加筋土柔性桥台性能的FLAC数值分析.pdf

检测与分析GEOTECHN I CAL ENGI NEER I NG WORLD VOL. 11 No. 1 〔 收稿日期 〕 2007 - 6 - 06 加筋土柔性桥台性能的FLAC数值分析 席永慧 项 宝 同济大学建筑工程系 摘 要 采用有限差分程序FLAC5. 0来模拟加筋土柔性桥台,计算出土工格栅加筋土桥台结构的墙面板 水平位移,加筋材料的内力与变形,讨论了应力在加筋土结构中的扩散形式,并与实测数据进行 比较,提出加筋土桥台的应用方法。 关键词 有限差分法 加筋土 桥台 挡土墙 土工格栅 过去的20年内,世界上建成了几十座加筋土桥 台结构,加筋土桥台的一个显著特征是其在一定情 况下可替代桩的使用,降低工程造价,解决桩基桥台 与路基沉降不均匀产生的路桥过渡段问题 [1～3 ]。 1 材料本构模型 1土体本构模型土工格栅加筋土挡土墙的 填土大多为砂土,其在剪切作用下有剪胀剪缩现象; 此外,砂土的强度及应力应变特性与砂土所受压力 相关,压力小时剪胀现象更明显。本文采用目前岩 土工程中广泛应用的Mohr - Coulomb本构模型, Mohr - Coulomb屈服准则表达式如下 [4 ] f τn- c -σntanφ0 利用应力不变量可表示为 f I1, J2,θ 1 3 I1sinφJ2sinθπ 3 J2 3 cosθπ 3 sin- ccosφ0 式中τn剪应力;σn法向应力; c粘聚力;φ 内摩擦角; 0 ≤ θ ≤60。 2加筋材料本构模型及模拟土工格栅的受 力特点是只能受拉,不能受压,且抗弯刚度很小,与 薄膜材料的受力特点相似,由于土工格栅材料的抗 拉强度和模量比较大,拉伸曲线在应力较小的情况 下一般小于5 呈直线,考虑到土工格栅在填土 中所受到的拉力远小于其抗拉强度,可以将土工格 栅的本构关系近似地看成线弹性关系 [1 ]。 3面板材料及桥台基础的本构模型面板材 料与桥台基础均为混凝土结构,其强度与模量均远 大于土体,在应力远小于其强度时,近似地呈线性关 系,所以采用线弹性本构模型进行分析。 2 数值模拟计算 本文采用了有限差分软件FLAC5. 0进行数值 模拟。FLAC程序采用的是快速拉格朗日方法,它 基于显式差分法来求解运动方程和动力方程。 FLAC除了自身强大的岩土工程分析能力外,还提 供了内嵌扩展语言FISH,极大地增加了其功能和控 制的灵活性。用户可以根据试验结果添加自己的本 构模型,并对计算过程进行物理控制,如模型的分步 制作、 分步加载,破坏监控等 [4、5 ]。 本文分析的是Mike. Adams设 计Founders/ Meadows桥台 [1, 6 ] ,桥跨度为34. 5m,桥台结构墙面 板高6m,共铺设了15层土工格栅加筋材料,在最底 层的加筋材料长度为7. 8m,其上各层逐渐加长,各 层土工格栅的间距为40cm,其结构如图1所示。 图1 加筋土横截面示意图 该加筋土桥台的数值计算模型如图2所示,为 了更加准确地模拟该桥台,选取了挡土墙面板前后 各20m、 深度10m的下层土体来考虑,在前后两个 竖直面上施加水平方向位移约束,在底层边界施加 数值方向的位移约束,桥台基础使用阶段荷载为 150kPam - 2 ,路面使用阶段荷载为25 kPam - 2。 本文采用FLAC内置的Mohr - Coulomb本构模 83 岩土工程界 第11卷 第1期检测与分析 图2 加筋土结构计算分析模型 型来模拟加筋土桥台结构的土体单元,其中Mohr - Coulomb模型参数如表1所示。 表1 土体单元的M - C模型参数 密度 粘聚力 c 内摩 擦角 泊松比 弹性 模量 剪胀角 抗拉 强度 20kNm - 3 7kPa390. 38. 0107104. 0103 土工格栅加筋土材料采用FLAC内置的条形锚 单元Strip来模拟。条形锚是一种专门设计用来模拟 薄的、 平面加筋条形结构。其受力特点为能在拉或压 应力下屈服,而且可以定义其破坏极限,条形锚提供 了剪切抵抗力,但是不能提供弯矩图 3 。土工格栅 在此分析中只承受拉力,其模型参数如同表2。 图3 条形锚单元Strip的力学模型 表2 条形锚单元Strip部分计算参数 筋材永久 设计强度 筋土接触 面摩擦角 筋材厚度 条形锚接触 面粘聚力 条形锚界面的 剪切刚度 50 kNm - 1 300. 01m1. 8107Nm - 1 1. 0105Pa 文中采用二维梁单元Beam来模拟面板和桥 台基础的混凝土结构。FLAC中的Beam单元是具 有两个端点的标准的梁单元,每个端节点具有三个 自由度两个位移、 一个转动。定义梁单元包括它 的材料和几何特性两方面,而且假定材料和几何特 性在每个单元没有变化。一般地,梁被假定为轴向 拉压破坏极限的线弹性材料。还可以指定其最大弯 矩。本文采用的梁单元参数如表3所示。 表3 挡土墙面板及基础梁单元参数取值 密度弹性模量泊松比 与土界面 摩擦角 与土界面 粘聚力 2500kgm - 3 3. 01010Pa0. 23020kPa 3 结果分析 采用FLAC对此加筋土桥台结构进行分析,可 以得到墙面板的侧向变形、 土工格栅加筋材料的内 力及变形、 土体的应力和应变、 基础的沉降等计算结 果。 图4 加筋土桥台土工格栅内力土 图5 加筋土桥台墙面板水平位移 土工格栅加筋材料的内力如图3所示,本文中 选取了第2层、 第8层以及第14层3个土工格栅的 内力与实测结果进行比较分析。模拟计算得到的土 工格栅最大内力均发生在土工格栅与墙面板的连接 处,分别为9. 931kNm - 1 , 12. 92kNm - 1 , 9. 363kN m - 1 ,远远小于连接件的设计连接强度58kN m - 1 ,而在工程竣工通车35个月后,实测的上述3 层土工格栅分别为7. 7kNm - 1 , 9. 2kNm - 1 , 713kNm - 1 [2、3 ] , FLAC模拟计算结果相比偏小,可 能是由于在使用一定时期后,土体的强度有所增强 的结果,而土工格栅随时间的蠕变效应也可能是一 个影响因素。 图5显示出加筋土桥台墙面板的水平位移,其 最大水平位移产生与墙面板一半高度处,最大值为 18. 73mm,与实测最大位移20mm相比,数据偏小, 原因可能是忽略了土工格栅材料及土的蠕变效应。 图6显示出加筋土桥台的土体的水平位移,从 图中可以发现加筋土桥台结构中的加筋土材料改变 了土体的受力的形式。在有加筋材料的部分,土体 93 检测与分析GEOTECHN I CAL ENGI NEER I NG WORLD VOL. 11 No. 1 的X方向的位移受到约束。该结果可用准粘聚力 理论来进行解释。准粘聚力理论认为加筋土结构 可以看做是各向异性的复合材料,通常采用的拉筋, 其弹性模量远大于填土。在这种情况下,拉筋与填 土的共同作用,包括填土的抗剪力、 填土与拉筋的摩 擦阻力及拉筋的抗拉力,使得带有拉筋的填土的强 度明显提高。在没有拉筋的土体中,在竖向应力 σ1 的作用下,土体产生竖向压缩变形。随着竖向应力 的加大,压缩变形和侧向变形也随之加大,直到破 坏。如果在土体中设置了水平方向的拉筋,则在同 样的竖向应力 σ1作用下,其侧向变形则会大大减 小,这是由于水平拉筋与土体之间产生了摩擦作用, 将引起侧向膨胀的拉力传递给拉筋,使土体侧向变 形受到约束。土体中加入高模量的拉筋后,拉筋对 土体提供了一个约束力 σR,即水平应力增量 Δ σ3, 使得侧向压力减小,亦即在相同的轴向变形条件下, 加筋土能够承受较大的主应力差,相当于土体粘聚 力增大了,故称准粘聚力 [7 ]。 图6 加筋土桥台水平位移图 从加筋材料的数值计算结果可以看出,摩擦加 筋理论可以很好地解释本结构中加筋材料的受力形 式,土工格栅材料的轴向内力由面板往内逐步减小。 摩擦加筋理论认为在加筋土结构中,由填土自重和 外力产生的土压力作用于墙面板,通过墙面板上的 拉筋连接件将此土压力传递给拉筋,存在着将拉筋 从土中拉出的可能,而拉筋又被填土压住,于是填土 与拉筋之间的摩擦力阻止拉筋被拔出。因此,只要 拉筋材料具有足够的强度,并与土产生足够的摩阻 力,则加筋的土体就可保持稳定。设由土的水平推 力在该微分段所引起的拉力dTT1-T2 , 假定拉 力沿拉筋长度呈非均匀分布 , 垂直作用的土重和 外荷载为竖向力N,拉筋与土之间的摩擦系数为f, 拉筋宽度为b,作用于长dl的拉筋条上下两面垂直 力为2N bdl,拉筋与土体之间的摩擦阻力为2Nfbdl。 如果2N fbdl dT,则拉筋与土体之间不会出现滑动。 如果每一层加筋能满足上式要求,则整个加筋土结 构的内部抗拔稳定性就得到保证 [7 ]。 4 结论 采用有限差分程序FLAC能够相当准确地模拟 加筋土桥台结构的内力和变形情况, FLAC内置了 比较丰富的材料本构模型以及结构单元,这些也为 完成建模提供了方便。采用条形锚单元能够比较好 地描述土工格栅与土的相互作用。 土工格栅向下变形,格栅被拉伸,形成一层向上 的抗力,格栅层起着“ 网兜 ” 的作用,提高了填土的 整体承载能力。 土工格栅的加筋作用降低了柔性桥台内部滑动 破坏的可能性,潜在的滑动面与未铺土工格栅的桥 台结构不同,呈现出非连续的特征。 采用加筋土摩擦加筋理论可以很好地解释本结 构中加筋材料的受力形式,土工格栅材料的轴向内 力由面板往内逐步减小。 采用准粘聚力理论可以很好地解释加筋土体内 应力应变关系的变化,土体的承载力明显的提高,而 桥台基础以及路面的沉降明显的减小。 参考文献 [1 ] Sam M. B. , Jonathan T . H.GRS bridge abutments - an effective means to alleviate bridge approach settlement .Geotextiles and Geomembranes, 2003 21 177 - 196. [2 ] 周志刚,郑健龙,宋蔚涛.土工格栅加筋柔性桥台的机理分 析.中国公路学报, 2000, 131 18 - 21. [3 ] 周志刚,郑健龙.公路土工合成材料设计原理及工程应用.北 京人民交通出版社. 2001. [4 ] 刘 波.FLAC原理、 实例与应用指南.北京人民交通出版 社, 2005. [5 ] 陶连金, Richard J. Bathurs .土工格栅加筋边坡坡顶条基极限 荷载的预测.土木工程学报, 2005, 387 107 - 111. [6 ] Abu - Hejleh. , Zornberg, J. G . . 2002, “Monitored Displace2 ments of Unique Geosynthetic Reinforced Bridge Abutments“ , Geosynthetics International, Vol . 9, No. 1, 71 - 95. [7 ] 杨果林,等.现代加筋土挡土结构.北京煤炭工业出版社. 2002. 第一作者通讯地址上海市杨浦区武东路100号0509信箱 邮编 200092 04