加筋土挡土墙地震动力特性研究_程火焰

1、Vol .21No .9公路交通科技2004年9月JOURNAL OF HIGHWAY AND TRANSPORTATION RESE ARCH AND DE VELOPMENT文章编号:1002-0268(200409-0016-05收稿日期:2003-07-21基金项目:云南省自然科学基金资助项目(2001E0022M 作者简介:程火焰(1969-,男,江西波阳人,道路与铁道工程硕士,讲师,主要从事土木工程教学与研究工作.加筋土挡土墙地震动力特性研究程火焰1,周亦唐2,钟国强2(1.湖南科技大学土木工程学院,湖南湘潭411201;2.昆明理工大学建工学院,云南昆明650051摘要:研究加筋

2、土挡土墙抗震动力特性,通过非线性有限元法与试验方法分析,结果表明:两者分析结论较为接近,地震动力对加筋材料与土体间的动似摩擦系数的影响,随加速度增大而明显减弱。关键词:加筋土挡土墙;动力特性;动似摩擦系数中图分类号:U416.1+2文献标识码:AStudy on Seismic D ynamic Properties of the R etainin g Wall Reinforced SoilCHENG H uo -yan 1,ZH O U Yi -tang 2,ZH ONG G uo -q iang 2(1.Sohool of Civil Engineerin g ,Hunan Unive

3、rsity of Science and Technology ,Hunan Xiangtan 411201,China ;2.Faculty of Architectural Engineering ,Kunming University of Science and Technology ,Yunnan Kunming 650051,China Abstract :This paper studies the anti -seismic dynamic properties of the retainn g wall reinforced soil .The analysis result

4、s by non -linear finite element is close to the experi ment the results ;with the influence effect of earthquake dynamic action on dynamic coefficient of fric -tion between reinforced material and soil more conspicuous with the increase of the acceleration .Key words :Retaining wall of reinforcement

5、 soil ;Dynamic properties ;Dynamic coefficient of friction我国是一个多地震的国家,而且地震区域分布广泛,地震频繁而强烈。在加筋土技术不断发展与成熟的同时,加筋土挡土墙的修建高度也在不断增加,高大加筋土挡土墙(高度超过20m 在工程实践中的应用也逐渐增多,而地震中高大挡土墙所产生的震害则可能更加严重。而且,目前国内外抗震设计规范中,挡土墙抗震强度和稳定性验算均是采用静力法来计算地震荷载作用。因此,对土工织物加筋土挡土墙地震动力特性研究十分必要。本文采用室内试验与有限元理论分析方法,对挡土墙抗震动力性能分析进行了初步研究与探索,为加筋土挡土

6、墙理论进一步发展与完善而积累资料,对加筋土挡土墙的规范化有一定意义。1加筋土挡墙抗震理论分析依据公路工程抗震设计规范,在验算挡土墙的抗震强度和稳定性时,只考虑垂直路线走向的水平地震荷载,地震荷载应与结构重力、土的重力与水的浮力相组合,其它荷载均不考虑,并且地震荷载采用静力方法计算。在对加筋土挡墙的地震荷载效应分析中,水平地震荷载作用于加筋挡土墙体的土压力计算方法,可采用库伦理论近似计算。对加筋土结构,如采用高模量(如金属拉筋材料多应用摩擦加筋理论与原理进行分析1;对其它如采用土工织物等加筋材料,可应用准粘聚力理论分析。2加筋体与土体间摩擦阻力的重要性无论是摩擦加筋原理,还是准粘聚力原理,加筋体

7、之所以能共同作用,关键取决于筋体与土体界面间的相互作用。在筋材抗拉强度足够时,则这种相互作用力的大小会直接关系到加筋体挡土墙的强度与稳定性能。在进行抗震分析时,这种界面的相互作用则显得至关重要,因为在震动荷载作用下,按一般推理,筋土界面作用会明显减弱。所以,对这种减弱程度的研究则十分必要,而目前在国内这种研究也较少。本文结合该背景,采用理论分析与试验观测相结合,研究加筋土挡土墙在地震荷载作用下,筋材与土体之间的界面相互作用的影响程度,并对有限元分析方法与地震模拟振动台试验结果进行比较,以验证理论推导的可靠度。为考虑最不利条件,采用相对为低模量、大延伸率的土工格栅材料,所得结论对其它高模量(如金

8、属筋材有足够安全度与可靠度。3加筋土挡墙动力非线性有限元分析3.1有限元分析基本原理与方法有限单元法主要是采用离散化结构,分片插值位移试函数,通过单元劲度矩阵、应力矩阵,最终分析总结出结构的受力与变形情况。3.2分析特点有限元法的突出优点是适于处理非线性、非均质和复杂边界等问题,而土体应力变形分析恰好就存在这些困难问题,因此很适宜用有限元法。本文对塑料土工格栅加筋土动力有限元分析将采用土体单元、筋材单元,以及土与筋材之间界面接触单元,共三种单元的分离式有限元模式。利用工程数值模拟软件AN-SYS进行有限元模拟分析。3.3土体本构模型考虑土介质的实际性质状况的复杂性,如要使分析结论更具有真实性,

9、必须采用更为合理的应力-应变非线性关系的本构定律。本文结合各类土本构模型特性与实际试验土样的力学性质及受荷工况,采用Drucker-Prager模型。相比而言,Duncan-hang双曲线性模型,虽反映了非线性及应力路径对变形的影响,但它没有反映固结压力增加与降低的差别,也没反映剪胀性;而Coulomb模型也因具有棱角奇异性,则应用于数值计算比较困难。采用Drucker-Prager模型能克服前两者模型的缺点而在土力学中得到广泛应用。3.4屈服准则理想弹塑性材料在未屈服时,只有弹性变形;一旦屈服,就产生塑性变形,塑性变形不断发展直至破坏,则破坏准则也就是屈服准则。Drucker-Prager提

10、出的屈服准则,是广义Mises准则的一种形式,它虽没有强化准则,但是它的屈服面可随着静水压力增加而相应增加,并还可考虑由于屈服而引起的体积膨胀。这类屈服面的模型为“帽子”型,它能较好地反映土的体积变形特征。Drucker-Prager屈服准则表达式如下F=K f+·I1-J2=0(1式中,K f和是试验常数,其中K f=3·C p·cos(3+sin2(2=sin3(3+sin2(3式中,1为第一应力不变量,等于3个主应力之和,1=1+2+3;J2为第二偏应力不变量,J2=(1 -22+(2-32+(3-126;C p为土的粘聚力,kPa;为土的摩擦角,(

11、6;。因为考虑体积应力的影响,也可将K f用I1的函数代替,这反映了体积力对强度的影响,也同样成为广义米塞斯(Mises,则在主应力空间由原来的圆柱面转成为圆锥面。3.5流动规则屈服函数给出了屈服的标准,但没有给出达到屈服后应变增量各分量之间按什么比例变化,即为何种流动规则。它是确定塑性应变增量各分量间的相互关系,也即是塑性应变增量方向的一条规定。流动规则假定经过应力空间任何一点,必存在一个塑性势面Q(,H=0;这个面在p-q平面内将形成为一根塑性势线即Q(p,q,H=0。流动规则规定,上述各点塑性应变增量与该点处应力存在如下正交关系(矩阵形式。dp=dQ(4式中,d为待定非负比例常数。此外,

12、流动规则有两种假定。一种为如果塑性势函数与屈服函数一致即塑性势线与屈服轨迹相重合Q=F,则称为相关联(或相适合的流动规则;反之,如果QF,则为不相关联(或不相适合的流动规则。从本质上讲,对岩土材料采用非关联的流动规则更为适合。但由于会增加计算工作量,本文仍采用相关联流动规则的假定。3.6弹塑性刚度矩阵Dep由弹塑性应力-应变增量关系为d=Dep d ,由此可推导出Dep=De-De·Q·FT·DeA+FT·De·Q(5式中,De为弹性刚度矩阵;A为反映硬化特性的一个变量,与硬化参数H的选择有关。17加筋土挡土墙地震动力特性研究程火焰等A=-FH

13、·d H·1d(63.7单元类型(1对土体单元因为挡土墙一般长度比宽度大得多,且在长度方向内外因素变化不大,因此可将整个结构作为平面应变问题处理。本文采用4节点矩形单元,因此建模方便,计算简便,且计算精度也有保证。(2对土工格栅织物单元因织物材料只有抗拉性能,不具有抗压和抗弯特性,因此加筋材料可采用一维杆单元来模拟。(3筋土接触单元因筋土2种材料的材性差别较大,因此有必要在筋土之间设置接触面单元。针对古德曼单元(Good-man、两结点单元、薄单元等几种接触面单元的特点,本文采用两结点接触单元,即为无厚度的4节点单元的简化单元形式,该单元只有长度,而厚度为零,方便计算。4其

14、它分析内容(1有限元分析模型的建立以及各种边界条件的处理。(2动力有限元分析参数的确定。本文结合该课题前期所完成的土工格栅拉拔特性试验数据与所采用土样的土工试验数据来确定:土体的容重(r、弹性模量(E、内摩擦角(、粘聚力参数(C等,以及格栅筋材的弹性模量(E、单位宽度横截面积(A、极限抗拉强度等等,并推导出接触单元横向刚度与竖向刚度等参数。(3地震动力分析计算参数,本文试验是输入El-centro地震波,并采用有效应力分析法,确定质量及刚度阻尼系数。5土筋间动似摩擦系数有限元计算结果首先确定筋材的最大静拉拔力,然后在施加0.1、0.2、0.3、0.4g水平加速度的同时,从小到大调整筋材的预拉拔

15、力直到有限元程序不收敛,此时的拉拔力为最大动拉拔力。根据这两个拉拔力可算出土筋间的动似摩擦系数,用于进行分析地震作用对挡土墙强度与稳定的影响。其结果见表1、表2;对土筋间的动似摩擦系数计算结果见表3、图1。从上述图表中数据与图形可发现:在静力阶段与地震加速度较小阶段(0.10.2g,加筋材料与土体间的动似摩擦系数减小程度为19%24%;而在地震加速度较大阶段,其减小程度为48%74%。因此,加筋土挡土墙对震级较强的地震是不利的。将上述表格中数据进行处理,结果见图2。表1塑料土工格栅加筋土挡墙有限元计算参数表土体单元计算参数容重kN·m-3弹性模量E Pa内摩擦角 (°粘聚力

16、kPa 163.5×1073015塑料土工格栅加筋材单元计算参数弹性模量E Pa单位宽度横截面积m2极限拉力kN·m-21.74×1080.00242.8接触单元计算参数横向刚度kN·m-1竖向刚度kN·m-11×1071×108动力分析计算参数输入地震波质量阻尼系数刚度阻尼系数弹性模量是由无约束条件下5%应变时的数据求得。表2筋材单元应变值有限元计算结果(×10-6编号模拟挡墙应变值施加300N静应变值水平加速度g表3动似摩擦系数有限元计算结果加筋材的工况静拉拔力水平加速度g6加筋土挡土墙抗震试验分析6.1试验概

17、况模型设计因受振动台台面尺寸和激振力大小等限制,模型容积为850mm×850mm×850mm木钢制作,试验前对筋材预施一定的拉拔力,围压用堆积重物实现。在进行地震动力特性分析时,分别对模型施加18公路交通科技2004年第9期 图1 地震作用对筋土间似摩擦系数的影响图2加筋材料单元静动应变值0.1g (相当于6度、0.2g (7度、0.3g (8度、0.4g (9度水平地震加速度以及相应的水平激振力1.5、3、4.5、6kN ,由低到高顺序进行。并由加筋体内加速度传感器,测出并分析加筋体沿墙高的加速度放大系数。6.2试验目的试验的主要目的是测定地震作用下格栅筋材的最大动应力,

18、以及地震荷载对筋土间动似摩擦系数的影响,利用在筋材上布置电阻应变片来测量筋材的动应变。6.3试验结果分析在测定土筋间动似摩擦系数试验过程中,采用目测加筋材是否拔出和记录仪记录的加筋材动应变是否有突变这两者相结合来判断加筋材拔出破坏。6.4塑料土工格栅加筋材的动态应变值与动似摩擦系数在进行动力试验前,只施加围压N =5kN 和预拉拔力T =300N 时,测读并记录模型中筋材各点的静应变。在用小振幅正弦波(0.05g 对模型进行连续扫频,寻找模型的自振频率时,得出模型的第一阶频率为7.1Hz 、第二阶频率为14.4Hz ,所以输入的El -cen -tro 地震波的压缩系数K =3.33。结果见表

19、4、图3。其中,筋材的静动应力值=E ×,E 为土工格栅筋材的弹性模量如表1。表4筋材静动态应变值(×10-61809131.1380.5985.31502. 5图3加筋材料静动应变比值从上述试验所得图表数据与图形可发现:在静力阶段与地震加速度较小阶段(0.10.2g ,加筋材料与土体间的动似摩擦系数减小程度为14%26%;而在地震加速度较大阶段,其减小程度为43%。与有限元分析结果比较,试验所得实际减弱程度要偏小,特别是在地震加速度较大阶段更为明显。分析其原因,可能在于筋材与土体间的相互作用不仅在于交界面的摩擦作用,而是更多地表现在土体对筋材横肋的阻力作用;当震动强度较大

20、时,筋材横肋的阻力作用对摩擦系数影响较大,而有限元分析对横肋阻力因素考虑不足。7结论(1在施加不同的水平加速度条件下,有限元计算结果与模型试验实测数据较为接近,采用瞬态动力有限元分析方法可以较好地模拟分析加筋土结构在地震荷载作用下的动应力应变特性。(2一般情况下,加筋土结构在受地震荷载作用的整个变形破坏过程中,筋材所受应力应该包括静载应力与地震动载应力,当地震加速度较小且持时较短时,加筋土结构可通过内部应力调整而保持稳定;当19加筋土挡土墙地震动力特性研究程火焰等加速度较大且持时较长时,回填土的变形会迅速增大,其本身的强度突然减小,同时由于出现填土与筋材间的摩擦阻力不足或加筋材的强度不够,发生

21、筋材拉出或筋材拉断。(3在加筋土挡土墙的抗震动力特性分析中,无论是采用摩擦加筋理论还是准粘聚力理论,都必须充分考虑到加筋体与土体间的摩擦阻力的重要性,尤其对动似摩擦系数的研究十分必要。但是,采用有限元法与试验法分析比较发现:地震动力对动似摩擦系数减弱的影响,两者的影响程度有一定的差异,有限元法分析结果比试验研究结果更为明显。对其所产生的原因值得再进一步分析与研究。(4本次试验所设计的模型自振周期较短,试验输入的地震波要经过压缩,所以地震波的高频分量较大,且高频分量在传播过程中容易被衰减。则输入以高频分量为主的地震动,加速度不但不放大,反而减小。这是由于土体的性能复杂性随应变增加,弹性模量降低,

22、而阻尼比却增大等所致。参考文献:1陈忠达.公路挡土墙设计M.北京:人民交通出版社,1999.2钟国强.塑料土工格栅加筋土动力特性的试验研究及其动力有限元分析D.昆明理工大学,2002.3张小江,等.纤维加筋土的动力特性试验研究J.岩土工程学报,1998,20(3:45-49.4徐少曼,洪昌华.土工织物加筋堤坝软基的非线性分析J.岩土工程学报,1999,21(4:438-443.5凌天清.公路高大加筋土挡墙设计方法的研究J.中国公路学报,2000,13(2:13-19.6中华人民共和国交通部.公路工程抗震设计规范S.北京:人民交通出版社,1994.(上接第15页由图3可得,随着GFRP材料单价的降低,价