基于plaxis的破碎岩质边坡地梁下坡体压力分析Word文档格式.docx
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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?
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
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
2345678
lOO
≥200
300
一张拉阶段数值模拟解
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
l
●
粱长
:
^:
作阶段数值模拟
微条极限平衡法解析
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
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
定的优势.
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