土工格栅与锚杆结合的复合加筋土桥台的稳定性数值分析

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论文字数:42511 论文编号:sb2021082621032037073 日期:2021-09-03 来源:硕博论文网
本文通过 FLAC 3D 有限元差分软件采用强度折减法计算一般桥台、加筋土桥台、锚杆加固的桥台、与锚杆结合的复合加筋土桥台在不同高度下的安全系数,分析安全系数随加筋土桥台高度的变化规律,总结各类桥台适合修建的桥台高度范围;通过建立对照试验,对比同一高度下的一般桥台、加筋土桥台、锚杆加固的桥台、与锚杆结合的复合加筋土桥台的安全系数、最大应变增量云图,总结加筋处理、锚杆加固以及锚杆与土工格栅联合加固对提高桥台整体稳定性的效果;将锚杆与土工格栅联合机构分别与单一的土工格栅和锚杆加固的应力云图进行对比,总计锚杆与土工格栅联合加固的作用机理。

1 绪论

1.1 课题研究的背景及意义
在第二次世界大战之后,现代自然科学蓬勃发展,以此为契机,土木工程也进入了一个全新的时代,在现代土木工程飞速发展的几十年里,土木工程涉及的领域不断的扩大,工程建设的自然环境和地质条件也越来越复杂,上部结构的形式愈发多样化,伴随着各种超高建筑,特大建筑以及新型建筑的出现,基础所承受的上部荷载也不断增大,以上情况的出现对建筑基础的承载能力以及支挡结构所发挥的作用提出了更高的要求;除此之外在一些特定情形下的项目中会出现一些加固工程,以此来加固山坡、基坑边坡和河流岸壁,稳定隧道、路基、桥梁、路堑、洞穴以及桥台放坡。当遇到滑坡、崩塌、岩堆体、落石、泥石流等不良地质灾害时,还需加固与拦挡不良地质体,比如某些工程,会遇到斜坡上的高填方或者滑坡治理的问题,因为对工程安全的考虑和施工条件的限定,经常难以对填方的边坡做到自然放坡和堆坡,需要采取加固措施或使用支挡结构,这就进一步对支挡结构提出了新要求,与此同时各类新型的支挡结构也层出不穷。
上个世纪六十年代初,法国的土木工程师亨利维达偶然观察到鸟类用草与泥的筑巢行为,提出了现代加筋土结构技术,加筋土结构自问世以来就受到了国内外土木人士的高度关注,同时加筋土结构技术也得到了突飞猛进的发展。工程中常用的传统支挡结构包含抗滑桩,锚杆,预应力锚索以及挡土墙等结构,用以加固和支撑岩土体,保证其稳定,均因其作用强大被广泛应用于岩土工程中,在工程建设中发挥着举足轻重的作用。传统的各种支挡结构虽然拥有诸多优点,但在运用领域方面有着很强的局限性,在与之不适应的情形下很难发挥其长处,同时会暴露较多缺点,在不同的自然环境和地质条件下需要反复斟酌何种支挡结构更为合适,即便如此也很难做到万全。比如工程上常用的抗滑桩、预应力锚索等传统支挡结构均因其使用的局限性,使工程项目的设计和施工受到不同程度的限制。
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1.2 加筋土桥台常用的土工合成材料
加筋土桥台是加筋土结构在桥台领域的应用,它由桥台的挡墙面板和面板后的回填土以及放置在回填土中的加筋材料组成,目前国内外的加筋土桥台最常用的筋材时土工合成材料,土工合成材料是应用于土木工程中的以人工聚合物或是天然聚合物比如橡胶、化学纤维以及塑料等为原料加工制成的工程产品的合称。将其放置在回填土之间,与填土形成复合结构,增强回填土的抗剪强度和抗拉强度,提升复合结构的整体稳定性。它的种类主要有土工格栅、加筋格室、土工加筋带以及土工格宾等。
1.2.1 土工格栅(Geogrids)
土工格栅是目前在土木工程领域运用最广的一种土工合成材料,它是通过拉伸、编织以及挤压粘合高分子聚合物而成的一种筋材,整体呈现出有规律的多孔二维网状结构[30]。由于其自身原料的性能优异,土工格栅拥有高强度[31,  32],弹性模量大,耐腐蚀性和耐久性良好、蠕变小、造价低、生产周期短等多种优点,除此之外,土工格栅容易铺设于回填土中,方便施工,很大程度上缩短了工期。该产品种类极多,可以满足不同的工程需求。
图 1-1  土工格栅
图 1-1  土工格栅 
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2 FLAC 3D 有限差分软件介绍

2.1 FLAC 3D 简介
FLAC 3D 有限差分软件(Fast Lagrangian Analysis of Continua 3D)是美国 ITASCA公司研发的一款连续介质力学分析软件,是该公司旗下最知名的软件系统之一,在国际岩土工程学术界和工业界享有盛誉。FLAC 软件分二维计算程序与三维计算程序两个版本,其中二维计算程序计算速度较慢,这是因为二维计算程序对计算机内存的利用率极为有限,只能利于电脑的基本内存,这就导致可以求解的的最大节点数在两千以下,FLAC 3D 即为 FLAC 软件的三维计算程序,它是 FLAC 2D 有限差分软件扩展升级的版本,不仅包含 FLAC 2D 的所有功能,并且在其基础上进行了进一步开发,该程序解决了二维计算程序对计算机内存利于率极低的缺点,三维计算程序除电脑基本内存外还可以使用电脑的扩展内存,模拟计算的规模明显扩大,加快了软件计算速度,除此之外FLAC 3D 采用 ANSI C++语言进行编写,利用混合离散分区技术与显式拉格朗日算法,拟合材料的塑形破坏与之后的塑形流动精确度度非常高,而且 FLAC 3D 不需要形成刚度矩阵就可以完成计算,因此可以在很小的内存空间里就可以完成大范围的三维结构问题,迄今为止,FLAC 3D 已经研发并推出了多代版本。
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2.2 FLAC 3D 的优点
FLAC 3D 有限元差分软件相比其他一般的数值分析程序有很多优点:
(1)FLAC 3D 有限元差分软件基于快速拉格朗日求解理论,采用混合离散分区技术与显式拉格朗日算法,而其他一般的数值分析程序在拟合塑形流动与塑形破坏时基本采用离散集成法,混合离散分区技术的方法较离散集成法往往更为精确,更为合理。
(2)FLAC  3D 有限元差分软件拥有强大的数据分析处理功能,应用范围广泛。FLAC 3D 包含 15 种内置本构模型,基本可以覆盖土木工程建设中所有土工材料的本构关系;FLAC  3D 包含五种计算模式即静力模式、动力模式、蠕变模式、渗流模式以及温度模式,除了基本的常规分析功能以外,FLAC  3D 还提供其他模型满足复杂条件下的模拟计算。
(3)FLAC 3D 有限元差分软件可以拟合多种结构形式,FLAC 3D 提供四种结构单元用来拟合岩土工程中所用到的各种结构;FLAC  3D 有限元差分软件提供多种边界条件,可以任意调整几何边界、应力边界以及速度边界来满足实际工程中的各种复杂工况。
(4)FLAC 3D 有限元差分软件拥有强大的内置语音 FISH,利用 FISH 语音用户可以自定义变量、函数、材料的分布规律以及特殊边界条件,除此之外还可以设计本构模型关系和单元结构,模拟更多复杂工况。
(5)FLAC 3D 有限元差分软件拥有强大的前后处理功能,FLAC 3D 可以对实体模型自动生成三维网格,在 FLAC 3D 计算的任意时间点用户都可以生成任意分辨率的彩色或是黑白的图片以及输出相应的数据文件。
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3  土工格栅与锚杆联合加固对桥台稳定性的影响 ....................................... 17
3.1  引言 ................................................. 17
3.2 FLAC 3D 数值模拟的假定 ...................................... 17
4  与锚杆结合的复合加筋土桥台的作用机理 ....................... 50
4.1  引言 ...................................... 50
4.2   加筋土桥台中土工格栅应力随高度的变化规律 ........................... 50
5  结论与展望 ................................... 60
5.1   结论 .......................................... 61
5.2   展望 ...................................... 62

4  与锚杆结合的复合加筋土桥台的作用机理

4.1加筋土桥台中土工格栅应力随高度的变化规律
通过分析不同桥高度下加筋土桥台中土工格栅的的最大应力云图,总结加筋土桥台中土工格栅应力随高度的变化规律,研究土工格栅的作用机理,为探究锚杆与土工格栅联合作用的机理提供理论依据。采用第三章的加筋土桥台模型及土工格栅的铺设方式,下图 4-1 为不同高度的加筋土桥台的土工格栅最大应力云图,从应力云图可以看出,随着桥台高度的增加,应力云图不断变化。由图 4-1(a)与图 4-1(b)可知,当加筋土桥台的桥台高度为 5m 时,桥台填土里大部分的土工格栅应力较低,一部分土工格栅还没有进入工作状态,这是因为此时桥台的高度很低,桥台填土质量很小,桥台的重心也较低,回填料的侧向土压力以及桥台对底层的弯矩也较小,土工格栅需要抵抗的滑动力与倾覆力非常小,只有最底层的土工格栅受到的上部荷载影响较大;最大应力位于最下层的土工格栅,除最下层土工格栅两端的位置最大应力几乎分布于整张土工格栅,土工格栅由下至上,应力逐渐减小,且应力逐渐集中于土工格栅的中间部分,桥台上部的土工格栅应力较小且均匀分布于整张土工格栅。此时桥台的稳定性很高,土工格栅具有充足的安全储备,即使在加筋土桥台上施加其他荷载,土工格栅也可以有效抵御桥台的滑动破坏力与倾覆破坏力。当加筋土桥台的桥台高度为 10m 时,土工格栅的应力分布状态与桥台高度为 5m 时的加筋土桥台非常相似,随着桥台高度的增加,桥台填土里土工格栅的应力整体增加,但仍有部分土工格栅没有进入工作状态,桥台上部的土工格栅应力依然较小。
(a)5m 加筋土桥台                                 (b)10m 加筋土桥台
(a)5m 加筋土桥台                                 (b)10m 加筋土桥台
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5 结论与展望

5.1  结论
本文通过 FLAC 3D 有限元差分软件采用强度折减法计算一般桥台、加筋土桥台、锚杆加固的桥台、与锚杆结合的复合加筋土桥台在不同高度下的安全系数,分析安全系数随加筋土桥台高度的变化规律,总结各类桥台适合修建的桥台高度范围;通过建立对照试验,对比同一高度下的一般桥台、加筋土桥台、锚杆加固的桥台、与锚杆结合的复合加筋土桥台的安全系数、最大应变增量云图,总结加筋处理、锚杆加固以及锚杆与土工格栅联合加固对提高桥台整体稳定性的效果;将锚杆与土工格栅联合机构分别与单一的土工格栅和锚杆加固的应力云图进行对比,总计锚杆与土工格栅联合加固的作用机理。获得以下结论:
(1)在不对桥台进行任何加固处理时,桥台高度一般不超过 10m,这与工程中常见的桥台高度相同。
(2)加筋土桥台修建的桥台高度可以达到 20m,且当桥台高度在 10m 以下时,加筋土桥台的安全储备充足,桥台的稳定性极强,修建加筋土桥台时,桥台的高度不宜超过 20m,超过 25m 时则无法建成桥台。
(3)桥台在锚杆的加固下修建的桥台高度可以达到 20m,但只有在桥台高度不大于 5m 时,锚杆加固的桥台的安全储备才充足,当桥台高度达 10m 以上时,桥台的安全储备较小,存在潜在风险,当桥台高度超过 20m 时,则无法建成桥台。
(4)与锚杆结合的复合加筋土桥台的修建高度可达 30m,而且当桥台高度在 20m以下时,复合桥台有着充足的安全储备,桥台的稳定性极好,但修建复合桥台时,桥台的高度不宜超过 30m。
参考文献(略)
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