土工合成材料不同位置加筋效果的对比分析

维普资讯 http://www.cqvip.com ・３８・　港　工　技　术　２００６年３月Ｎｏ．１　土工合成材料不同位置加筋效果的对比分析　严驰，冯　驰　（天津大学建筑工程学院，天津３０００７２）　摘要：运用所编审】的计算程序分析了堤坝下土工合成材料的加筋效果，揭示了土工合成材料不同位置的加筋效果，对比　探讨了软基路堤与密实地基路堤的加筋效果，并且采用动态规划法搜索的临界滑动面对不同位置的加筋效果进行分析。　关键词：非线性有限元；土工合成材料｝加筋效果；动态规划法｝临界滑动面　中图分类号：ＴＵ４７２．３４　文献标识码：Ａ　文章编号：１００４—９５９２（２００６）０１　００３８一ｏ４　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ＆Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｆｏｒ　Ｇｅｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃｓ　Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　Ｅｆｆｅｃｔ　ｉｎ　Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　Ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ＹＡＮ　Ｃｈｉ，ＦＥＮＧ　Ｃｈｉ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３０００７２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｅ　Ｇｅｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ　Ｓ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｄｙｋｅ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｃｒｅａｔｅｄ　ｂｙ　ｏｕｒｓｅｌｖｅｓ．Ｗｅ　ｉｎｄｉｃａｔｅｄ　ｔｈｅ　Ｇｅｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃｓ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｅｆｆｅｃｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．　Ｃｏｎｔｒａｓｔｉｖｅｌｙ，ｗｅ　ｄｉｓｃｕｓｓ　ｔｈｅ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｓｏｆｔ　ｇｒｏｕｎｄｓｉｌｌ　ａｎｄ　ｃｌｏｓｅ—ｇｒａｉｎｅｄ　ｇｒｏｕｎｄｓｉｌ．Ａｎｄ　ｗｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｅ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｃｒｉｔｉｃａｌ　ｓｌｉｐ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｇｅｔ　ｂｙ　ｄｙ—　ｎａｍｉｃ　ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ；ｇｅｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃｓ；ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｅｆｆｅｃｔ；ｃｒｉｔｉｃａｌ　ｓｌｉｐ　ｓｕｒｆａｃｅ；　ｄｙｎａｍｉｃ　ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　１前言　于路堤为对称结构，故在有限元计算中取一半结构　土中加筋能增强土体的强度。虽然土坡中加筋　进行计算，软基计算宽度取８Ｏ　ｍ，堤身每层网格高　不能减小土坡的竖向沉降，但是却能有效地减小土　取为１　ｍ，软基每层网格高取为１．５　ｍ；砂垫层厚取　坡的不均匀沉降，并且约束土坡的侧向位移，降低坡　为０．５　ｍ。为模拟施工分级加荷，按施工分层将堤身　体中的应力水平，抑制坡体中塑性区的开展，从而使　分成１０层单元，每次计算施加１层网格，每个施工　的土坡更加稳定。这是大多数研究者的共识。　分层均按中点增量法进行分析。计算时的有限元网　然而，对于地基土土质不同的路堤，其破坏形式　格如图１所示。参照一些实际工程和文献所提供的　是不相同的，滑动面的位置也不相同。因此，不同位　数据，在表１列出计算时所选取的计算参数。　置的加筋所产生的效果有很大的差异。本文通过两　个算例采用所编制的计算程序来分析不同位置加筋　对路堤稳定的影响。　２算例概况　本算例为一路堤，堤高１０　ｍ，地基厚２Ｏ　ｍ，堤　顶宽４Ｏ　ｍ，边坡１：２，土工合成材料铺设于堤底。由　收稿日期：２００５—１１－０４　作者简介：严驰（１９５９～），女，天津大学岩土所副教授，研究方向　土　图１有限元网格划分图　与建筑物的相互作用　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００６年３月　Ｎｏ．１　港工技术　・３９・　裹１材料主要参数表　３有限元计算结果和分析　接　触　面　参数　模量数　模量指数ｎ　破坏比ＲＩ　接触面外　摩擦角　／（　）　３．１位移　苴　加筋材料兀　一砂垫层　５ｏｏ　１．３８　Ｏ．９６　３０．２　从图２～图５可以看出不同的加筋位置对软基　模型　重７／土体窖　　横量数　模量　路堤侧向位移影响效果的差异是明显的。未加筋时　指数　破坏比　庠积模　量数　ｔ指数　ｃ阵积模　凝聚力　内摩　／ｋＰａ　擦角　△∞　参数　（ｋＮ・　Ｋ　Ｒｆ　Ｋ／（。）　／（　）　土　ｍ。３）　，　的侧位移值为０．６２　ｍ的等值线区域是最大的，并　体　苴　土体ｌ　ｌ９　２００　Ｏ．６　０．９　１００　０．４　ｌ７　ｌ　６．４　——　且延伸到了坡面上；而在堤底加筋后，０．６２　ｍ位移　兀　土体２　１　７　５０　０．４　０．７　２０　０．７　６　１２　——　等值线的范围大幅缩小，并且最大侧位移中心也向　砂垫层　１　７．５　６８０　０．４４６　０．９６　２３０　０．３４　０　３２　５　下移了大约１．５　ｒｎ左右；在堤身３　ｍ处加筋也有效　为了对比分析，本文计算了地基较软和地基较　地减小了０．６２　ｍ侧位移等值线的面积，同样也使　密实两种情况：当计算软基时，用土体２作为地基　得最大侧位移中心向下移动了０．５　ｍ左右；在堤身　土，土体１作为填土；而计算密实地基时，则情况相　６　ｍ处加筋的效果是最不明显的，０．６２　ｍ侧位移等　反。每种加筋的情况，都铺设砂垫层。在实际计算中，　值线区域也延伸到了坡面上，只是０．７４　ｍ侧位移　将加筋材料的模量设定为１　２５０　ｋＮ／ｍ　等值线的面积较未加筋时有所减小。　图２　无加筋软堤侧位移　图３堤底铺设加筋材料　图４堤１Ｉｉ　３　ｍ设加筋材料　图５堤商６　ｍ设加筋材料　从表２可以看出，在堤底加筋对侧位移的约束　位移等值线图，发觉加筋所产生的效果并不明显。但　效果是最好的。而在堤身６　ｍ处加筋对侧向位移的　是，值得一提的是，加筋对于不均匀沉降的改善还是　减小值不到堤身３　１ＴＩ处加筋减小值的一半。　有一定作用的。　衰２加筋前后软基路堤最大侧位移的变化情况　ｍ　对比了软基路堤与密实地基路堤不同位置加筋　位移　未加筋　堤底加筋　堤身３　ｍ　堤身６　ｍ　对位移的影响，可以得出如下结论。虽然软基路堤在　加筋　加筋　堤底加筋的效果最好，而密实地基路堤是在堤身３　最大侧位移值　０．８３７　０．７１９　０．７３１　０．７９２　ｍ处加筋效果最好，但是这两个位置加筋的共同点　加筋后侧位移减小量　０．１１８　０．１０６　０．０４５　是：这两处加筋位置距各自路堤最大侧向位移位置　加筋后侧位移减小幅度　１４．１　１２．７　５．４　的距离都是最近的，因此，产生的加筋效果也是最好　密实地基路堤的侧位移等值线图在此省略，由　的。相反，距离最大侧向位移所在位置越远，加筋效　表３结果可知，在堤身３　ｍ处加筋对侧向位移的约　果就越差，这从软堤堤身６　ｍ处的加筋效果可以看　束效果是最好的。　出来。并且对于较密实地基的路堤，无论是在堤底加　表３密实地基路堤加筋前后最大侧位移的变化情况ｍ　筋还是在堤身６　ｍ处加筋，由于这两处距离最大侧　位移　未加筋　堤底加筋　堤身３　ｍ　堤身６　ｍ　位移中心的距离基本相当，因此加筋的效果也相差　加筋　加筋　不大。所以，笔者认为，加筋对侧向位移所产生作用　最大侧位移值　０．４５２　０．３５３　０．３０９　０．３６１　的大小，与加筋离最大侧位移中心的距离是有密切　加筋后侧位移减小量　０．０９９　０．１４３　０．０９１　关系的。这个距离越小，加筋的对侧位移的约束效果　加筋后侧位移减小幅度　２２．０　３１．６　２０．１　就越好，反之，加筋的效果就差。对于密实地基的路　由分析可知，相对于软基路堤来说，加筋对密实　堤，由于加筋的位置要根据初始计算结果而定，因此　地基路堤的侧向位移的约束效果要好许多。密实地　笔者建议加筋前先做初步计算。　基路堤加筋最大侧位移减小幅度达到了３１．６　９／６，而　３．２应力分布　软基路堤只有１４．１　。　无加筋及在堤高不同位置铺设加筋材料的软基　加筋的作用是约束侧向位移而对竖向位移影响　路堤水平应力等值线如图６～图９所示；其剪应力　不大，这已经是共识了，并且笔者也仔细观察了竖向　等值线见图１Ｏ～图１３　维普资讯 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・４０・　港　工　技　术　２００６年３月　Ｎｏ．１　图６无加筋软堤水平应力　图７堤底铺设加筋材料　图８堤离３　ｒａ铺加筋材料　图９堤离６　ｒａ铺加筋材料　从图６～图９可以看出，软基加筋对水平应力　平应力分布的影响效果不大。　的影响不太显著，影响范围在加筋位置上下２～３　ｍ　软堤竖向应力等值线图在此省略。但从计算结　以内。从图８能很清楚的看出，在堤身３　ｍ处加筋　果看。加筋对地基土体的竖向应力状态几乎没有改　后。高度从２０　ｍ到２６　ｍ的区域的水平应力分布发　善。由于本程序中的荷载为土的自重。而砂垫层比较　生了很大的变化，但在这个区域以外。水平应力的变　薄，所以竖向的土重改变不大，因此竖向应力的变化　化不大。从整体上来说。除了加筋区域外，加筋对水　也不是很明显。　图ｌ０无加筋软堤剪应力　图ＩＩ　堤底铺加筋材料　图ｌ２堤高３　ｒａ铺加筋材料　图ｌ３堤高６　ｒａ铺加筋材料　从图１０～图１３可以看出软基加筋对剪应力的　范围大概是以筋材为中心，高度约为４　ｍ的区域。　影响还是较大的。堤底加筋后的剪应力较加筋前的　３．３应力水平和临界滑动面　’　改变可以由图１０和图１１中一１．７和一２．３的两条等　通过塑性区的大小判别边坡稳定向来是利用有　值线的差异来说明。堤底加筋后，这两条剪应力等值　限元计算结果分析边坡稳定的主要方法。下面笔者　线的面积明显缩小了，并且在２０　ｍ高度一１．７的等　结合应力水平分布图和采用动态规划法搜索的临界　值线向右凹，说明加筋后筋材与土体之间产生的摩　滑动面对不同位置加筋的加筋效果进行分析。　擦力有效地抑制了剪应力的发展，从而降低了坡体　无加筋及在不同位置铺设加筋材料的软基路堤　中的剪应力　堤身３　ｍ处加筋后。一０．０５和一０．６两条　应力水平等值线分布见图１４～图１７；软基路堤不同　等值线的面积有所改善。与堤底加筋相同的是，在　位置加筋时的临界滑动面见图１８。　２３　ｍ高度位置一０．６的等值线也向右凹。而堤身６　ｍ　从图ｌ４～图１７可以看出：堤底加筋和在堤身３　处加筋后，由于堤身上部的剪应力等值线分布稀疏，　ｍ处加筋后，坡体的塑性区较未加筋前都有缩小，　因此看不出加筋对剪应力分布状态的影响。　说明在这两处加筋是有效果的。堤底加筋后，塑性开　密实地基路堤的应力等直线图在此省略。密实　展区的面积最小。但是对坡身的应力水平分布却没　地基路堤加筋对水平应力的影响与软基路堤差别不　有多大的影响。堤身３　ｍ处加筋后，塑性开展区的　大；与软基路堤一样，竖向应力的变化只受砂垫层的　面积较未加筋前小，但是比堤底加筋时大，说明其对　厚度以及砂垫层土的密度影响，与加筋的关系不大；　塑性区的约束作用不如堤底加筋，但是对坡身应力　由剪应力的变化结果得知，堤底加筋后，影响主要在　水平分布的改变却要比堤底加筋强的多。堤身６　ｍ　地基中，对堤身的剪应力分布影响不明显。密实地基　处加筋对基底塑性区的减小作用几乎没有，但对坡　路堤加筋与软堤一样，筋材的影响范围是有限制的。　身应力水平的影响却大大超过了前面两种情况。从　通过对比软堤和密实地基路堤不同位置加筋的　上面的比较可以看出。加筋对应力水平的影响也是　应力分布，可以得出以下结论：　有范围限制的，虽然堤底加筋对塑性区的改善作用　加筋能有效改善剪应力和水平应力的分布，但　最为明显，但是堤身应力水平的分布却不在它的影　是这种影响是有范围限制的，在本文算例中的影响　响范围之内。　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００６年３月　Ｎｏ。１　港工　技术　・４１・　图ｌ４无加筋软堤应力水平　图ｌ５堤底铺加筋材料　图１６堤商３　ｍ铺加筋材料　图１７堤商６　ｍ铺加筋材料　从图１８可以看出，刺入地基最深的滑动面是未　加筋时的滑动面。堤底加筋后，刺入深度比未加筋时　大为减小，滑弧最低点大约上移了１　ｍ左右，说明　堤底加筋有效地限制了滑弧向地基深处发展。但是，　随着加筋位置的上移滑动面刺入深度又逐渐增大，　在堤身３　ｍ处加筋的滑动面和在堤身６　ｍ处加筋　的滑动面与未加筋时的滑动面相差不大。对比滑动　面图与应力水平分布图，可以看出滑动面的位置与　塑性区的分布和大小是相互对应的。表４给出了软　基不同位置加筋对土坡稳定性的影响。　圈ｌ８软基路堤不同位置加筋时的临界滑动面　表４软基不同位置加筋时的安全系数变化情况　安全系数变化情况　未加筋　姓底加筋　堤身３　ｍ　堤身６　ｍ　加筋　加筋　安全系数　１．２５２　１．３３３　１．２８９　１．２５３　加筋后安全系数增大量　０．０８１　０．０３７　０．００１　加筋后安全系数增大幅度　６．５　３．０　０．１　从表４可以看出，在堤底加筋对加强土坡的稳　定性作用是最大的，而在堤身３　ｍ处加筋的作用大　幅度减小，而在堤身６　ｍ处加筋几乎就没有作用。　密实地基路堤的计算结果图表在此省略。由结　果可知，无加筋密实地基路堤的临界滑动面与堤底　加筋的密实地基路堤的临界滑动面的走势基本上是　相同的，并且距离堤底的距离也差不多，说明堤底加　筋虽然增加了土坡的稳定性，但是对于堤身破坏的　路堤滑动面形状影响不大。滑动面的位置与软基路　堤一样都是随着应力水平的变化而变化的，并且由　于密实地基加筋后应力水平分布的改变较软基大，　因此，滑动面的变化也大。　４　结论　通过对比软堤和密实地基路堤不同位置加筋的　应力水平分布、滑动面以及安全系数的变化，可以得　出以下结论：　加筋对应力水平分布的改变是显著的。加筋对　应力水平的改变远大于对剪应力分布的改变。笔者　认为，在剪应力分布改变已定的情况下，应力水平发　生更大的变化，原因在于砂垫层的土体好于填土，在　同样大的剪应力情况下，砂垫层的土由于抗剪强度　大，因而应力水平就小。从而使得应力水平进一步发　生变化。同时由于砂垫层的存在，更加能发挥筋材的　作用，使得加筋作用更显著。同侧向位移一样，离应　力水平中心越近加筋，所产生的效果就越明显。　加筋对滑动面的影响受加筋位置和滑动面位置　的影响。如果滑动面不穿过筋材，则滑动面形状的改　变很小，如本文中密实地基路堤未加筋时的滑动面　与堤底加筋时的滑动面。而如果滑动面穿过筋材，则　滑动面形状的改变情况与加筋位置有关。当筋材离　塑性区近时，滑动面的形状改变大，反之，改变就小。　加筋都能增大安全系数，从而使得土坡更加稳　定。安全系数增大的幅度随着加筋位置远离塑性区　而减小。此外，在距塑性区距离相同的情况下，如果　滑动面穿过筋材，则安全系数相应增大。　．　［参考文献］　［１］钱家欢，殷宗泽．土工原理与计算［Ｍ］．第２版．北京：　中国水利水电出版社，１９９６．　［２３钱家欢，殷宗泽．土工数值分析［Ｍ］．第１版．北京：中　国铁道出版社，１９９１。　Ｅ３３张学言．岩土靼性力学［Ｍ］＿北京：人民交通出版社，　１９９３．　Ｅ４］陈祖煜．土质边坡稳定分析一原理・方法・程序［Ｍ］．　北京：中国水利水电出版社，２００３．