有限元强度折减法在岩土边坡上的应用.pdf

33 周材栋 周礼中 有限元强度折减法在岩土边坡上的应用 2算例一 一均质土边坡 其坡高 20 坡角 30 3 粘 聚力C 25kPa 土重度 20kN m 内摩 擦角 18 求边坡的稳定安全系数以及对应的临界滑动 面 采用ANSYS有限元分析软件 土体其本构模型为 理想弹塑性 采用非关联流动法则 有限元计算精度 分析边界范围的大小在有限元法中对计算结果的影响 比传统极限平衡法表现得更为敏感 根据计算经验 当坡角到左端边界的距离为坡高的1 5倍 坡顶到右端 边界的距离为坡高的2 5倍 且上下边界总高不低于 2倍坡高时 计算精度最为理想 模型底部固定 左 右两侧面水平约束 其网格划分如图1所示 当折减系数 1 575时 计算结果处于临界收敛 状态 当折减系数有微小的增加 计算就不收敛 从 图2 图3中可以看出 在临界状态时 此时的水平位 移由1 339cm突变到9 2037cm 方向向左 塑性应变由 33 2 974 10 突变到26 601 10 水平位移云图和塑性 应变云图 见图4和图5 从图中可以看出塑性剪 应变从坡角到坡顶贯通 标志着边坡发生破坏 对土体材料强度C 值进行折减 折减方法按 式 1 2 进行 然后重新进行计算 不断调 整折减系数进行试算 随着折减系数不断增大 水 平位移和塑性应变也随之不断增大 选取坡顶和坡 脚2个关键节点 在不同的折减系数下 边坡的水平 位移和最大塑性应变如表1所示 图2和图3分别为水 平位移 塑性应变与折减系数的关系图 因此 在外接圆D P准则下该边坡的安全系数 1 1 575 再利用公式 3 进行转换 得到在莫尔 库仑准则下的安全系数 1 258 而采用简化毕肖 2 普法计算出来的安全系数为1 267 两种方法计算出 的结果极其接近 误差小于1 表明这种方法可行 性好 具有很高的计算精度 图4水平位移云图 2 12cos j 0 22222 cos j w sin j sinj 12sin j 01000 3 w 2 图2水平位移与折减系数的关系图 0 00 5 00 10 00 15 00 20 00 25 00 30 00 折减系数 图3最大塑性应变与折减系数的关系图 10 00 9 00 8 00 7 00 6 00 5 00 4 00 3 00 2 00 1 00 0 00 1 001 101 201 301 401 501 551 561 571 575 折减系数 水 平 位 移 c m 水平最大位移 坡顶点水平位移 坡脚点水平位移 3 最 大 塑 性 应 变 1 0 1 001 101 201 301 401 501 551 561 571 575 有限元强度折减法在岩土边坡上的应用 周材栋周礼中 四川巴南高速公路有限责任公司成都610041 摘要 关键词 中图分类号 U416 1 4 文献标识码 B 采用ANSYS有限元分析软件 通过实际算例 对岩土边坡采用有限元强度折减法进行稳定 性分析 能得到较直观的位移云图和应变云图 以及计算出安全系数 据此 采用抗滑桩进行边坡加固能 显著提高边坡的稳定安全系数 收到较好的抗滑效果 边坡稳定分析 强度折减法 安全系数 抗滑桩加固 内摩擦角 2 0引 言 强度折减系数法的具体计算步骤为 粘聚力C和 随着我国经济建设的快速发展 特别是西部大 内摩擦角的正切值tan 同时除以一个折减系数 得 开发 大量的铁路 公路要穿越崇山峻岭 许多工 到一组新的C 和 值 然后将折减后的参数输 程都会涉及到边坡稳定性分析 入 进行有限元计算 不断的增大 值 直到寻求的 边坡稳定性分析方法经历了漫长的发展过程 折减系数 使得计算结果正好处于临界收敛状态 即 3 极限平衡法作为传统而古老的方法 在边坡稳 折减系数 若有微小的增加 10 计算结果就不 定分析中是一种很重要的方法 一直以来被工程界 收敛 此时的强度折减系数即为边坡的安全系数 广泛应用 它概念清晰 很容易被工程人员理解和 对于岩土工程 材料的破坏认为是由剪应力引 掌握 同时通过极限平衡法分析还能直接给出反映 起的剪切破坏 莫尔 库仑准则最为实用 而M C准 边坡稳定的安全系数值 但其不足之处是要进行大 则在三维主应力空间中为一不规则的六角锥形 在 量的试算 事先不知道滑动面的形状和位置 要多 平面上为一不等角等边六边形 而ANSYS软件默 次假定不同的滑动面进行计算其对应的安全系数 认的屈服准则是D P准则 其在 平面上为等边六边 值 因此给计算带来了很大的麻烦 随着计算机技 形的外接圆 于是与我们实际工程中基于莫尔 库仑 术的飞速发展 有限元在边坡领域的应用也越来越 准则之间有个转化关系 根据我国学者赵尚毅 郑 2 广泛 其优点是能充分考虑岩土体的非均质以及边 颖人 等人提出的公式 界条件的复杂性 因而能较好地模拟边坡的真实情 况 特别是对精度要求较高和地质情况较为复杂 1 时 有限元方法更体现了其优越性 非关联流动法则 3 j为材料的初始内摩擦角 1强度折减法 w为在外接圆D P准则 非关联流动法则 1 有限元强度折减法进行边坡稳定分析是采用不 下的安全系数 断降低岩土体强度 使边坡达到极限破坏状态 从 就可以把在外接圆D P准则条件下的安全系数转 而直接求出滑动面位置和安全系数 采用强度折减 化为莫尔 库仑准则下的安全系数 转化后的安全系 系数法求边坡的安全系数时 首先选取初始折减系 数与传统极限平衡条分法中的简易毕肖普法接近 数 折减后的土体强度参数分别为 满足工程中的精度要求 可以直接应用到实际工程 粘聚力 1 项目中 0 c c w j j tan tan 2011年第1期西南公路XINANGONGLU 表1强度折减系数与位移和应变关系 强度折 减系数 水平最大 位移 cm 坡顶点水平 位移 cm 坡脚点水平 位移 cm 最大塑性 3 应变 10 1 00 1 10 1 20 0 2082 0 2206 0 2583 0 0235 0 0247 0 0305 0 1460 0 1520 0 1756 0 0228 0 0621 0 1190 1 30 0 3058 0 0507 0 19760 2180 1 40 1 50 1 55 1 56 1 57 5 5 0 3716 0 5502 0 7346 0 8601 1 3390 3 0 0982 0 1933 0 2828 0 3484 0 6141 56 0 2340 0 2892 0 3300 0 3507 0 4193 5 0 3900 0 7340 1 1810 1 5300 2 9740 6 6 图5塑性应变云图 图1有限元模型 89 w1 7 9 20 7 18 4 1 0442 010 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 33 周材栋 周礼中 有限元强度折减法在岩土边坡上的应用 2算例一 一均质土边坡 其坡高 20 坡角 30 3 粘 聚力C 25kPa 土重度 20kN m 内摩 擦角 18 求边坡的稳定安全系数以及对应的临界滑动 面 采用ANSYS有限元分析软件 土体其本构模型为 理想弹塑性 采用非关联流动法则 有限元计算精度 分析边界范围的大小在有限元法中对计算结果的影响 比传统极限平衡法表现得更为敏感 根据计算经验 当坡角到左端边界的距离为坡高的1 5倍 坡顶到右端 边界的距离为坡高的2 5倍 且上下边界总高不低于 2倍坡高时 计算精度最为理想 模型底部固定 左 右两侧面水平约束 其网格划分如图1所示 当折减系数 1 575时 计算结果处于临界收敛 状态 当折减系数有微小的增加 计算就不收敛 从 图2 图3中可以看出 在临界状态时 此时的水平位 移由1 339cm突变到9 2037cm 方向向左 塑性应变由 33 2 974 10 突变到26 601 10 水平位移云图和塑性 应变云图 见图4和图5 从图中可以看出塑性剪 应变从坡角到坡顶贯通 标志着边坡发生破坏 对土体材料强度C 值进行折减 折减方法按 式 1 2 进行 然后重新进行计算 不断调 整折减系数进行试算 随着折减系数不断增大 水 平位移和塑性应变也随之不断增大 选取坡顶和坡 脚2个关键节点 在不同的折减系数下 边坡的水平 位移和最大塑性应变如表1所示 图2和图3分别为水 平位移 塑性应变与折减系数的关系图 因此 在外接圆D P准则下该边坡的安全系数 1 1 575 再利用公式 3 进行转换 得到在莫尔 库仑准则下的安全系数 1 258 而采用简化毕肖 2 普法计算出来的安全系数为1 267 两种方法计算出 的结果极其接近 误差小于1 表明这种方法可行 性好 具有很高的计算精度 图4水平位移云图 2 12cos j 0 22222 cos j w sin j sinj 12sin j 01000 3 w 2 图2水平位移与折减系数的关系图 0 00 5 00 10 00 15 00 20 00 25 00 30 00 折减系数 图3最大塑性应变与折减系数的关系图 10 00 9 00 8 00 7 00 6 00 5 00 4 00 3 00 2 00 1 00 0 00 1 001 101 201 301 401 501 551 561 571 575 折减系数 水 平 位 移 c m 水平最大位移 坡顶点水平位移 坡脚点水平位移 3 最 大 塑 性 应 变 1 0 1 001 101 201 301 401 501 551 561 571 575 有限元强度折减法在岩土边坡上的应用 周材栋周礼中 四川巴南高速公路有限责任公司成都610041 摘要 关键词 中图分类号 U416 1 4 文献标识码 B 采用ANSYS有限元分析软件 通过实际算例 对岩土边坡采用有限元强度折减法进行稳定 性分析 能得到较直观的位移云图和应变云图 以及计算出安全系数 据此 采用抗滑桩进行边坡加固能 显著提高边坡的稳定安全系数 收到较好的抗滑效果 边坡稳定分析 强度折减法 安全系数 抗滑桩加固 内摩擦角 2 0引 言 强度折减系数法的具体计算步骤为 粘聚力C和 随着我国经济建设的快速发展 特别是西部大 内摩擦角的正切值tan 同时除以一个折减系数 得 开发 大量的铁路 公路要穿越崇山峻岭 许多工 到一组新的C 和 值 然后将折减后的参数输 程都会涉及到边坡稳定性分析 入 进行有限元计算 不断的增大 值 直到寻求的 边坡稳定性分析方法经历了漫长的发展过程 折减系数 使得计算结果正好处于临界收敛状态 即 3 极限平衡法作为传统而古老的方法 在边坡稳 折减系数 若有微小的增加 10 计算结果就不 定分析中是一种很重要的方法 一直以来被工程界 收敛 此时的强度折减系数即为边坡的安全系数 广泛应用 它概念清晰 很容易被工程人员理解和 对于岩土工程 材料的破坏认为是由剪应力引 掌握 同时通过极限平衡法分析还能直接给出反映 起的剪切破坏 莫尔 库仑准则最为实用 而M C准 边坡稳定的安全系数值 但其不足之处是要进行大 则在三维主应力空间中为一不规则的六角锥形 在 量的试算 事先不知道滑动面的形状和位置 要多 平面上为一不等角等边六边形 而ANSYS软件默 次假定不同的滑动面进行计算其对应的安全系数 认的屈服准则是D P准则 其在 平面上为等边六边 值 因此给计算带来了很大的麻烦 随着计算机技 形的外接圆 于是与我们实际工程中基于莫尔 库仑 术的飞速发展 有限元在边坡领域的应用也越来越 准则之间有个转化关系 根据我国学者赵尚毅 郑 2 广泛 其优点是能充分考虑岩土体的非均质以及边 颖人 等人提出的公式 界条件的复杂性 因而能较好地模拟边坡的真实情 况 特别是对精度要求较高和地质情况较为复杂 1 时 有限元方法更体现了其优越性 非关联流动法则 3 j为材料的初始内摩擦角 1强度折减法 w为在外接圆D P准则 非关联流动法则 1 有限元强度折减法进行边坡稳定分析是采用不 下的安全系数 断降低岩土体强度 使边坡达到极限破坏状态 从 就可以把在外接圆D P准则条件下的安全系数转 而直接求出滑动面位置和安全系数 采用强度折减 化为莫尔 库仑准则下的安全系数 转化后的安全系 系数法求边坡的安全系数时 首先选取初始折减系 数与传统极限平衡条分法中的简易毕肖普法接近 数 折减后的土体强度参数分别为 满足工程中的精度要求 可以直接应用到实际工程 粘聚力 1 项目中 0 c c w j j tan tan 2011年第1期西南公路XINANGONGLU 表1强度折减系数与位移和应变关系 强度折 减系数 水平最大 位移 cm 坡顶点水平 位移 cm 坡脚点水平 位移 cm 最大塑性 3 应变 10 1 00 1 10 1 20 0 2082 0 2206 0 2583 0 0235 0 0247 0 0305 0 1460 0 1520 0 1756 0 0228 0 0621 0 1190 1 30 0 3058 0 0507 0 19760 2180 1 40 1 50 1 55 1 56 1 57 5 5 0 3716 0 5502 0 7346 0 8601 1 3390 3 0 0982 0 1933 0 2828 0 3484 0 6141 56 0 2340 0 2892 0 3300 0 3507 0 4193 5 0 3900 0 7340 1 1810 1 5300 2 9740 6 6 图5塑性应变云图 图1有限元模型 89 w1 7 9 20 7 18 4 1 0442 010 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 在临界状态时的水平位移云图和塑性应变云图 从 3算例二 图中可以看出 采用抗滑桩加固路堑边坡后 在临 界状态下 边坡的破坏形式发生改变 桩后的滑坡 某公路旁一高滑坡体 岩土体材料物理力学参 体比较稳定 只可能发生越顶破坏 数如表2 路基宽度7 5m 挖方高度4m 当路基开挖 时 会引起滑坡复活 采用强度折减法 计算出该 滑坡在莫尔 库仑准则下的稳定安全系数为0 82 远 低于相关规范的设计要求 此时滑体达到破坏临界状 态时塑性应变云图见图6 从图6中可以看出滑体沿着 基岩分界面发生剪切破坏 滑体处于不稳定状态 需 要考虑加固措施 本例采用抗滑桩支挡 桩长为 6m 桩的截面尺寸为1m 1m 嵌入基岩深度为2m 抗滑桩采用梁单元BEAM3单元来模拟 惯性矩等其他 3 的参数可以在实常数中设置 桩与滑体之间采用连 续介质有限元模型 其模型网格划分见图7 4结 论 1 对于平面应变条件下的强度问题 平面应 变莫尔 库仑匹配 D P 准则与莫尔 库仑准则等 效 因此有限元强度折减法在ANSYS中可以得到很 好的应用 ANSYS采用的屈服准则为外接圆D P 准 则 只需将其计算的边坡稳定安全系数利用公式进 行转换 就可得到平面应变莫尔 库仑匹配D P 准 则下的安全系数 该结果与传统极限平衡条分法所 求得的安全系数非常接近 误差小 计算精度高 因此可以广泛应用到工程实践中 2 抗滑桩在边 滑 坡防治工程中是一个很 好的加固措施 其能显著提高边 滑 坡的稳定安 全系数 取到良好的加固效果 参考文献 1 赵尚毅 郑颖人 时卫民 用有限元强度折减法求边坡稳定安全系数 J 岩 土工程学报 2002 24 3 2 赵尚毅 郑颖人 刘明维 钱开东 基于Drucker Prager准则的边坡安全系数同样采用强度折减法 当计算不收敛时 得到 定义及其转换 J 岩土力学与工程学报 2006 25 1 其稳定安全系数为1 508 转换为在莫尔 库仑准则下 3 郑颖人 赵尚毅 用有限元强度折减法求边 滑 坡支挡结构的内力 J 岩土 的安全系数为1 15 符合相关规范要求 图8和图9为力学与工程学报 2004 23 20 西 南 公 路 表2材料物理参数表 材料名称 滑体基岩桩 3 重度 kN m 2000 2600 2500 弹性模量 MPa 1000 20000 60000 泊松比 0 35 0 22 0 20 粘聚力 kPa 内摩擦角 2524 考虑为弹性材料 考虑为弹性材料 图6塑性应变云图 图8水平位移云图 图9塑性应变云图 图7模型网格图 滑坡体 基岩 抗滑桩 山区高速公路挡土墙选型与设计 廖炜李升甫刘平 四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院成都610041 摘要 关键词 中图分类号 U417 1 1 文献标识码 B 挡土墙作为一种支挡结构 在山区高速公路的建设中发挥着不可替代的作用 针对复杂的 山区地形地质条件 结合映秀至汶川和巴中至达州等高速公路项目 对如何选择合理有效的挡土墙形式和 地基处理措施 以及设计中的重点和难点进行初步探讨 挡土墙 扩大基础 映汶高速公路 巴达高速公路 挡土墙是用来支撑路基填土或山坡土体 防止低 为侵蚀构造及剥蚀构造低 中山山间沟谷地 填土或土体坍塌 滑移失稳 增强路基稳定性的一貌 地 形起 伏 较 大 海 拔 280 900m 相对 高 差 种构造物 随着我国高等级公路建设的飞速发展 200 400m 基岩以砂岩 泥岩及其夹层为主 纵横 特别是西部山区高速公路的发展 路基挡土墙的作沟谷极为发育 沟谷多呈 V 形 坡角15 30 切 用日益凸显 山区高速公路由于地形条件复杂 地割深度一般大于 200m 路线 全长51 119km 路基 面横坡陡 因此 挡土墙在路基设计中具有不可替15 542km 挡土墙全长7 459km 代的作用 随着应用的越来越广泛 挡土墙结构形 2挡土墙方案设计 式也日新月异 包括衡重式挡墙 仰斜式挡墙 加 筋土挡墙 悬臂式挡墙 扶臂式挡墙 锚杆挡墙 2 1映汶路挡土墙 桩基托梁挡墙 桩板式挡墙等 如何针对复杂的地映汶高速公路位于地震极重灾区 全线挡墙按 形地质条件 选择合理有效的挡土墙形式和地基处抗地震烈度8度设计