在的 断层 节理和层面等结构面划分为条块 使计算比较接近实际 萨尔玛法比较简单适用 萨尔玛法 可以对影响边坡稳定性的各种因素进行敏感度分析 对边坡岩体破坏 滑坡 进行反分 析 求滑动面的抗剪强度参数 计算滑坡推力 为抗滑桩设计提供依据 假定条块之间的作用力与水平线成p 角 p 角及边坡稳定性安全系数f 由条块的 斯宾塞法 力矩和力的平衡条件确定 该方法满足力矩与力的平衡条件 但假定条块之间的作用力 方向相同 摩根斯坦 假定两相邻条块法向条间力和切向条间力之间存在一个对一水平方向坐标的函数 一普赖斯关系 实际上是假定条块之间的作用力方向随水平坐标变化 变化的函数关系人为地确 法 定 然后由力矩和力的平衡确定潜在滑移面上的法向应力及边坡稳定性安全系数 显然 上述各种极限平衡分析方法均有一定的适用范围及局限性 二 数值分析方法1 5 l 由于经典力学对解析解的设定非常严格 使其用于岩体工程的求解极为有限 也 为数值解研究岩体工程问题开拓了广阔的空间 数值方法可以把力学中的微分方程或 积分方程或多未知量问题化归为大型线性方程组去求解 而计算技术的发展 使长期 困扰工程力学 回避求解大型方程组的问题得到解决 这是历史性的大变革 目前 在岩体工程课题中 计算技术日新月异且方兴未艾 这些技术与方法的发展 为研究 岩体工程问题提供了强有力的工具 表1 1 极限平衡方法 方法优缺点 优点是部分地考虑了边坡岩体的非均质和不连续性 可以给出岩体的应力 应变大 有限元 小和分布 避免了极限平衡分析法中将滑体视为刚体而过于简化的缺点 可近似地根据 方法应力 应变规律去分析边坡的变形破坏机制 但它还不能很好地求解大变形和位移不连 续问题 对于无限域 应力集中等问题的求解还不理想 边界元法将单元布置于边界 所以有降维的作用 即二维问题可用一维的单元 三 边界元 维的问题用二维的单元 因此数据的准备工作量小 求解的方程组少 计算效率高 边 法 界元法很适用于求解岩石力学中经常遇到的无限域和半无限域的问题 8 离散元 离散单元法的一个突出功能是它在反映岩块之间接触面的滑移 分离与倾翻等大位 法 移的同时 又能计算岩块内部的变形与应力分布 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 由石根华与g o o d m a n 提出的块体系统不连续变形分 d i s c o n t i n u o u sd e f o r m a t i o n a n a l y s i s 是基于岩体介质 非连续性发展起来的一种崭新的数值分析方法1 1 2 1 节理面切 割岩体形成不同的块体单元 单个块体内部满足连续介质的变形协调方程和本构关系 d d a 方 但块体间不满足变形协调关系 块体间的本构关系是通过假定刚度来实现 d d a 中的 法 本构关系为块体所受的合外力与块体位移之间的关系 d d a 法是兼具有限元与离散元 法二者之部分优点的一种数值方法 其一个时步内的求解过程更像有限元法 而在块体 运动学求解方面更类似于离散元法 为了克服有限兀等方法不能求解人变形问题的缺陷 人们根据有限差分法的原理 拉格朗 提出了f l a c f a s tl a g r a n g i o na n a l y s i so f c o n t i n u e 数值分析方法 该方法较有限元法能 更好地考虑岩土体的不连续和大变形特性 求解速度较快 其缺点是计算边界 单元网 日法 格的划分带有很大的随意性 它已有不少商用程序 它无需建立刚性矩阵 所需内存少 时间少 但也有不足之处 1 3 l 石根华通过研冗d d a 与有限兀的数学基础 于1 9 9 5 年提出了d d a 与有限兀法的 统一形式 数值流形方法n m m n u m e r i e a lm a n i f o l dm e t h o d n m m 以流形分析中的有 数值流 限覆盖技术为基础 使得连续体 非连续体的整体平衡方程都可以上月统一的形式来表 行与无 达 1 4 无单元法可看作是有限元法的推广 它采用了一种特殊的形函数及位移插值函数 单元方 能够反映在无穷远处的边界条件 近年来己比较广泛地应用于非线性问题 动力问题和 法 不连续问题的求解 其优点是有效地解决了有限元方法的 边界效应 及人为确定边界的 缺点 在动力问题中尤为突出 显著地减小了求解规模 提高了求解精度和计算效率 文献 1 5 1 提出了基于累积单元变形于界面的界面应力元模型 建立了适用于分析不连 界面元续 非均匀 各向异性和各类非线性问题 场问题 以及能够完全模拟各类锚件复杂空 方法间布局和开挖扰动的界面元理论和方法 为复杂岩体的仿真计算提供了一种新的有效方 法 运动单元法由p e t e rg u s s m a n n 教授在8 0 年代创立 l6 1 这种塑性极限数值分析方法 主要针对莫尔一库仑类岩士介质 运动单元法认为 对于所有假设的塑性滑动区和最危 运动单 险滑动面 真正的最危险塑性区和滑动面对应的安全系数最小 因此 对于给定的边坡 元法 问题 运动单元法在经验的基础上首先假设一满足莫尔一库仑准则的塑性区并得到相应 的最危险滑动面 在该塑性区内引出有限组塑性滑移线 平面问题 或塑性滑移面 空间问 题 这些滑移线 面 将塑性区离散为单元 即运动单元 然后通过严格的自动搜索过程 找到满足约束方程和边界条件的最小安全系数并确定塑性滑动区和最危险滑动面 1 7 1 1 1 8 1 2 2 地震边坡稳定性分析方法 1 地震边坡稳定分析方法 1 9 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 地震边坡稳定是土工和地球环境工程中十分关心的问题之一 其主要研究内容有 地震力如何作用于边坡 即地震力的计算 边坡发生失稳的位置 即边坡破坏面的位 置及形状 地震作用下边坡是否会失稳 即判断失稳的可能性 边坡失稳的结果 即 永久变形或永久位移的计算 在这几个问题中 地震力的考虑和破坏面的位置和形状 确定是研究其他问题的前提 边坡失稳判断和永久位移的计算是重点研究的内容 地 震对边坡的作用表现为 地震力引起的惯性力和因循环退化引起的抗剪能力降低 因 此将地震边坡失稳分为 惯性失稳 i n e r t i a li n s t a b i l i t y 和衰减失稳 w e a k e n i n gi n s t a b i l i t y 目前地震边坡稳定性分析方法主要基于极限平衡理论和应力一应变分析 惯性失 稳常采用的分析方法有 拟静力法 n e w m a r k 滑块分析法 m a k d i s r s e e d 法及有限元方 法 而衰减失稳常采用 流动破坏分析法和变形破坏分析法 地震动力分析时 抗剪 强度系数值应该折减 地震边坡稳定应力一应变分析常采用动力有限元法 对地震作 用下有限元网格中各单元永久应变进行的积分得到边坡的永久位移 根据各单元的永 久应变计算方法的不同有 应变趋势法 刚度折减法 考虑土体非线性非弹性应力一 应变特性的非线性方法 近年来 计算地震永久变形和稳定安全系数的随机分析方法又逐渐发展起来 通 常可将输入地震动荷载视为平稳过程 在坝体随机动力分析的基础上 计算地震永久 变形或稳定安全系数的大小 由于随机动力反应分析得到的只是目标量的平均幅值与 平均最大值的大小 而方向是不确定的 如利用随机分析方法计算稳定安全系数时 只能得到动应力的平均幅值与平均最大值的大小 不能简单地迭加上随机动应力进行 最危险滑裂面的搜索 而是在每一个计算点考虑3 个动应力的随机组合 然而 最不 利组合时的动应力能否代表实际边坡在地震作用下破坏的真实动应力方向是一个要考 虑的问题 在动力分析中 振型迭加法以其简单明了且计算时间短 特别适合于动载 作用时间较长的情形等优点而被广大分析人员应用 然而迭加原理的应用却限制了它 只能应用于各种线性问题的求解 而逐步积分法能方便地分析非线性动力问题是其最 大优点 具有高效计算效率的波动解法理论正在逐步发展 这或许是土石坝地震稳定 性分析方法的发展趋势 2 地震永久变形和稳定安全系数 2 0 1 地震永久变形和稳定安全系数是评价地震作用下的边坡稳定性的两个主要指标 6 1 1 9 6 5 年n e w m a r k 提出以土坝为刚塑性体的假定提出地震引起永久变形的计算方法 1 9 7 8 年 m k a d s i i f i 和s e e d h b 在n e w m a r k 方法为基础考虑土的弹塑性提出了改进方 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 曼曼曼曼蔓曼皇蔓曼曼蔓曼曼曼舅舅l i 笪 h io m 曼曼 曼曼曼曼曼曼曼 曼 舅 法 这个方法假定土坝受水平地震作用时圆弧面滑体朝水平方向移动 土料在屈服应 力水平以下发生弹性变形 地震时不会产生永久变形 土料超过屈服应力水平 发生 塑性变形 成为永久变性 另外一些学者 如u g h c i 和m t n a 均根据坝体动力分析中求 得的剪应变或剪应变势 转化为静力按平衡原理求得与这个力系相适应的坝体永久变 形 用土石坝坝体地震永久变形来评价其地震安全性 显然要比单靠一个极限平衡的 安全系数合理 但是 由于还缺少实际工程的抗震经验 对变形的安全范围尚不能定 出规范性的限度 地震作用下的边坡稳定安全系数的计算方法有很多种 长期以来 人们习惯将地 震引起的惯性力等效于静力荷载作用于堤坝的土条上 以计算抗震稳定安全系数 即 拟静力法 拟静力法虽然简单实用 但过于粗糙 为了寻求地震过程中真正影响坝体 边坡稳定的因素 如应力 应变 孔隙压力和加速度等 己逐渐使用动力分析法 如最 初的动力分析方法有剪切片法 它采用了种种假设 计算较为简单 但只能反映坝体 各水平截面上的平均地震反应 为了了解坝体内不同点处的动力反应 一些学者将有 限元法引入坝体二维平面应变分析 发展成各种非线性及弹塑性分析方法对坝体进行 地震反应分析 基于有限单元法的动力分析的直接结果是求得坝体和地基土层中地基 反应 包括反应加速度 动剪应力和剪应变 由于动剪应力随震动时间而不同 坝坡 的动力抗滑稳定安全系数也是时间的函数 在冲击荷载作用下 边坡在瞬间进入失稳 状态并不一定使边坡彻底破坏 因此 选用整个地震历时中的最小安全系数评价边坡 的地震稳定性并不恰当 图1 1 地震边坡稳定分析流程图 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 3 当前研究主要存在的问题 边坡稳定问题主要分为两类 一类是静力问题 另一类是动力问题 针对前者 目前无论是从研究方法还是研究手段上均趋于成熟 而对于后者这样一个涉及多学科 交叉的问题 由于其同时涉及地震学 地球物理学 地震工程学等学科的内容 目前 的研究还很不成熟 2 归纳起来 当前对于边坡动力问题的研究主要存在以下几方面不 足 1 边坡变形计算与边坡稳定性评价有机结合的问题 虽然现有多种方法均可计算边坡在地震作用下的变形或安全系数 但没有一种方 法能将二者有机结合起来 从边坡破坏的过程探来讨边坡的稳定性 2 边坡的动力时程分析问题 现有的分析方法大多将地震作用进行简化再将其作用于边坡 应开展真正的动力 时程分析 揭示边坡在地震作用下破坏的本质 3 本构关系问题 岩土体动力本构模型的研究有待深入 由于岩土体在地震力的作用下所表现出的 应力应变关系与静力作用完全不同 因此建立准确的岩土体动力本构关系模型 无论 对理论分析还是工程实践均具有重要的意义 1 4 本文的主要研究内容及技术路线 地震作用下边坡稳定性是土工和地球环境工程中十分关心的问题之一 其主要研 究方向应有 地震作用如何作用于边坡 以及边坡的动力响应 边坡发生失稳的位置 即边坡破坏面的位置及形状 地震作用下边坡是如何破坏的 即边坡失稳机制研究 地震作用下边坡是否会失稳 即边坡稳定性评价方法研究 边坡失稳的结果 即永久 变形或永久位移的计算 在这几个问题中 边坡失稳机制的研究是核心 边坡稳定性 评价是研究的重点和目标 所以地震作用下边坡稳定性研究的根本是对边坡在地震作 用下破坏过程的研究 本文的主要研究内容主要有 l 探讨了边坡支挡结构的动力特性 基于a n s y s 软件进行模态分析 得到支挡 结构的固有振动特性 即固有频率 阻尼比和模态振型 为动力计算打下了基础 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 鼍鼍i i m mm mmm 曼曼曼曼 曼 曼 2 探讨了适合边坡数值分析的本构模型 基于a n s y s f l a c3 d 数值模拟的边 界条件 网格划分 模型范围取定等问题 3 将数值模拟与模型试验相对比 探索了用大型通用软件f l a c3 d 研究边坡地 震动力特性和地震动力反应性状的方法和技术 证明了f l a c3 d 的可行性 4 用f l a c3 d 进行数值模拟 对比分析了重力式挡土墙四种墙背形式的抗震效 果 1 5 研究方法 采用理论分析 模型试验验证和数值模拟相结合的方法 通过理论研究和试验情 况 研究边坡动力分析理论和分析方法 完善现有数值模拟方法 用验证可行的数值 模拟方法进行衡重式挡土墙 仰斜式重力挡墙 俯斜式重力挡墙 直立式重力挡墙的 对比分析 分析地震作用下重力式挡墙支护边坡的的动力特性 动力响应和稳定性 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 1 序言 第2 章数值模拟软件a n s y s 与f l n 3 3 d 现在对模型的分析主要方法有 理论力学分析 物理试验 数值模拟 由于经典力学对解析解的设定非常严格 使其用于岩体工程的求解极为有限 也 为数值解研究岩体工程问题开拓了广阔的空间 数值方法可以把力学中的微分方程或 积分方程或多未知量问题化归为大型线性方程组去求解 而计算技术的发展 使长期 困扰工程力学 回避求解大型方程组的问题得到解决 这是历史性的大变革 目前 在岩体工程课题中 计算技术日新月异且方兴未艾 这些技术与方法的发展 为研究 岩体工程问题提供了强有力的工具 而模型试验的缺点是费用高 试验时间长 试验组数有限 适用于简单边界条件 且边界 荷载及土性条件改变很麻烦甚至无法实现 而数值分析提供了廉价的费用 快捷的时间 灵活的边界及土性条件变化形式 因此 采用模型试验结果与数值分析 结果相校正 确定数值分析的参数取值 可以在模型试验不能涉及的情况下加以更加 丰富的分析 随着科学技术的发展 一系列的数值模拟技术得到快速发展 其中比较大型的通 用数值模拟软件就有a n s y s f l a c 3 d a n s y s 是一个结构分析软件 而f l a c3 d 是一个分析岩土体的软件 由于本文探讨的是重力式挡墙支护边坡的模型 所以既有 结构 也有土体 有必要分析探讨哪个软件更适合本文的结构模型 2 2a n s y s 软件简介及工程分析 2 2 1a n s y s 软件简介1 2 l l l 2 2 1 a n s y s 软件是融结构 热 流体 电磁 声学于一体的大型通用有限元软件 广 泛应用于核工业 铁道 石油化工 航空航天 机械制造 能源 汽车交通 国防军 工 电子 土木工程 生物医学 水利 日用家电等一般工业及科学研究 3 0 3 4 1 该软 件提供了不断改进的功能清单 具体包括 结构高度非线性分析 电磁分析 计算流 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 体力学分析 设计优化 接触分析 自适应网格划分及利用a n s y s 参数设计语言扩 展宏命令功能 a n s y s 软件含有多种有限元分析的能力 包括从简单线性静态分析到 复杂非线性动态分析 7 1 8 1 a n s y s 软件功能的强大与其有着很多的模块应用是分不开 的a n s y s 的模块化结构如图2 1 所示 在有限元的分析过程中 程序通常使用以下三个部分 前处理模块 p r e p 7 分 析求解模块 s o l u t i o n 和后处理模块 p o s t l 和p o s t 2 6 前处理模块为一个 强大的实体建模和网格划分的工具 通过这个模块用户可以建立自己想要的工程有限 元模型 分析求解模块即是对已建立好的模型在一定的荷载和边界条件下进行有限元 计算 求解平衡微分方程 包括结构分析 流体动力分析 声场分析 电磁场分析 压电分析和多物理场的耦合分析等