仰斜式挡土墙稳定数值计算及影响因素分析

仰斜式挡土墙稳定数值计算及影响因素分析 . :原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体,均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 日期~,?哲月地日 学位论文作者.互铝葬 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品,知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留或向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅;本人授权郑州 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索,可以采用影印、 缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时,第一署名单位仍然为郑 州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 日期洄诲谢 学位论文作者:夏镭 募摘要 摘要 在许多工程中,挡土墙起到安全防护的作用,挡土墙的安全与整个工程的 安全是息息相关的,破坏后将会引起严重的后果。由于仰斜式挡土墙的受力较 好,在工程中得以广泛应用。但目前针对仰斜式挡土墙的相关设计说明及算例 较少,对作用在挡土墙上土压力的计算不够合理,造成挡土墙的开裂及失稳等问 题。本文针对上述存在的问题,对仰斜式挡土墙的土压力、墙体应力以及稳定 计算等关键问题做深入的研究和探讨。 针对仰斜式挡土墙的土压力计算及稳定计算两个方面,选取石桥水库除险 加固工程中断面为计算模型,利用有限元软件模拟分析了仰斜式 挡土墙的受力及稳定情况,所做的研究工作主要有以下几个方面: 查阅了与挡土墙土压力计算相关的大量文献资料, 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 了各种挡土墙土 压力计算方法的特点及适用条件,通过对比分析,选择合适的理论方法对石 桥 水库除险加固工程中的典型断面进行校核计算; 针对上述典型断面,采用有限元分析方法,考虑墙体与墙后土体及地基 土体之间的摩擦接触,对模型的土压力以及安全系数等进行数值计算,并与 理 论方法所得到的值进行比较分析; 通过改变墙后填土的弹性模量、等效内摩擦角、基础埋深等影响因素, 研究了外界条件发生变化时,墙体所受的土压力以及墙体抗滑稳定安全系数 和 抗倾覆稳定安全系数的变化规律。 关键词:仰斜式挡土墙;土压力;有限单元法; ,,, , . , . , , . , , , , . , , 订. : ,,; , , ,;,, , , . ; ; : 髓 ;. 目录 摘 要.?.........。?.?.。.............................?.................. ......?.............?........?。 目 录......?........?......................................?............ ....?..................?.. 绪 论?..。..?。..?..。..?......。??.。...。.。....??.............。..?.?.。.. . 研究背景?.. .研究现状? ..理论研究?.. ..试验研究?.. ..数值分析. 存在的问题 .本文主要研究内容 仰斜式挡土墙稳定计算内容及工程实例分析.挡土墙土压力计算基本方法.. 土压力的类别 ..朗肯土压力理论..库仑理论法. ..有限元计算法??。 .仰斜式挡土墙稳定计算. ..仰斜式挡土墙土压力计算. ..等效内摩擦角计算.. ..仰斜式挡土墙滑动稳定性验算?. ..仰斜式挡土墙倾覆稳定性验算? ..仰斜式挡土墙墙底应力计算??.. ..仰斜式挡土墙墙身应力验算??. 目录 .仰斜式挡土墙稳定计算工程实例??. ..工程概况? ..实际工程挡土墙稳定理论方法计算结果 .本章小结。 仰斜式挡土墙数值模拟分析原理及方法. . 有限元软件简介??. .. 总体介绍. .. 主要模块介绍~ .. 分析问题的一般步骤? .仰斜式挡土墙的数值模拟??. ..几何模型的建立?.. .,材料模型的选取?. ..荷载及边界条件?. ..接触问题的分析? ..网格划分及单元选取??. ..初始地应力平衡问题 .本章小结。 仰斜式挡土墙有限元与理论计算结果对比分析 . 土压力计算结果对比分析??.. ..墙背土压力计算结果对比分析?. ..墙前土压力计算结果对比分析? .理论方法与有限元方法计算结果对比分析?. ..挡土墙抗滑稳定计算结果对比分析..挡土墙抗倾覆稳定计算结果对比分 析? ..基底应力计算结果对比分析..墙身应力计算结果对比分析??. .本章小结. .结论.展望??. 参考文献?. 截断土坡延伸的构筑物,被广 、船坞、码头等重要的工程建 墙,堤防和渠道工程中的防冲 基坑开挖边坡的护墙以及码头 只要是存在工程建设的地方, 几乎都会存在修建挡土墙的任务。 挡土墙在各类建设工程中,所起的主要作用是安全防护,这种防护作用主 要包括两大类:一类作用是岸坡以及边坡防护,如岸墙及边墙;另一类作用是 结构物自身的防护,如各类侧墙以及防冲墙。此外,有些挡土墙还可起到节约 工程投资、减少建筑物占地的作用?。大多数情况下,挡土墙的安全与建筑 工程 的安全是息息相关的,因此,设计者在进行工程设计时,首要目的就是保证挡 土墙的稳定与安全。 挡土墙按照其墙背的形状可以划分为四类:直立式挡土墙、俯斜式挡土墙、 仰斜式挡土墙和台阶式挡土墙。直立式挡土墙在计算墙背土压力时,可忽略 墙 背与填土之间由于存在摩擦角所产生的竖直土压力,认为总土压力作用在挡 土 墙墙背上的方向是水平的,该情况下土压力计算较简单,且施工方便,适用于 高度较低或重要性较小的挡土墙形式;俯斜式挡土墙,墙背在垂直状态下绕墙 背顶点做逆时针旋转形成斜墙背,墙背与垂直线形成口角,通常口。一, 土压力计算时需分解成水平土压力和竖直土压力,土压力计算较麻烦,但施工 方便;仰斜式挡土墙的墙背在垂直状态下绕墙背项点做顺时针旋转,墙背与垂 直线形成.口角,通常口:。一“,计算土压力较小,利于稳定,但施工麻烦; 台阶式挡土墙的墙背是台阶形,当俯斜式挡土墙墙背过缓或地形适宜时,宜做 成此种形式。 我国每年所立项开展的水利工程很多,其中有相当大的比例是维护和改建 工程,这其中又有许多项目涉及到边坡稳定问题,如坝肩及水库库岸的稳定等 等。造成挡土墙破坏的原因主要有以下几点:挡土墙截面厚度不够,无法 完全承受土压力;边坡排水不畅,造成土压力增大导致裂缝的产生;。挡土墙的安全不仅关系到经 因此,有必要对作用在挡土墙 计算挡土墙稳定的关键问题是,如何更准确地计算墙背及墙前的土压力。 挡土墙设计规范中并没有给出适用于仰斜式挡土墙土压力的计算方法,仰斜式 挡土墙属于重力式挡土墙的一种形式,规范中建议参照重力式挡土墙土压力 计 算方法计算其土压力。查阅相关文献可知,在计算挡土墙墙背土压力时,所采 用的土压力计算理论方法主要有两种:朗肯土压力理论和库仑土压力理论。这 两种理论方法的假设条件不完全适用于仰斜式挡土墙墙背的土压力计算,只能 采取简化条件的方法来计算,所计算出的土压力值偏大或偏小;规范中建议墙 前的土压力按主动土压力计算,由主动土压力计算所得的安全系数偏大,将造 成资源的浪费。综上所述,由于土压力计算不准确,会造成挡土墙的安全隐患 或资源浪费,因此有必要对如何准确计算仰斜式挡土墙所受的土压力及如何控 制安全系数这两个问题作进一步的探讨和研究。 .国内外研究现状 目前国内外对于挡土墙设计问题的研究,主要集中在土压力计算、挡土墙 设计优化、稳定分析等方面。近年来随着计算机技术的发展,越来越多的人采 用数值模拟方法研究挡土墙的稳定问题,并在一定的领域做出一些成果,但技 术及分析方法并不成熟,还需要进一步探讨研究。前文中提到,根据挡土墙墙 背形式不同,可分为直墙式、仰斜式、俯斜式和台阶式四类,这四种挡土墙的 受力机理和土压力计算方法也截然不同。实际工程当中,影响挡土墙水平土压 力的因素众多,如:挡土墙的断面形式,基础埋设处地形、地基土材料特性、 墙背后填土材料特性、墙体坡度、墙高、断面尺寸,施工工艺、施工条件及施 工环境等。挡土墙的失稳主要是由墙体、墙后土体和地基三者共同作用的结果】。 土压力计算理论主要有两大类:经典的土压力理论和古典土压力理论。经 典土压力理论假定土体是理想刚塑性体,服从摩尔一库仑准则,并将挡土结构 视为刚性体,处于极限平衡状态下的土压力是直线分布的;古典土压力理论假 定滑裂面为平面、土体为完全弹性体。由于采用理论方法计算时,选取的是简 化计算的方法,因此计算得到的土压力值与实际土压力值存在不同程度的偏差。 只探讨墙背位移与土压力的 ,基于此假定的理论有库仑 ..理论研究 在年了对两个刚性滑块所组成的复杂机理【;】和陈惠 发【】对多种破坏机理下,主动与被动土压力进行了深入研究;衄,陈惠发【 都采用极限分析的方法对古典的直线破坏机理问题进行了研究。 ..【】利用水平土条极限平衡原理,研究了考虑拱效应时,作用在 刚性挡土墙上的土压力分布规律,结论表明按此种方法计算得到的水平侧压力 大于传统理论方法得到的土压力。另得到,矮墙上的土压力是土体自重的. 倍。国外很多学者遵循平面滑裂面假定四【【甜,以刚性挡土墙作为研究对象, 分别研究了主动和被动状态下的土压力,得出结论:靠近粗糙挡土墙墙背的大 主应力发生了偏转】【研。 王鸿兴、孙大庆】利用变分原理推导了刚性挡土墙墙后填土滑裂面的微分 方程,并给出了简化条件下,粘性土挡土墙和无粘性土挡土墙的主动、被动滑 裂面的解析方程。 孙大庆利用变分原理【,在假定土体滑裂面为平面的条件下,推导了粘性 土挡土墙上主动土压力的计算公式。王渭漳和吴亚中【】【,从分析重力式挡土 墙墙背上土压力合力作用点的位置和分布入手,以理论分析和数学推导的方式 得到了适用于任意土体性质,任意坡度的挡土墙主动土压力非线性分布公式。 曹振民】基于水平土条的极限平衡理论,对滑裂面为直线的墙背所产生的 被动土压力值的大小以及分布情况作了进一步研究。 赵树德‘在考虑挡土墙空间效应的情况下,推导了其主动土压力计算公式, 得到的计算结果略小于平面应变状态下的结果。 杨雪强】以土的塑性极限分析理论为基础,以分层填土的滑动变形为条件, 研究了在分层填土作用下,挡墙主动土压力的计算方法,并给出了主动土压力 的参考计算公式。 王元战等人【以库仑土压力理论假定为基础,推导了墙体平动以及绕基 础转动情况下,挡土墙主动土压力分布的解析式。了研究。该研究表明:挡土 面和滑动面三部分之间的部 滑裂体的滑动面的形状与指 周应英和任美龙【】对墙后为不同性质的填料的刚性挡土墙在不同运动模式 下的土压力分布进行了试验研究。试验表明:砂性填料和粘性填料在主动状态 下,其土压力分布形式非常相似,认为可能由于土拱的作用,导致粘性填土在 静止状态下的土压力呈现非线性分布。 徐日庆、陈页开等【研究了墙后填土为砂土,在模式绕墙项某点转 动、模式墙体平动和模式绕墙底某点转动不同变位情况下刚性 挡土墙被动土压力的试验结果,并分析了被动土压力在不同变位条件下的变化 情况。 】研究了剪应力松弛及土体的蠕变现象,得出如下结论:墙体在逐渐 移动的过程中,当转动到极限位置后就不再移动,在此过程中主动土压力有逐 渐增大的趋势,直至等于静止土压力,其抗剪强度发挥了%;在此过程中, 被动土压力呈逐渐减少的趋势,直至等于静止土压力。在墙体的平移过程中, 土压力值由静止土压力降低到主动土压力,墙体的蠕变位移以及时间分布呈对 数关系。 ..数值分析 数值分析方法可以很有效地分析作用于挡土墙上的土压力。由于土体应力 变形分析是非均质、非线性的复杂问题,而有限单元法能够非常好地处理这些 复杂问题,因此,国内越来越多的学者采用这种方法来解决土体的相关问题。 和】采用非线性有限元法分析了墙背填土为砂性土的刚性挡 土墙平移和绕墙趾转动两种变位方式,并采用双曲线模型,并引入一维 单元来模拟接触面和砂土变形,得到如下结论:?】【最大被动土压力和眦 最小主动土压力与经典土压力理论计算值基本相同;处于完全主动状态及 完全被动状态时墙体的位移量与模型试验结果基本一致。 】在模拟土体之间的摩擦特性时,采用弹塑性接触单元,土体模型采 用松冈元弹塑性模型,在此基础上考虑挡土墙的变位方式、接触摩擦以及土体 年的历史,到目前为止,在仰斜式挡土墙相关的理论研究以及试验研究方面, 主要存在以下问题: .规范中没有单独给出仰斜式挡土墙土压力计算时可参照的理论方法【,而 仰斜式挡土墙属于重力式挡土墙,可参照规范中所推荐的重力式挡土墙土压力 采用的理论计算方法:库仑理论方法。库仑理论方法假定墙后滑裂面为平面, 即假定墙后填土为砂性土。而实际工程中墙后填土则多为粘性土。计算黏性土 的土压力时,相关文献对于墙背垂直光滑、且填土表面水平并与挡土墙墙顶齐 平的情况,有统一的计算公式;而对墙背粗糙、填土面倾斜等其他情况时,可 以采取查表的方式选取。查表得到的等效内摩擦角比较粗略,计算结果也不够 精确,因此,计算出的土压力会有些误差。 .没有考虑仰斜式挡土墙与土体之间的相互作用。计算墙后土压力时,通常 是将滑动土体作为隔离体,对土体进行受力分析,得出作用在墙背上的土压力, 再将力施加到挡土墙上【。进行计算时,认为挡土墙与土体是分离的,忽略墙 体与土体由于刚度差异而导致的相对变形,没有考虑墙体与填土之间相互作用 以及位移协调的作用,这种方法计算出的结果与实际的受力情况可能会存在一 定偏差。 .对基础埋深的选取不够准确晔】。通常在设计当中,基础埋深越大,挡土墙 越稳定,但随着基础埋深的增加,施工难度和工程造价都会增加,会造成资源绪论 的浪费。所以,在选择基础埋深时,应当在保证稳定的情况下,尽量减小基础 埋置深度,使工程最经济。 .本文主要研究内容 从以上分析可以看出,对仰斜式挡土墙的研究工作主要集中在以下两个方 面:一是作用于挡土墙上的水平土压力的计算。二是各种因素对挡土墙稳定的 影响。针对上述分析问题,本文所作的工作有如下几方面: .查阅大量有关挡土墙土压力的文献,总结现行的土压力计算方法,分析各 种计算方法的特点,选取库仑土压力理论,并计算墙后粘性土体的等效内摩擦 角,对仰斜式挡土墙的土压力及稳定进行计算; .利用有限元软件建立仰斜式挡土墙有限元模型,考虑墙体、基 础与土体之间接触,对仰斜式挡土墙的稳定进行数值模拟,得到作用于挡土墙 上的应力云图及稳定计算结果,并与理论方法的计算值进行对比分析; .改变模型中填土的弹性模量、内摩擦角、基础埋深等参数,利用 软件对模型进行计算,并分析土压力、抗滑安全系数和抗倾覆安全系数随着以 上因素变化的规律,并对工程提出一些有用的结论及建议。 情况将土压力分 位移或绕墙胸底 填土将产生一个 们将在破坏棱体 即将发生滑动的一瞬间时产生在墙背上的土侧压力称之为主动土压力。此时土 体内部的应力状态称为主动极限平衡状态。很显然,当挡土墙发生向前移动时, 产生的土压力为主动土压力。 当挡土墙墙基埋入土体较深或墙体受到外力时,土体内部将产生与主动土 压力相反方向的土压力,此时的土压力将使墙体向后推移挤压墙后填土,在某 一瞬间填土内会出现向后向上的滑动面,滑动面与土体间形成向后推移的破坏 棱体,并且这部分棱体继续向后向上滑动,最终将导致填土发生挤出破坏,该 瞬间产生在墙背上的土侧压力,称为被动土压力。此时土体内部所对应的应力 状态称为被动极限平衡状态。被动土压力计算值在某些情况下大得建筑物无法 承受,通常需要采取一系列的工程措施来降低其值,以此来提高挡土墙的稳定 性。 当墙体结构上部受到约束,地基坚硬或墙体刚度很大时,墙体通常不会发 生转动或者位移,此时墙后填土对墙背所产生的土侧压力称为静止土压力,此 时土体内的应力状态称为弹性平衡状态。 ..朗肯土压力理论 年,英国学者朗肯,??提出了朗肯土压力理论。 该理论主要研究了半无限弹性土体中处于极限平衡条件下任意点的应力状 态。 朗肯在理论推导时,作了以下假定:墙体是刚性的,且挡土墙墙 仰斜式挡土墙稳定计算内容及工程实例分析 背垂直;墙后填土的表面水平;认为墙背光滑,忽略墙背与填土 之间的摩擦力,并且墙背与填土间的摩擦角。 当土体处于弹性平衡状态时,可用摩尔应力圆来表示土体中任意一点 处的应力状态。 根据墙体的移动方向与大小,假设在半无限土体中将产生水平向的伸 长和压缩,这两种变形方式将会引起土体中产生两种极限平衡状态:主动 极限平衡状态和被动极限平衡状态,此两种极限平衡状态将分别产生主动 土压力和被动土压力。 ? 主动土压力 参 无粘性土 : 嗡 当土体推动墙背远离土体时,随着位移逐渐增大,在一定范围内,土 体可逐渐达到主动极限平衡状态。如图.所示。在土体内各点, 产生了两组剪破面,剪破面夹角为。一矽。墙后土体内各点的铅直面与水平 面均为主平面,其上剪应力均为。当土体内部处于主动极限平衡状态时, 大主应力为土的自重压力见,而小主应力为水平土压力见。因此, 可根据在极限平衡条件下与的关系式,。 要,来求解主 / \ 动土压力。 /罗 吲 图.无粘性土主动土压力计算示意图 将见,弋,可得 七, 。一善如仰斜式挡土墙稳定计算内容及工程实例分析 式中毛留盼一差,为朗肯主动土压力系数。 若墙后填土为均质,且土体的,,值与够值均为定值时,主动土压力随 深度增加而增大。压力分布图为三角形,如图.所示。 墙高为,墙后填土水平时,作用于挡土墙单位长度上的总主动土压 力为: . 色去疋 玩垂直墙背,作用点距墙底/处。 粘性土 粘性土的抗剪强度,,当达到主动极限平衡状态时,大主应 、 、 叫 叫 之与小孝应力量卺应满足,。一铲留。一兰将 吗见,代入,得: 汜, 。。一罟也留。一差啦地厄 式.说明,粘性土的主动土压力分为两部分:第一项为土重产生 的土压力,是正值,随深度呈三角形分布;第二项是由粘结力 所引起的土压力扣,为负值,作用是减少土压力,值为常量,不随深 度变化。如图.。 盏 ’ / ? ?。 一 亨譬 ? 图.粘性土主动土压力分布 两项之和使得墙后土压力在深度以上出现负值,即表示此时在土体 、链强麓匿毒蠢?赢?。%吨 内产生拉应力,但实际上土体并不具有抗拉能力,故拉应力的存在会使填 譬 珏 妻 譬式中巧《。善,为朗肯被动土压力系数。 : 单位长度墙体上所受的土压力合力乞的作用点位置和主动土压力的 作用点相同,其沿墙高的压强分布也与主动土压力相同,如图.所示, 的计算公式为: 卜萎 . ‘ : 当达到被动极限平衡状态时,墙后土体发生破坏的滑动体形状如图 .所示。 仰斜式挡土墙稳定计算内容及工程实例分析 薯 罨 耋壤‘ 目 影 、 、 :/遗 / %嵋 ?斗 图.无粘性土被动土压力 粘性土 ,可以得 将,肛吧代入式。兰留。兰 到,当墙后填土为粘性土时,作用在墙背上的被动土压力强度砟, . 矿脓。善仫?留。差辑仫压 由式.可看出,粘性填土的被动土压力也分为两部分,二者叠加之后, 沿墙高呈梯形分布,如图.所示。 、 蕾 垒 / / , /~ \量 、 , .啊‘ 、一舶% 图.粘性土被动土压力分布图 总被动土压力的值为:仰斜式挡土墙稳定计算内容及工程实例分析 ??????『 . 乓 日, 。作用方向垂直于墙背,土压力作用点在梯形面积的重心上。 ?。??『, ..库仑理论法 ,‘,量々‘ 库仑土压力理论于年由法国的库仑提出,它是基于墙后土楔处于极限 , 平衡状态时的力系平衡条件的另一种土压力分析方法;该方法适用于各种填 土 面和不同的墙背条件,方法简便且有足够的精度,至今仍被广泛采用。 库仑理论与朗肯理论的主要区别是:库仑理论所考虑的挡土墙墙背可 以是倾斜的,墙背与垂直夹角为口:墙背与填土之间存在摩擦力,其摩擦角为 万; 墙后填土面可以有倾角‖;库仑理论研究的不是土体中某一点的应力状态, 而是以墙后的滑动楔体的整体平衡条件出发,求出作用于墙背上的总土压 力。 .?.雌六?,. 库仑理论的基本假定:墙后填土为无粘性均质土体;土体在滑动 时所形成的滑裂面为平面。虽然不符合实际情况,但可以使计算简便,并且通 常状况下可以满足工程的要求;滑动面上的摩擦力是均匀分布的;忽 略滑动体内部的应力及变形,将其视为刚体滑动;假设滑动楔体整体处于 极限平衡状态。 主动土压力 挡土墙的形式如图.所示,墙后填土为无粘性土,墙高为。挡土墙向背 离土体的方向运动时,其潜在滑动面为面,为滑动面与水平面的夹角。取 隔离体,根据静力平衡条件,作用在上的力的闭合三角形如图. 所示。由几何关系可得到,口:,由于万和口已知,故妙为常数; 与之间的夹角为口一?。利用正弦定理可得: 一矽 。一秒一矽‖ . 则 ???????士 由于是口的函数,当?和‖为定值时,只为秒的函数, 即厂口。 一仰斜式挡土墙稳定计算内容及工程实例分析口一公副旷一。盘一声, 泐 图.库仑主动土压力计算图 令:,解出秒值,代入式.,得到作用于墙背上的总土压力值: 棚 、厶’ . 色:昙‖ 三 其中毛 称为库仑主动土压力系数,只与缈、万、口、‖有关,而与厂、无 关。式中的符号意义为: ,,??填土的容重; 西??填土的内摩擦角; 口??嫱背与竖直线间的夹角; ‖??填土与水平面间的夹角; 万??墙背与填土间的摩擦角。 表.土对挡土墙墙背的摩擦角 摩擦角万 挡土墙情况 .西 墙背平滑、排水不良 ??? 墙背粗糙、排水良好 .?.? ..矽 墙背很粗糙、排水良好 墙背与填土问不可能滑动 .?.矽 注:矽为墙背填土的内摩擦角仰斜式挡土墙稳定计算内容及工程实例分析 被动土压力 同理可得出总被动土压力乓的值为: . 三厂日巧 ?口 其中: 口?。口一艿,,一 。称为库仑被动土压力系数,其强度也沿墙呈三角形分布。 ..有限元计算法 近年来,计算机技术飞速发展,大量技术成熟的有限元分析软件被应用于 各行各业当中。目前较常见且应用广泛的软件主要有:、、 、、软件等,这些软件正被广泛地应用于岩土工程、水利 水电工程等相关问题的求解中。 和其他的传统计算方法相比较,有限元方法具有较强的适应性,并且分析 问题的时候相对较短,能够模拟非常复杂的边界条件以及接近工程实际的材 料 特性,可以取得令人满意的计算结果,并能够满足经济要求。除了上述优点之 外,有限元法还有许多不足之处,查阅相关有限元模拟方法的文献可知,在建 立有限元模型时,由于使用者的差异,在选取材料模型、单元类型时会有一些 不同,这些因素将会极大的影响计算结果的准确度【【,换言之,使用有限元 者的水平以及熟练程度等都会很大程度影响着有限元的计算结果。 .仰斜式挡土墙稳定计算 挡土墙稳定计算主要包括:抗滑动稳定验算和抗倾覆稳定验算。对于仰斜 式挡土墙,只要它的抗滑动稳定和抗倾覆稳定能够达到要求,就可以说墙体 断 面尺寸的设计是合理的。 仰斜式挡土墙的稳定性主要是靠墙体上的作用力来保证的,分别是水平力 和竖直力。作用在墙体上的竖直力主要包括:墙体自重,墙顶外荷载,墙前和 墙后的填土重,水重,墙后土压力的竖直分力以及浮托力和渗透压力等;水平 以及墙前、墙 主动土压力系 挡土墙的倾斜 方向是向着滑体的,会引起土压力的减小,参照《挡土墙设计 手册 华为质量管理手册 下载焊接手册下载团建手册下载团建手册下载ld手册下载 》可知,此 时的主动土压力也可按公式.来计算: . 一辱 ??倒角挡土墙土压力烈; 疋’??直背挡墙的土压力,乞’厂? 。一等; 、 。 口??墙背与竖直线的夹角。: 伊??填土的内摩擦角。,本文中采用等效内摩擦角值代入。 疋的作用方向与墙背垂线成万角,可分解为一个水平力与垂直力,如图 .所示。 图.仰斜式挡土墙土压力作用图 仰斜墙: 总土压力图; 土压力方向图 由于外摩擦角口,所以万一口,则水平土压力为: . % 竖直土压力为: . %万万一口 ..等效内摩擦角计算 采用库仑土压力计算时,假定墙后为非黏性土,但实际工程中墙后填土往 往为粘性土,此时,若采用库仑理论计算土压力,参照《挡土墙设计实用手册》 仰斜式挡土墙稳定计算内容及工程实例分析 上的建议,通常是将填土的黏聚力折算成等效内摩擦角仍,即适当加大填土 的 内摩擦角把黏聚力包括进去,并按式.计算主动土压力。这种方法计算时 较为简单,关键问题在于如何确定仍。 对于一般黏性土,地下水位以上的等效内摩擦角可取。或。,地下水 位以下则取。。。但等效内摩擦角并不是一个固定值,它随墙高的减小而 逐渐增大。对于同一等效内摩擦角来说,矮墙偏于保守,而高墙偏于危险。因 此,按照上述方法确定的等效内摩擦角不能很好地符合实际情况,有可能偏 于 危险,最好是根据土的,缈值来计算相应的仍值。不同边界条件的挡土墙, 其等效内摩擦角仍值也不相同。如挡土墙边界条件为墙背垂直、无摩擦、填 土 表面呈水平并与墙项齐高时,《挡土墙设计实用手册》中给出如下计算方法: 认为黏性土的黏聚力是其抗剪强度的一部分,作用在墙背上的主动土压力: 旺? 耻吾胆 。一詈。一分了 按黏性土等效内摩擦角来计算主动土压力: 锄 。,:日 。一丝 “ ’ . / 令。,,就得到等效内摩擦角的计算公式为: . 协。一警 式中: 缈??墙后填土的内摩擦角。; ??挡土墙总高: ??土的单位黏聚力,; 仍??等效内摩擦角; ??墙后填土的重度/。 挡土墙的设计通常由抗滑条件控制,此时挡土墙的形式为墙背仰斜时,其 等效内摩擦角宜按下列方法确定】: 根据朗肯主动土压力理论,砂性土主动土压力为: . 丢 。 粘性土主动土压力为: 仰斜式挡土墙稳定计算内容及工程实例分析 . 色/石等 由砂性土与粘性土的明肯土比力相等司得: 忽, 吾胆如圭胆疋一厄等 ?, 圭。一警 眨 纠帅。七。一守着 根据公式.,求得坝体填土的等效内摩擦角纺,并由公式.求 仍 疋 . 够 口口万 万口口一‖ 、 ..仰斜式挡土墙滑动稳定性验算 由于土压力的作用,仰斜式挡土墙可能发生滑动破坏【,其抗滑稳定性是 用抗滑力与滑动力的比值。来表示的。使挡土墙向前滑动的力称为滑动力, 有 增加挡土墙稳定的力称为抗滑力。如图.所示,所有垂直作用在墙上力都是抵 抗滑动的;水平作用在墙上的力,根据作用方向判定其作用性质,墙后的水平 力有使挡土墙向前滑动的趋势,属于滑动力,墙前水平力有利于墙的稳定,属 于抗滑力。 仰斜式挡土墙稳定计算内容及工程实例分析 ///【,///\\//\\//\、 , ‖爿一//, 图.仰斜式挡土墙稳定计算图示 根据图.可知,抗滑动稳定性按公式.计算。 耻娶:坠生坟. %一磊 ’? . 其中:??抗滑动稳定安全系数;正常设计情况通常不小于.,当墙高大 于或重要的挡土墙时应按实际情况适当的提高。值;校核情况一般 取.~.,低墙取小值,高墙取大值; ???抗滑力之和,即指竖直之力的代数和,竖直力向下为正,向上为负; 己爿??滑动力之和,即指水平力的代数和,水平力向前为正,向后为负; 乞,??主动土压力竖直分力; %??主动土压力水平分力; ‰??墙前被动土压力; /.??墙基底与地基土之间的摩擦系数,它对计算结果有较大影响,应由 试验确定通常从地质资料中获得。当工程中无试验资料时,可按表.选取。 表.土对挡土墙基底的摩擦系数‖仰斜式挡土墙稳定计算内容及工程实例分 析 ..仰斜式挡土墙倾覆稳定性验算 大量的研究表明,仰斜式挡土墙还会发生倾覆破坏“?。倾覆稳定性是取挡 土墙的墙趾点为力矩中心,以稳定力矩与倾覆力矩的比值来表示的,如图 彝钕,墙嚼 .所示,其比值越大,安全性越高:所有使挡土墙绕点向前倾倒的力矩称为 、 、 ., 倾覆力矩,所有使挡土墙绕点向后紧靠的力矩为稳定力矩,逆时针转动为倾 覆力矩,顺时针转动为稳定力矩。通常情况下,能产生稳定力矩的力为正,产 生倾覆力矩的力为负。如图.所示,抗倾覆稳定性按公式.计算: . :娑:鱼堡生堡. 。、 ?。 其中: ??抗倾覆稳定安全系数,正常设计情况通常不小于.,当墙高 大于或重要的挡土墙时应按实际情况适当的提高值;校核情况一般 取.~.,低墙取小值,高墙取大值; 帆??抗倾覆力矩之和,即指对点的稳定力矩之代数和; 罗肘。‘??倾覆力矩之和,即指对点的倾覆力矩之代数和; 一墙体自重; ,??主动土压力竖直分力; ??主动土压力水平分力; ??墙前被动土压力: 蜀、岛??分别是墙重和主动土压力的竖直分力对点的力臂; 、??分别为主动土压力的水平分力和被动土压力对点的力臂。 ..仰斜式挡土墙墙底应力计算 仰斜式挡土墙基底是偏心受力结构,基底应力验算实际上是对地基土承载 力的验算,由于仰斜式挡土墙的坡度对基底中心的偏心距的影响较大,因此 对 “务孳点虻谚?,;毒,奢蚪;:,“籍哿冀强’凄雩麓叠仰斜式挡土墙稳定计算 内容及工程实例分析 于仰斜式挡土墙的墙底应力计算就显得尤为重要。计算时,取长度作为计算 单元,可满足其精确度要求。对于土基和岩基的要求是,一般均不得出现拉应 力,最小压应力需符合规定,最大压应力需控制在地基承载力设计值以内。 基础底部受偏心荷载作用时,总竖向力作用点应位于基础底面的核心以内, 即不超出底宽中间的/范围,此时地基土壤全部受压。当总竖向力作用在基 础底面核心以外时,基础受压范围减少,当减少到某一宽度后,基础则产生拉 应力,此时应控制作用点距最大压力的一端距离不小于/,此时将不会产生拉 应力。 基底应力计算公式为: 眩, 絮孚土警 式中:‰??长偏心受压基础底面边缘处最大压力设计值,要求尸雌?.厂; 尸血??明长偏心受压基础底面边缘处最小压力设计值,要求‰?; 厂??天然地基承载力设计值: 矿??竖向力代数和; ??墙总重; ,??主动土压力竖向分力; 曰??墙的基底总宽度; ??墙上作用荷载对基底中心点产生的偏心距; 力对基底中心的偏心距: 一肘: . \厶?厶了, 了一?矿 ’ 、’矿 式中:力对基底中心点的偏心距,对一般土壤,应使导,对坚 硬土壤或者一般性岩石应该使/,对不易风化的坚硬岩石应使/; 尥??力对墙趾的稳定力矩; ’??力对墙趾的倾覆力矩; 其他符号同前。 ..仰斜式挡土墙墙身应力验算 仰斜式挡土墙的强度复核包括法向应力计算和抗剪应力计算。仰斜式挡土 墙的坡度对墙体的应力有较大的影响,因此对墙身的验算就显得尤为重要。 墙身应力验算应选择如墙身与墙基接触面、截面转折和变截面处等具有代竺 翌壅塑圭堡堡塞生整塑窒丝三堡壅型坌堑 表性的墙身截面进行计算。若墙身与墙基结合面的强度能够满足要求,则其 上 各截面均可达到要求,不需要再计算。以图中截面为例,其计算方法如下: 法向应力 轴心受压时: 。 弘等?【仃】 召 ,气、 . 偏心受压时: . 瑶学愕 剪切应力 晓 ?, 』????车卫?:毕?】 式中: ‖叫.截面上法向应力: 吼嗽?截面边缘处的最大法向应力,规定应小于墙体允许抗压 强度; ‰叫截面边缘处最小法向应力,规定应大于,若出现较小 拉应力时,应小于墙体材料所规定的抗拉强度; 卜一墙体容许抗压强度,通常是查表选取; 刊截面上的剪切应力; 【】??截面上允许抗剪强度; ?矿刊.截面以上竖直力代数和; ?胃。叫截面以上水平力代数和; 召’??计算截面的宽度; 觞??墙体材料的摩擦系数; 多??计算截面.以上部分的荷载作用偏心距;计算公式如. 旺, 坦引 ’等?等一影?等 一%了一号矿? 注:式中?’表示截面以上所有荷载对截面边缘点的力矩代数和。 仰斜式挡土墙稳定计算内容及工程实例分析 .仰斜式挡土墙稳定计算工程实例 ..工程概况 石桥水库位于鹤壁市浚县屯子镇石桥村西,海河流域卫河水系蒋村河上游。 水库控制流域面积.,坝址以上干流长度,干流比降.,总库容 万,是一座以防洪、灌溉为主,兼顾水产养殖等综合利用的小型 水库。 水库主要由主坝、副坝、溢洪道及输水洞组成。工程等别为?等,主要建 筑物级别为级。洪水标准采用年一遇设计,年一遇校核。水库兴利水 位为.,设计洪水位为.,校核洪水位为.,风浪爬高.。 主坝为土石结构,由人工填筑土和浆砌石组成;副坝为均质土坝,均为人 工填筑土。坝全长,其中主坝长,最大坝高.,坝顶宽..., 坝顶高程为.~.,副坝位于主坝右侧,最大坝高.,坝项宽..。 坝体剖面从上游至下游依次为浆砌石挡土墙、主坝体填土区、草皮护坡、 下游贴坡排水。石桥水库挡土墙典型断面,见图.所示。 典型断面坝体高.,坝坡上游做浆砌石斜墙,斜墙外坡:.,内坡:., 坝脚采用.深的浆砌石护角,宽度比培厚浆砌石宽.。下游坝坡坡度为 :.,下游水位.,为确保坝体的渗透稳定,坝坡下游设置贴坡排水,采 用干砌石结构,下部设碎石垫层和细砂垫层。 图.石桥水库计算典型断面图 石桥水库库区和坝址区地质结构为土岩双层结构,蒋村河河床上部为第四 系冲积成因的重粉质壤土和砂砾石层,下部为第三系中新统鹤壁组的软岩粘 仰斜式挡土墙稳定计算内容及工程实例分析 土岩、砂质粘土岩和砂岩。典型断面坝体区,人工填土主要为重粉质壤土, 硬 塑状,稍具层理;浆砌石挡土墙为灰岩:地基层填土主要为砂质粘土岩,该层 岩性不均,局部含砂量较高,揭露厚度..。 ..实际工程挡土墙稳定理论方法计算结果 为了对比理论方法与有限元方法对计算挡土墙土压力和稳定系数的差别, 首先对本工程采用理论方法进行校核计算。根据工程具体情况,土压力计算 方 法选用库仑理论,设计工况选为无水状况。具体计算参数如下: 墙体材料为灰岩,.水泥砂浆,砌体抗压强度./,砌体 重度 ./: 墙后填土为重粉质壤土粘性土,重度 ./,内摩擦角 巾。粘聚力; 墙后填土表面为水平,即。; 地基为砂质粘土,承载力特征值五; 墙背与竖直线的夹角口.。仰斜坡率:. 外摩擦角取罗。; 墙基深度取为,墙背坡率:.,墙胸坡率:.; 墙体摩擦系数参照表.中所给出的数值,取为.。 表. 结构物的摩擦系数仰斜式挡土墙稳定计算内容及工程实例分析 各部分计算结果如下: 墙后主动土压力计算。 土压力计算方法采用库仑理论方法,需将墙后粘性土的内聚力转化为土体 的内摩擦角,根据前面章节所给出的等效内摩擦角的计算方法,计算得到墙 后 填土的等效内摩擦角仍。’。 由仰斜式挡土墙土压力计算公式,得到主动土压力: 巨. 墙前土压力计算。 由于挡土墙的自身稳定要求,实际工程中总是按构造要求将墙身埋入地下 一定的深度,此时墙前所产生的土压力将具有使墙体向后推移的趋势而发生 被 动土压力,但被动土压力计算值往往较大,设计时若采用被动土压力值,往往 使墙体产生安全隐患。因此,《挡土墙设计实用手册》要求,当墙体嵌入地面 以 下内时,可忽略墙前被动土压力的影响;当嵌入深度在地面以下的深层 时,通常按主动土压力计算。为了与本文中有限元计算结果进行比对,确定墙 前土压力的受力情况,分别计算了墙前的主动和被动土压力,计算结果如下: 墙前主动土压力:. 墙前被动土压力:最. 墙体重量。 如图.所示,将墙体划分为三个简单几何体计算其重量以及对点的力矩, 三个部分的重量分别为、、,重心距离墙趾点分别为、、、结 果如下: 图.墙身重力计算图工程实例分析 . . . 抗滑稳定系数 根据公式.可求得,石桥水库典型断面挡土墙的抗滑稳定系数为: ..,满足校核条件。 抗倾覆稳定系数 根据公式.可求得,石桥水库典型断面挡土墙的抗倾覆稳定系数为: 磁..,满足校核条件。 基底应力计算 作用在挡土墙上总竖向力对墙趾点的偏心距.,对基底中心点的偏 心距.,偏心作用点位于基底中心点的左侧,且不超出底宽中间的/范 围。基底边缘最大应力.满足要求,基底边缘最小应 力矿.满足要求。 墙身应力计算 由理论公式计算出的墙身应力结果如下: ’.竺. 法向应力 .//满足 曲一./满足 为使结构均匀受力,通常要求最小法向应力应大于零,此时计算中出现了 负应力拉应力,但此时的拉应力小于砌石允许抗拉强度./,所以也 是满足要求的。 /。 剪切应力./,抗剪允许值.】. ,本章小结 本章首先阐述了土压力计算理论及方法,重点分析了目前计算挡土墙土压 力时应用最为广泛的库仑土压力计算理论,并对墙后为粘土情况下土压力计 算、仰斜式挡士墙稳定计算内容及工程实例分析 土体等效内摩擦角的计算方法进行了阐述。 其次,对仰斜式挡土墙稳定计算及结构计算的相关理论方法进行了详尽的 叙述,并对计算过程中需要注意的问题加以讨论。 最后,选取石桥水库除险加固工程为工程实例,选取其中作为典型 断面,利用挡土墙计算相关理论方法,对实际工程进行理论计算,得到该工程 中断面上挡土墙上作用的土压力值、挡土墙的抗滑安全系数、抗倾覆安 全系数、墙基底应力以及墙身应力。仰斜式挡土墙数值模拟分析原理及模型的建立 仰斜式挡土墙数值模拟分析原理及模型的建立 . 有限元软件介绍 .. 简介 是目前世界上最著名的非线性有限元分析软件之一,它是由美国 达索公司进行开发、维护及售后的有限元分析软件,由于它不仅能够 解决简单的线性模拟问题,对极其复杂的非线性问题也可以很快很好地完成, 因此在许多国家的各行各业得到广泛应用,并且得到了全球学术界的广泛认可。 中的单元库非常完善,可以模拟出多种多样较复杂的形状;并且具有 各种各样的材料本构模型,能够模拟工程中所遇到的绝大多数的材料特征。其 中可以包括:金属,橡胶,泡沫,岩石,钢筋混凝土等,使用者还可以利用子 程序,定义符合自己需求的材料属性。能够处理多种领域中的问题, 这其中包括:应力应变结构计算,热传导、对流问题,以及热.电耦合分析、渗 流.应力耦合分析等问题【】。 内含多种模块,为用户提供广泛的使用空间,在建立复杂问题的 模型时,采用不同选项块组合的方式对模型进行组合。方法是:用户 首先单独建立每个部件的几何模型,然后对每一个部件赋予合适的材料参数以 及本构关系,再将各部件组装成完整的几何模型,并可以设置各部件之间的相 互作用。用户在进行复杂非线性问题的模拟分析过程中,几乎不需要用户去定 义试算参数,只需要输入结构的几何特征、材料属性、边界条件以及荷载作用 等数据,便可以自动选择合适于模型的荷载增量和收敛准则,在模型 计算过程中,系统会自动地调整参数,直至所得出的结果能够达到满足工程项 目的要求。 此外,由于有限元软件的体系结构还具有良好的开放性,用户可 以方便地对其进行二次开发。具有很强的分析求解能力,可以简单方 便地建立模型,不需要用户掌握有限元方程等相关编程问题,也不用考虑复杂 的数学、力学技巧,因此简化了求解过程,还可以节省大量的时间,避免了重 复性工作。由于上述的很多优点,被广泛地应用于各个领域中【。仰斜式挡 士墙数值模拟分析原理及模型的建立 .. 主要模块介绍 的分析模块有两个町:/和/。 /拥有四个专用模块来专门解决某些特殊问题,分别是 /豫、/、/和/。 还提供了一个人机交互前后处理模块/,它是一个图形 用户界面,可以针对/和/的问题进行建模、 监控运算过程和结果的后处理。 / /是中的通用分析模块,可求解包括静力、动力、 流固耦合、热力学分析等绝大多数的线性以及非线性问题。 / /是交互式图形用户界面,它具有强大的后处理功能。用户利 用它可以快速地建立几何模型,设定材料参数,选择材料模型,选择分析类 型, 设定边界条件,施加荷载,设置接触,网格划分等。模型完成后,可通过 模块对分析作业进行提交、监视和控制。后处理模块可以将计算结 果通过图形或数据表格的方式显示。 / /采用显式动力学格式分析问题,主要用于模拟短暂以及瞬 时动态问题,如在爆炸荷载作用下结构的响应等。此外,它还可以解决一些复 杂接触条件的非线性问题。 / /模块专门用于设计敏感度分析,该模块可以帮助了解设计 过程并且能够预判设计过程中将会产生的改变。 / /?模块为可选择模块,一般是附加到/模块 中使用。一般用来模拟海岸结构,如遭受风浪荷载、波浪荷载等作用的海上 石 油平台。 / /模块只包含结果后处理功能,相当于中的 功能模块。 接口仰斜式挡土墙数值模拟分析原理及模型的建立 可以将在该软件中所建立的模型通过该接口进行转换,将其 转换为文件中的一部分。 .接口 通过该接口,可以将在有限元软件中建立的模型输入到,并 作为其软件中的柔性部分存在。 .. 有限元软件分析问题的步骤 在进行有限元分析时,主要步骤如下【:前处理:建立有限元模型; 方程公式的推导;确定离散方程;对方程进行求解;对结果进行 后处理。 的开发商,对于其程序的求解过程的核心部分是高度保密的,只 提供给用户前、后处理以及执行文件,这部分通常被称为软件的“黑匣子”。 因此,用户在使用分析问题时,主要步骤是:前处理、模拟分析以及 后处理三步。 前处理 用户在前处理时,首先根据实际问题建立较为准确的几何模型,当模型特 别复杂时,可进行相应的简化处理,然后输入材料参数、对模型施加荷载、给 出边界条件,并在允许范围之内选择适当精度划分单元、选择合适该模型的 单 元类型。会将上述信息自动生成输入文件。当分析模型非常简单时, 用户可以通过直接编辑文件来生成模型;但一般建议采用内置的处理 模块自动生成计算模型,这样不仅可以简化操化,提高建模效率,并可以帮助 实现如接触处理等的特殊功能。 模拟计算 在的模拟求解阶段,/或/模 块会将后台分析所得到的各种问题写入输入文件。模型的场输出变量一般包 括 位移、应力、应变、等效塑性应变等,将采用二进制的方式将计算结 果写入文件中,用户在后处理时,可方便地调用文件中的计算数据。由于所建 立模型的复杂程度不同,并且不同计算机运行速度之间的差异,有限元模型 的 。。 计算时间会有很大的差掣 后处理 后处理是指在已完成对模型的模拟计算后,将所得到数据的输出仰斜式挡土 墙数值模拟分析原理及模型的建立 文件读入/模块并进行评估。这种评估通常是在图形的环境下交 互进行,通过/的可视化模块及其他后处理软件来实现。软件将读 入的二进制文件可视化,以多种多样的形式表现出来,如彩色云图、变形形状 图、.曲线图及动画等形式【。 .仰斜式挡土墙的数值模拟 本文选取石桥水库坝体作为典型断面,采用有限元软件对其进行 数值模拟,主要步骤为: .选取石桥水库除险加固工程中桩号为典型断面,建立几何模型; .确定较为合理的材料的本构模型,结合实际工程地质报告,输入反映实际 的力学参数; .施加边界条件以及荷载,并定义接触; .分析模型,选择适当的单元类型及网格密度划分网格。 .提交分析作业,输出分析云图以及数据文件,对数据结果进行处理分析。 ..几何模型的建立 为了对仰斜式挡土墙在施工期进行有限元分析,并保证模拟过程接近实际, 计算结果能够对实际工程起到实际的指导作用,故选取石桥水库桩号为 典型断面,坝高.,顶宽,上游坝坡坡比:.,下游坝坡坡比:.,由 于要尽量减少地基对受力的影响,取地基土深为;挡土墙做成变截面的形式, 挡土墙墙高.,墙背坡比:.,墙胸坡比:.,坝角采用.深的浆砌石 护角。由于挡土墙沿长度方向的形式完全一致,故几何模型可简化为二维模型, 不考虑坝顶防浪墙的影响,建立较规则的有限元几何模型。垂直坝轴线方向断 面图如图.所示。 圈. 垂直坝轴线方向断面强弘 图 地基土。由于浆砌石属于脆性材料,它的刚度要远远大于土体,在整个数值模 拟的过程中,通常不会产生塑性破坏,因此浆砌石挡土墙的本构模型采用简单 的线弹性模型。 塑性模型主要适用于在单调载荷下的颗粒状材料,即土体的 数值模拟,可以反应出土体的塑性变形、剪胀性、应力历史相关性等,且其参 数可通过三轴试验得到,与实际工程资料中的材料参数获取方法一致,故本文 的人工填土和地基土的本构模型均选择模型。 本文以