膨脹土邊坡土釘支護(hù)的有限元分析

李建華，劉萍，連寶琴

(廣州城建職業(yè)學(xué)院，廣東廣州510925)

1 概述

膨脹土作為一種特殊性的土，膨脹土邊坡的穩(wěn)定性的改善已經(jīng)受到許多學(xué)者的關(guān)注和研究，他們分別從巖土工程理論、實(shí)驗(yàn)研究、設(shè)計(jì)和施工階段展開研究［1-4］。有限元法最初在上世紀(jì)50年代，用于航空航天領(lǐng)域的強(qiáng)度和剛度計(jì)算。如今，有限元法從最初應(yīng)用于固體力學(xué)領(lǐng)域，已成為在性能分析與仿真方面具有計(jì)算結(jié)果可靠、效率高效的分析工具，也成為了如今設(shè)計(jì)中使用最為廣泛的計(jì)算方法。巖土因其為非均質(zhì)、非線性、多相物質(zhì)的復(fù)雜集合體，有限元可以較為準(zhǔn)確的分析深基坑、高大邊坡的變形特性。趙杰等就曾對(duì)基坑邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究［5］，其采用的有限元方法分別為滑面應(yīng)力分析法和強(qiáng)度折減法兩種。

傳統(tǒng)的二維有限元分析把土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成平面應(yīng)變進(jìn)行研究［6］，但是這種方法是把土釘?shù)刃С闪藙偠认嗟鹊囊粋€(gè)薄層，放大了釘土之間的相互作用面，與實(shí)際的土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)受力偏差太大，特別是等效薄層的剛度取值合理與否，直接影響到有限元計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，如果剛度過大將阻止剪應(yīng)力的傳遞，無法如實(shí)還原土釘支護(hù)邊坡的穩(wěn)定情況。朱彥鵬等就某工程實(shí)例，建立三維有限元模型，模擬基坑開挖、基坑支護(hù)的施工過程，分析得到了土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)在復(fù)合土釘墻中起到了重要作用［7］。但是考慮降雨條件下土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)在膨脹土邊坡中土釘?shù)氖芰π阅芤约斑吰挛灰埔?guī)律性研究還不多見，本文作者［8-10］就前期已進(jìn)行的模型試驗(yàn)與相關(guān)理論研究的基礎(chǔ)上，基于非線性分析求解方面功能強(qiáng)大的ADINA有限元分析軟件和高性能的計(jì)算機(jī)，對(duì)膨脹土土釘支護(hù)邊坡結(jié)構(gòu)建立三維模型，并進(jìn)行仿真計(jì)算，對(duì)數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)研究所得到的邊坡位移和土釘軸力進(jìn)行比較和分析，為更好地指導(dǎo)工程實(shí)踐。

2 基本假定

采用土釘加固處理的方法屬于邊坡內(nèi)部加固法，由于室內(nèi)模型試驗(yàn)采用了注漿土釘支護(hù)方式，故本文采用將加固物與土體合并考慮，且采用土釘和土體等效化為均值各向異性體的等效法進(jìn)行模擬分析。在采用ADINA進(jìn)行有限元建模數(shù)值分析時(shí)，為簡(jiǎn)化計(jì)算，作出以下假定［11，12］:

1)土釘支護(hù)邊坡考慮邊角效應(yīng)的影響;

2)土釘和土體為連續(xù)、均質(zhì)、各向同性彈塑性材料;

3)不考慮土體自重。

3 有限元模型建立

3.1 單元選擇

面板和土體:采用三維實(shí)體單元，采用8節(jié)點(diǎn)等參單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度，具有塑性、徐變、應(yīng)力硬化、大變形、大應(yīng)變等特性。

土釘:采ADINA軟件中的Rbear單元，由于采用Rebar功能，則不需要用戶劃分單元，前處理在求解時(shí)自動(dòng)處理土釘與土體之間的單元關(guān)系。在邊坡頂部荷載較小情況下，釘體與土體間不存在相對(duì)位移，采用土釘與土體節(jié)點(diǎn)進(jìn)行耦合的方法如圖1。

圖1 土釘與土體的耦合

3.2 基本參數(shù)的選取

基本參數(shù)選取見表1。

表1 材料的力學(xué)性能指標(biāo)

3.3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

模型試驗(yàn)在一設(shè)計(jì)為長(zhǎng)×寬×高=1 500 mm×600 mm×1 500 mm的模型箱內(nèi)進(jìn)行，模型箱(圖2)的制作采用5 mm厚鋼板，外側(cè)分別用4根50 mm角鋼圍成，內(nèi)側(cè)由4根70 mm的等邊角鋼固定。為消除邊界效應(yīng)的影響，模型箱內(nèi)側(cè)各設(shè)兩道減摩措施。模型箱內(nèi)人工填筑膨脹土，壓實(shí)度為80%，因本次為室內(nèi)小比例模型試驗(yàn)，模型制作時(shí)僅考慮為垂直面板，而實(shí)際的基坑支護(hù)在條件允許的情況下大多采用放坡設(shè)計(jì)，在后續(xù)課題研究中將做對(duì)比研究。采用了飲用水管側(cè)面三向鉆微孔人工模擬降雨(圖2)，水源接室內(nèi)自來水，設(shè)置開關(guān)閥門，控制降雨強(qiáng)度。

3.4 建模計(jì)算

以室內(nèi)模型試驗(yàn)作為分析算例，采用試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖鋮?shù)建立三維模型對(duì)其進(jìn)行模擬。三維計(jì)算模型如圖3所示，除面板和模型頂部設(shè)置為排水邊界外，其余均為固定不透水邊界。整個(gè)三維模型采用矩形網(wǎng)格，均為四邊形單元，面板單元數(shù)160個(gè)，土體單元數(shù)為3 200個(gè)，每根土釘單元數(shù)為19個(gè)，共計(jì)152個(gè)?？傆?jì)3 512個(gè)單元，4 318個(gè)節(jié)點(diǎn)。在本次數(shù)值模擬計(jì)算中荷載施加過程采用等步長(zhǎng)等量加載的方式，總共計(jì)算了60步，分別與室內(nèi)模型試驗(yàn)時(shí)的監(jiān)測(cè)時(shí)間相對(duì)應(yīng)。三維模型計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖2 模型箱與降雨模擬器

圖3 三維計(jì)算模型

圖4 第60步時(shí)的位移云圖

4 數(shù)值計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析

4.1 邊坡位移對(duì)比分析

圖5中可以看出，邊坡面板的水平位移最大值出現(xiàn)在面板中部，都是中間大兩端小，呈拋物線形狀，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的變化趨勢(shì)大致相同，實(shí)測(cè)最大的水平位移至為8.48 mm，而數(shù)值模擬計(jì)算得到的最大水平位移值為8.54 mm。

從實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析可以看出，土釘支護(hù)的膨脹土邊坡豎向最大膨脹量出現(xiàn)坡頂土層，坡底土層的膨脹量很小或反而出現(xiàn)沉降。模擬降雨對(duì)膨脹土邊坡有一定的影響深度，在此次模型試驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算得到的影響深度約為400 m。對(duì)于圖6實(shí)測(cè)豎向位移出現(xiàn)的沉降是因?yàn)橄聦油馏w浸水軟化，在上部重力下而使其發(fā)生沉降。而數(shù)值計(jì)算得到的結(jié)果并未出現(xiàn)沉降是由于在本次的模擬計(jì)算當(dāng)中做出了不考慮土體重力，即不考慮土體原始位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的基本假定。從圖示的邊坡豎向膨脹量的發(fā)展趨勢(shì)基本相同，且最大的豎向位移量均在為3.84 mm。

圖5 面板水平位移對(duì)比分析

圖6 邊坡豎向位移對(duì)比分析

4.2 土釘軸力對(duì)比分析

對(duì)最終實(shí)測(cè)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果的土釘軸力進(jìn)行對(duì)比分析(圖7)可知各排土釘軸力的變化趨勢(shì)基本一致。雖然軸力分布趨向圖中局部存在一些偏差，筆者分析認(rèn)為非飽和土中氣相、液相的存在使土的性質(zhì)極為復(fù)雜，使得土釘與土的相互作用也極其復(fù)雜。模型試驗(yàn)的過程中有避免不了的影響因素，比如氣候、溫度、濕度、儀器系統(tǒng)等因素的影響，有限元數(shù)值模擬過程中參數(shù)的選取也會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。

圖7 各排土釘軸力對(duì)比分析

5 小結(jié)

采用ADINA有限元軟件對(duì)膨脹土邊坡試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行數(shù)值分析，由計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果分析得到以下結(jié)論:

1)對(duì)于土釘支護(hù)的膨脹土邊坡，面板的水平位移呈“拋物線”形狀，雨水的滲透作用對(duì)邊坡的淺層土層的影響較大，對(duì)深層土層的作用不明顯，降雨對(duì)膨脹土邊坡存在一定的影響深度。此次的數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明該邊坡模型的影響深度為400 mm。

2)模型試驗(yàn)結(jié)果和有限元計(jì)算結(jié)果表明，降雨條件下膨脹土邊坡的面板位移較大，在實(shí)際的膨脹土地區(qū)進(jìn)行深基坑、高大邊坡支護(hù)施工時(shí)，建議土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)與其它支護(hù)方式復(fù)合使用，以達(dá)到最佳的支護(hù)效果。

3)土釘最大軸力基本發(fā)生在靠近面板端部，隨著支護(hù)高度的變化軸力最大值逐漸遠(yuǎn)離面板方向移動(dòng)。數(shù)值分析得到的土釘軸力與試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)大致相同，說明本文的有限元模型是正確的，所以可以利用有限元軟件模擬計(jì)算，對(duì)類似的實(shí)際工程有較高的應(yīng)用價(jià)值。

［1］胡斌，王新剛，連寶琴.纖維類材料改善膨脹土工程性能的適用性探討［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2010，32(S2).

［2］潘秋景，孫志彬，楊小禮.加筋膨脹土邊坡變形及影響因素分析［J］.礦冶工程，2013，33(3):1-4.

［3］劉可特，劉旭紅，周晗晗.膨脹性紅砂巖路塹邊坡柔性支護(hù)設(shè)計(jì)與施工［J］.山西建筑，2012，38(29):171-172.

［4］沈振元.影響膨脹土基坑穩(wěn)定性因素分析［J］，建筑科學(xué)，2012，28(S1):76-78.

［5］趙杰，邵龍?zhí)?基坑土釘支護(hù)邊坡有限元穩(wěn)定性分析方法探討［J］.巖石力學(xué)，2008，29(6):1654-1658.

［6］徐永政.土釘支護(hù)工程穩(wěn)定性的有限元分析［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2005.

［7］朱彥鵬，謝強(qiáng)，張丹麗，等.基于ADINA的深基坑土釘支護(hù)在正常及地震作用下的彈塑性三維有限元分析［J］.四川建筑科學(xué)研究，2008，34(1):88-93.

［8］李建華，祝方才，陳春鳴，等.非飽和膨脹土抗剪強(qiáng)度的三軸實(shí)驗(yàn)研究［J］.公路工程，2011，36(2):31-37.

［9］李建華.降雨條件下膨脹土與土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用研究［D］.株洲:湖南工業(yè)大學(xué)，2010.

［10］ZHU F C，LIJH，XIAOH B.Experimental study on soilnailing in expansive soils considering rainfall effect［C］.Proceedings of the 4th International Symposium on Lifetime Engineering of Civil Infrastructure.Beijing，Scientific Press，2010.

［11］廖新貴.循環(huán)荷載下土釘支護(hù)邊坡的力學(xué)響應(yīng)研究［D］.株洲:湖南工業(yè)大學(xué)，2009.

［12］何杰.軟土地基中楔形樁工作特性研究［D］.株洲:湖南工業(yè)大學(xué)，2008.