【装配式拱形板－桩墙体系边坡支护数值模拟分析案例6200字】

VII装配式拱形板－桩墙体系边坡支护数值模拟分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u30531装配式拱形板－桩墙体系边坡支护数值模拟分析案例 1231041.1引言 1125761.2装配式拱形板－桩墙体系 1213551.1.1装配式拱形板－桩墙体系结构形式 1175271.1.2拱形挡土板横断面拱形选择 2172741.3工程概况 45561.4拱形板－桩墙有限元模型 4154431.4.1几何模型 4283761.4.2模型参数及土体本构 5105761.4.3施工步序模拟 6258601.4.4接触面力学模型 733301.4.5边界条件 7282631.5有限元计算结果及验证 7158821.5.1应力结果分析 8132761.5.2位移结果分析 991301.5.3直形板－桩墙与拱形板－桩墙结果对比 1087381.5.4模拟结果验证 111.1引言随着数值计算技术的发展成熟，有限单元法(FEM)在岩土工程等工程领域逐渐得到广泛应用。本章通过Abaqus数值分析软件针对吉图珲高铁路堑边坡的工况，对装配式拱形板－桩墙体系的开挖和支护进行有限元模拟，分析各开挖工况位移及应力结果以及直形挡板－桩墙性能对比，并对模拟结果进行验证。1.2装配式拱形板－桩墙体系1.1.1装配式拱形板－桩墙体系结构形式目前，桩板式挡土墙的桩体大都采用矩形截面，但矩形截面桩成孔方法只能人工成孔，不仅在施工过程中周期较长，在地层松散，开挖深度较大的施工环境下，施工安全难以得到保障。圆形截面抗滑桩可以通过机械成孔，效率高，安全性好，文献[32]已验证了其可行性。桩板墙结构采用拱形挡土板可充分发挥混凝土材料抗压性能，在不降低承载力的同时，降低造价。采用装配式拱形挡土板可以在工厂批量预制构件，从而避开拱形结构现场支模难的问题，同时极大地缩短了工期。装配式拱形板－桩墙体系抗滑桩采用现浇施工，桩身主体为圆形截面，路堑开挖面以上设置成近似T型截面，圆形桩两侧预留挂板翼缘，路堑开挖面以下为圆形截面。挡土板安装在桩间，直接搭接在翼缘板上。拱形板由多条预制钢筋混凝土条块构成，挡板在预制过程中于两侧的四分之一处预留吊装孔洞，同时作为泄水孔。图2-1桩板墙平面布置图1.1.2拱形挡土板横断面拱形选择拱体横断面的形状函数为拱轴线，拱结构在承受荷载时，拱轴线的形状会影响弯矩和各截面内力。能否尽量降低拱体的弯矩是拱轴线选型优劣的标准。通过拱体轴线的合理选择可以使得建筑材料的抗压性能充分发挥，从而得以减小截面尺寸。拱体轴线为合理拱轴线在荷载作用下各截面弯矩为零。但工程实际中由于拱体除了受恒定荷载之外还要承受温度荷载、材料收缩等因素影响，因此我们只能尽可能寻求贴近的拱轴线。拱形挡土板在选择拱轴线时，需遵循以下原则：(1)选形合理由于拱体除了受恒定荷载之外还要承受温度荷载、材料收缩以及多种不确定因素影响，合理拱轴线是无法取得的，我们只能尽可能寻求贴近的拱轴线。因此在选择挡板拱轴线时，需要使其压力曲线尽量吻合。(2)线形简单无论是现场现浇施工，还是通过预制构件安装，拱形挡土板都需要进行支模。简单规整的构件更利于模具的制作，线形过于复杂拱轴线必然导致施工难度增加。因此拱形挡土板拱轴线的选择需要考虑线性的复杂程度，降低施工难度，节约成本。(3)外形美观外形美观也是边坡支护结构所关注的一方面。拱形挡土板拱轴线的选择不仅影响结构的受力特性，而且很大程度上决定着结构的美观。因此在拱轴线选择中应考虑达到舒适的视觉感官效果，与周边环境的协调。目前常用的拱轴曲线有圆弧线，抛物线，悬链线[54]等。(1)圆曲线拱轴线圆曲线拱轴线是由承受径向均布荷载的三铰拱模型，建立微段平衡方程求得。圆曲线拱轴线作为最简单的拱轴线，各点曲率相等。且对于施工条件而说，圆曲线施工最为方便。当拱体受径向均布荷载，拱轴线取圆弧线。圆曲拱轴线方程如下： (2-1)式中，为矢高，为跨度，为半径。通过确定矢跨比即可确定圆曲线的圆心角。圆曲线拱轴线的使用具有较大的限制，它与实际压力曲线往往有较大的偏移，从理论和实践经验来看，当拱体跨径较小时可近似取圆弧拱轴线。(2)抛物线形拱轴线抛物线拱轴线是由承受均布荷载的三铰拱模型推导而来。当拱体跨度较大时，为了更好的吻合压力曲线，可通过高次抛物线来拟合拱轴线。二次抛物线线形较为简单，施工较为便捷，相比圆弧形拱轴线能更好的吻合压力曲线，其线性方程为： (2-2)式中，为拱体矢高，为拱体跨度。在工程实践中，拱体所承受的荷载变化不大或所承受荷载较小时，抛物线与拱体压力曲线偏离较小，可用其作为拱轴线。(3)悬链线形拱轴线当拱体所受荷载由拱顶到拱脚连续分布逐渐增大，拱轴线取悬链线，其方程为： (2-3)悬链线可以与拱体的拱脚、拱顶以及拱体两侧四分之一处的压力曲线很好的吻合，但其线性复杂不易施工，常应用于大跨度拱体中。对于以上三种常用拱轴线，圆曲线拱轴线线形最为简单，施工最为方便，但其与压力曲线偏移较大；悬链线能很好的吻合压力曲线，但其线型过于复杂，增加施工难度，不利于节约成本。拱形挡土板跨度较小且所受荷载近似为均布荷载。抛物线线形简单，在小跨度拱体中能很好的吻合压力曲线，而且线条美观简约。因此拱形挡土板拱轴线取抛物线。抛物线拱轴线只需通过确定矢跨比和跨径即可确定其具体表达式，跨径根据桩间距确定，矢跨比的确定见第三章的分析。1.3工程概况所选取吉图珲延吉段路堑边坡工段里程范围为：，全程总长1028.86m，地处延吉市城郊[32]。以山间剥蚀丘陵为主要地貌，山坡自然坡度为，地势比较平缓。该工段以泥岩和白垩系砂岩互层为主要地层，表层地质主要为第四系全新统残坡积粉质黏土，硬塑，下伏泥岩和白垩系泥岩互层。1.4拱形板－桩墙有限元模型1.4.1几何模型1.4.1.1桩板墙参数在上述工况下采用装配式拱形板－桩墙支护体系，抗滑桩采用圆形截面，桩直径为1.5m，桩长为12m，桩间距选为5m，悬臂段高度为4m，采用现浇施工；桩间拱形挡土板采用混凝土预制板，拱轴线取抛物线，矢跨比为0.2，拱形挡土板厚度为0.25m。1.4.1.2模型计算区域按照工段边坡实际尺寸，对模型坡面进行两次放坡，坡度为，两阶坡高分别为5m、5.8m。路堑最大开挖深度为4m，宽度为24.8m。由于该路堑断面为对称断面，利用对称性特点，选取路堑断面的半部分，从而简化计算，提升计算效率，如图2-2所示。为了消除边界效应对模拟结果的影响，有限元模型在深度方向上取24m，为桩长的2倍[32]。考虑桩板墙支护体系的三维效应，有限元模型在宽度方向上选择两个完整的桩间距，两端各沿宽度方向延伸半个挡土板的宽度，总计算宽度取25m，模型详细尺寸见图2-2。图2-2典型断面剖面图1.4.1.3网格划分在本有限元模型中，土体、抗滑桩以及挡土板采用C3D8单元进行网格划分。桩板结构附近的土体网格采用扫掠法划分，其余部分土体采用结构法划分。采用Abaqus进行有限元计算时，网格划分的越细，计算精确度越高，当网格划分精细到一定程度，精确度将趋于平稳。但网格划分越精细会降低计算效率，提高时间成本。为在保证工程所需要计算精确度的同时不降低计算效率，根据工程实际，将桩板附近土体的网格进行细化处理，其余部分土体网格密度小于该部分土体网格密度。(a)未开挖(b)开挖后图2-3桩板墙有限元模型网格1.4.2模型参数及土体本构1.4.1.1桩板墙材料属性桩板墙材料采用C30强度等级混凝土，采用线弹性本构，强度参数参照《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)[55]。1.4.1.2土体属性及本构模型选取合适的土体本构模型是有限元模拟桩板墙与土体相互作用的重要问题。鉴于土体复杂的受力特性，目前广泛应用的本构模型均有着各自的局限性。下面简单介绍几个常用土体本构的适用性。(1)线弹性模型通过泊松比和弹性模量来描述材料的应力应变特性。然而对于土体的应力应变关系，线弹性理论难以真实反映土体力学特性。(2)Mohr-Coulomb模型基于弹塑性理论，通过土体内摩擦角和粘聚力来描述土体的剪切强度，简单实用且能较好地描述土体极限承载状态[56,57]，但难以体现土体的变形情况[58,59]。(3)Drucker-Prager模型在摩擦材料的模拟中有很好的应用，并且能够表现材料随着压力增加强度随之增加的特点。但Drucker-Prager模型也无法很好的描述土体的变形情况[60]。(4)ModifiedCamClay模型基于硬化塑性理论建立，理论较为完善，应用广泛[61]。修正剑桥模型所需参数易测得，能够较好的反映土体的变形特点，在岩土工程中广泛应用[62]。有限元模型分两层土体，第一层为粉质粘土，第二层为砂土层。修正剑桥模型(MCC)能够区分添加与卸去荷载的应力路径，较为真实的反映弹塑性变化，从而很好的模拟土体与支挡结构之间的力学行为。因此粉质黏土层土体本构选用修正剑桥模型(MCC)。第二层砂土层选用摩尔库伦模型(MC)。土体参数参照文献[32]选取。混凝土和土体参数见表2-1。表2-1模型材料参数参数粉质粘土砂土混凝土重度1920.525弹性模量16.246泊松比0.30.250.2粘聚力351—内摩擦角2638—回弹曲线斜率0.011——压缩曲线斜率0.056——临界状态线斜率1.338——初始孔隙比0.982——1.4.3施工步序模拟首先设置静力通用分析步，按照弹性本构计算初始应力场。在该分析步中通过生死单元移除抗滑桩和挡土板单元，平衡土体的地应力。将计算得到的初始应力场导入为预定义应力场，再设置自动地应力平衡分析步实现地应力平衡。第二个分析步是为了模拟添加桩板墙的工况。在此分析步中，忽略抗滑桩以及挡土板施工的过程，通过生死单元法移除桩板墙的土体，通过型号改变激活桩板墙实体单元。最后通过生死单元法移除路堑开挖的土体，。(a)未开挖(b)开挖图2-4开挖步序1.4.4接触面力学模型本模型一共定义抗滑桩和挡土板，抗滑桩和粉质粘土，抗滑桩和砂土，挡土板和砂土四种接触面力学模型。假设抗滑桩和挡土板之间没有相对位移，将桩与板之间的接触定义为绑定约束(tie)。桩板结构与土体之间通过设置面与面接触来定义接触面之间的相互作用。法向力学模型采用硬接触；切向力学模型采用罚函数算法，并分别设置相应的摩擦系数。允许有少量的弹性滑移变形。抗滑桩、挡土板与土体之间的接触以及抗滑桩和挡土板之间的绑定约束(tie)在第二个分析步即添加桩板结构时激活。在土体开挖分析步移除抗滑桩以及挡土板与开挖土体之间的接触。1.4.5边界条件对于边坡土体，上表面设置为自由边界，不定义任何约束；底面设置为固定约束；其余侧向边界限制法向的位移。对于桩板墙结构，向两侧延伸的半跨挡土板约束对称面的法向位移。1.5有限元计算结果及验证为更好平衡地应力，消除重力作用下变形的影响，首先设置静力通用分析步，采用弹性本构计算得出土体初始应力场；再将所得初始应力场导入地应力平衡分析步的预定义场中，施加在边坡土体上，采用弹塑性本构再进行地应力平衡计算。该分析步采用自动地应力平衡分析步，增量步设置为固定增量，最大位移增量为。根据上述所介绍数值模型创建方法，建立数值模型，完成相应计算，得到以下结果。1.5.1应力结果分析下图为各施工步序应力计算结果云图，单位为。如图2-5(a)所示，初始应力沿着土体深度均匀分布，与深度正相关。由于边坡坡度较缓，并未出现拉应力。将初始应力场计算得到的结果数据导入地应力平衡分析步预定义场后，再进行地应力平衡。计算后的土体应力与初始地应力场土体应力一致，如图2-5(b)所示。(a)初始应力场(b)地应力平衡(c)添加桩板(d)开挖图2-5应力结果云图地应力平衡后，利用相互作用中生死单元移除植入桩板结构所需开挖的土体单元，再激活桩板结构实体单元，以此模拟桩板结构施工后的工况实际。添加桩板结构后如图2-5(c)所示，土体应力分布与初始应力场趋势一致，土体应力与深度正相关，和边坡土体在自重状态下的应力分布基本一致。移除路堑开挖的土体单元以达到模拟路堑开挖的工况，采用视图切片工具取中间桩对称面，路堑开挖后如图2-5(d)所示，土体应力依旧分层分布，但最大应力明显高于前两种工况，最大应力分布在抗滑桩表面。这是由于土体和桩板结构的挤压作用所造成的应力集中。图2-6土拱效应示意图通过Abaqus切片工具，取路基平面以上1m平面的应力分布云图，结果如图2-6所示。图2-6中，应力呈拱状分布从挡板位置往外逐渐扩大，桩间形成了以桩为拱脚的土拱。桩背土体应力比较大，说明土拱将滑坡推力传递给至桩背侧。1.5.2位移结果分析下图为各施工步序位移计算结果云图，云图单位为。初始位移场位移结果如图2-7(a)所示，土体位移呈层状分布，深度越大土体位移越大。地应力平衡后，土体位移分布呈现均匀分布的特点，位移区间在，由此可知地应力平衡效果良好，符合精度要求。地应力平衡完成，添加桩板结构后的土体位移云图如图2-7(c)所示。土体位移呈现灯泡形，围绕桩板结构两侧及底部发生。离桩板结构越近，位移越大，反之则位移越小。路堑开挖完成后，位移云图如图2-7(d)所示。土体位移仍是围绕桩板结构四周以及开挖面以下发生。另外，作用在悬臂段上的推力以及锚固段的嵌固作用，导致开挖面有隆起的趋势。(a)初始位移场(b)地应力平衡(c)添加桩板(d)开挖图2-7位移结果云图1.5.3直形板－桩墙与拱形板－桩墙结果对比在相同的工况下，保持桩长，桩径以及桩间距不变，建立直形挡土板桩板墙有限元模型。直形挡板－桩墙和拱形挡板－桩墙应力分布如图2-8所示。两种桩板墙结构在抗滑桩的中部均发生明显应力集中，这是由于抗滑桩弯曲变形所造成，应力集中部位也即抗滑桩弯矩变形最大的部位。另外从应力云图可以清晰的发现，拱形挡土板受力比直形挡土板受力更加均匀。(a)拱形挡土板桩墙应力(b)直形挡土板桩墙应力图2-8应力结果对比(a)拱形挡土板桩墙位移(b)直形挡土板桩墙位移图2-9位移结果对比由图2-9可见，抗滑桩的水平位移沿着顶部到底部增加。对比直形挡土板和拱形挡土板的桩板墙计算云图可以发现，拱形挡板－桩墙的顶部位移和最大应力小于直形挡板－桩墙。1.5.4模拟结果验证将有限元数值模拟计算得出的结果与理论计算及现场监测相关结果的对比，验证本文模型计算结果的正确性。1.5.4.1理论计算验证根据地基反力系数的取值，抗滑桩内力计算方法可分为以下三种：①当地基反力系数取常值，此时计算方法称为“k”法。该法考虑桩身变形，适用于硬粘土地。②当地基反力系数随深度抛物线性变化，此时计算方法称为“c”值法。该法计算较为复杂，使用较少，常用于小变形桩；③当地基反力系数随桩埋深呈线性变化，此时计算方法称为“m”法。该方法在能较好地反映桩的工作情况，计算简便，应用较为广泛。本文锚固段采用“m”法计算。图2-10(a)和(b)为桩身弯矩和桩身剪力计算结果与模拟结果对比。“m”法计算时锚固段抗滑桩桩底按照自由约束考虑，弯矩为零。由图可知通过“m”法计算和数值模拟所得到的桩身弯矩结果分布大致相同，理论计算得到弯矩最大值比有限元模拟的最大弯矩值稍大。由2-10(b)可知两种计算方法所得桩身剪力分布大致相同，均在距离桩顶4m处，也即路堑开挖面出现最大正值，在距离桩顶9m至10m处出现最大负值。桩身剪力为零点均在距离抗滑桩顶部6m至7m处。但由于“m”法计算将锚固段抗滑桩桩底按照自由约束考虑，因此理论计算结果桩底剪力为零，有限元计算