基于plaxis的破碎岩质边坡地梁下坡体压力分析
基于plaxis的破碎岩质边坡地梁下坡体压力分析
基于plaxis的破碎岩质边坡地梁下坡体压力
分析
麴壤囊
基于plaxis的破碎岩质边坡地梁下坡体压力分析
欧源,彭夔,叶鹏
(1.重庆市知朗咨询有限公司,重庆400067;2.贵州省质安交通工程检测中心,贵州贵阳550000;
3.铁道部第三勘察设计院集团有限公司,天津300251)
【摘要】因地梁受力机理不同,破碎岩质边坡预应力锚索地粱上的坡体压力应分为锚索张拉阶段和
工作阶段分别分析,选用有限元分析软件Plaxis进行数值模拟,分阶段模拟锚索地梁下坡体压力的分布情况
及其大小,将数值模拟解与理论解及实测值进行对比.以京珠北高速公路某边坡作为工程实例,分析了该边
坡地粱下坡体压力的分布特征,并与实测值进行对比分析.结果表明,基于plaxis 的坡体压力分析方法能真
实地反映边坡一地梁相互作用的实际状况,求得坡体压力更接近地梁的实际受力状态,从而对地梁设计提供
参考,显示出其在地梁设计分析中具有一定优势.
【关键词】破碎岩质边坡;预应力锚索地梁;坡体压力;数值模拟
【中图分类号】TU431
1边坡地梁下坡体压力分析方法
预应力锚索地梁近年来较多地作为边坡尤其是高陡边
坡加固,支挡防护的有效结构…_l.
由于用解析方法很难做到准确分析,因此有学者利用数
值模拟技术分析梁的内力分布以及分析地梁与地基相互作
用规律,指导设计.
文献[4]运用杆系有限元分杌吨梁内力,指出地基反力
不能简单地假设为均匀分布或线开分布;文献[5]采用AN—SYS软件对地梁锚固结构及其作片j的松散土层进行三维有限元模拟,分析在锚索预应力的作用下梁是如何将力传递给土,应力在土中的传递机理;文献[6]利用有限元数值分析软
件FLAC一3D对框架地梁下附加应力(坡体压力)的分布,在坡体中的传递应力扩散作了相应的数值模拟.
以上数值模拟方法没有考虑滑坡体的地层结构特征(特
别是边坡浅表层)且没能根据地梁具体工作条件分阶段分析地梁下坡体反力问题,有很大的局限性.因此,本文拟采用
基于弹塑性有限元法程序plaxis的分析方法分阶段模拟边坡地粱下坡体反力的分布特征以期指导地梁设计.
2计算方法
根据锚索的受力状态可划分为张拉阶段和工作阶段,由
于在这两个阶段坡体与地梁问的作用机理不同,在数值模拟计算地梁上的坡体压力时,也应分阶段进行分析.
3工程实例的数值模拟
京珠高速公路粤北段K67+960工点采用预应力锚索地
粱加固路堑边坡,边坡岩体松散破碎,根据试验分析,滑体及
滑面材料的粘聚力c=10kPa,内摩擦角=20.,坡体表层土
体容重-/=20kN/m.2,3,4级坡相应段的滑面倾角分别为34.,43.,32..
对下面第1级坡采用悬臂式抗滑桩支挡,对第2—4级
边坡采用锚索地梁支护,第5级为喷锚护坡.第2—4级坡【文献标识码】A
高10m,第5级坡高8m,中间设计2m宽马道,第2级坡率
为1:0.75,第3—5级坡率为1:1.2～4级边坡上锚索锚
同角为13=25..锚索横向间距设计为L=4m,剖面上布设
9根锚索,锚索布置典型剖面见图1.
锚索张拉力设为500kN,地梁为钢筋混凝土结构,长l4 m,截面高0.8m,宽0.6m,抗滑桩截面尺寸为1.2mX1.2 m,其弹性模量均为E=2.5x10MPa.数值模拟所需的参数见表1～表4所示.
图1实例路堑边坡的断面示意图
表1地梁模拟参数
重度每米抗弯刚度每米抗拉刚度泊松比
EI
(kN/m)(kN?m/m)(kN?m/m)
22l6OOoo300OooO0.15
[收稿日期]2009—09—29
[作者简介]欧源,男,助工.
四川I建筑第30卷5期2010.10
表2抗滑桩模拟参数
每米抗弯刚度每米抗拉压刚度泊松比
El
(kN?111/m)(kN?m/m)
1080o()o9O0o0ooO.15
表3坡体模拟参数
密度内摩泊松变形内聚界面折
天然饱和比模量力减系数擦角
Il¨smBat'DU陀fCrefRinter
(kN/m)(kN/m)(.)(kN-m)kPa
202l20O.253OO00100.67
表4锚索锚固段和自由段模拟参数
段别规格EfMPa)L.
锚固100ooo(kN/m)4(In)
自由315.24195oo0142000(kN)4(m)
由于边坡沿某一方向近似无限长,采用plaxis简化为平
面应变问题进行模拟.采用15节点三角形单元用来模拟土层;Plaxis程序中板可以模拟沿z方向延伸结构物的影响,因此地梁用板单元来模拟;参考plaxis用户手册,锚索的模拟由两部分组成,土工格栅模拟锚索注浆体,而点对点锚杆单元模拟锚索的自由段.
对于地梁和土体之间的相互作用问题,采用在梁和土体
之间设置界面单元并通过给界面选取合适的界面强度折减因子(R)的值来模拟两者之间的相互作用.同样对于土
工格栅与土的相互作用,也采用设置界面单元的方法来表示加筋与土之间的应力传递程度,本文中近似认为土与土:亡格栅变形一致,两者之间没有相对滑动,在格栅与土之间不设界面单位.
3.1张拉阶段数值模拟
锚索施加在地梁上的压力在有限元模型上按集中力施
加,施加在相当于锚头位置的单元节点上,直接按倒扣在地基上的梁来模拟计算.图2为施加集中力后地梁下坡体的
变形网格图,图3为地梁下应力等值云图. DeformedMesh
图2地梁下坡体变形网格图
kN/m2
-20.000
图3模拟张拉阶段地梁下应力等值云图
分析图3得知在张拉阶段,最大坡体压力出现在地梁锚
固点位置.在地梁受荷面积的中心部分,坡体压力值最大,
呈锚索抑制点处较大其余位置较小的起伏式特征
3.2工作阶段数值模拟
分析中选择典型设计断面,根据地梁,抗滑桩的实际尺
寸建立有限元分析模型,采用平面l5节点单元划分网格,两
侧边界施加水平向约束,底部边界施加固定约束.边坡有限元建模及单元网格划分如图4.边坡应力分布如图5所示. 图4plaxis边坡有限元建模
kN/m2
l40.000
-
35000
～
l10.000
一
l85O00
—
260.000
-
335000
～
4J0000
-
485.000
-
560000
图5边坡应力等值线图
分析图5可知,在工作阶段单片地梁下坡体压力可近似
认为是上小下大的梯形分布模式.
4地梁两阶段对比分析
以该工程4级坡为例,在地梁张拉阶段,采用Winkler地基模型计算地基反力;在工作阶段,主动岩体压力可采用微条极限平衡法来确定.把数值模拟坡体压力的分布结果
与理论解及实测值进行对比分析,如图6所示.
四JII建筑第30卷5期2010.10
∞∞∞∞∞∞∞∞
75236O48
59ll222一一一一一一一一
一
一一
一
一一
2345678
lOO
≥200
300
一张拉阶段数值模拟解
一
一
r作阶段实测值
图6两阶段坡体压力分布对比
分析网6可知在张拉阶段,理论解析解同数值模拟解分
布规律及大小均较为接近;在工作阶段坡体压力数值模拟解分布在理论解附近.可认为与理论解具有相同的力学效果, 在形状和大小上也与实测值基本吻合.
z
.
一张拉阶段理沧解析解
围7两阶段地梁弯矩对比
一
.
l
●
粱长
:
^:
一
作阶段数值模拟
—
微条极限平衡法解析
一
张拉阶段数值模拟解
一张拉阶段理论解析解
图8两阶段地粱剪力对比
两阶段地梁内力对比图见图7～图8,数值模拟解的极
限值与理论解析解如表5所示.
表5两阶段内力极限值对比分析
最大正弯矩最大负弯矩锚索阶段
(kN?m)(kN?n1)最大拉力(kN)
理论解析(张拉)191—955oo
plaxis数值解209—865oo
理论解析(工作)359—132823
plaxis数值解503—144951
分析得知地粱在两阶段的内力值在大小上和方向上都
存在相当的差异.因此,在地梁设计中应综合考虑两阶段的内力计算结果,取其最不利组合作为地梁设计的依据.
5结束语
根据以上plaxis程序模拟结果与理论计算及实测值对
比分析,对于破碎岩质边坡预应力锚索地粱下坡体压力分布,得出如下结论.
(1)对于破碎岩质边坡,基于plaxis有限元程序的坡体
压力分析方法兼顾张拉阶段和T作阶段的内力控制要求,在
地梁设汁计算中可作为理论计算的参考.
(2)由plaxis数值模拟的结果可得出地梁下坡体压力的
分布模式,即在锚索张拉阶段,呈锚索抑制点处较大其余位
置较小的起伏式特征;在丁作阶段,坡体压力可近似认为梯
形分布.
(3)通过对京珠高速公路粤北段的工程实例分析来看,
数值模拟程序Plaxis中能较充分考虑了地梁和坡体,锚索和
坡体之间的接触问题,可以较好地模拟地梁的工作状态,显
示出它在地梁内力分析及地梁与坡体相互作用分析中具有
一
定的优势.
参考文献
[1]夏雄,周德培.预应力锚索地梁在边坡加固中的应用实例[Jj. 岩土力学,2002,23(2):242—245
f2]黄晓华,黄世明.京珠高速公路粤境南十六标高边坡治理工程实践[J].中国地质灾害与防治,2002,13(1):53—56
[3]蒋忠信.预应力锚索加固松散体滑坡的机理与实践[J].铁道工程,1999,61(1):72—77
[4]刘小丽,张占民,邓建辉.边坡加固中预应力锚索框架地梁的杆系有限元分析[J].岩土力学,2004,25(7)
[5]许英姿,璩继立,葛修润,等.格构锚固结构与地基相互作用分析『J].上海交通大学,2005,39(5)
[6]丁秀美,黄润秋,臧亚君.预应力锚索框架作用下附加应力的FLAC3D模拟[J].成都理工大学(自然科学版),2003,30
(4)
[7]欧源.预应力锚索地梁下坡体压力的研究[D].西南交通大学, 2oo9.79—80
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(上接第95页)已全部竣工,为公路的改扩建项目顺利进
行提供了保障.
参考文献
[I]D2/T0218—2006滑坡防治工程勘察,施工规范[S]
[2]王恭先,徐峻岭.滑坡学与滑坡防治技术[M].北京:中国铁道98
出版社,2004
[3]马惠民,王恭先,周德培.山区高速公路高边坡病害防治实例[M】.北京:人民交通出版社,2006
[4]王恭先.滑坡防治中的关键技术及其治理方法[J].岩石力学和工程,2005(21)
[5]GB50021—2001岩土工程勘察规范[s]
四JIl建筑第30卷5期2010.t0
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