基于有限元強度折減法對齒墻在軟基上閘室穩(wěn)定的影響研究

周演騰，丁貫西，許 淼

1.紹興水利局，浙江 紹興 312000；2.紹興市河道管理委員會辦公室，浙江 紹興 312000)

基于有限元強度折減法對齒墻在軟基上閘室穩(wěn)定的影響研究

周演騰1,2，丁貫西1，許 淼1

1.紹興水利局，浙江 紹興 312000；2.紹興市河道管理委員會辦公室，浙江 紹興 312000)

水閘地基的不穩(wěn)定性，對閘室的抗滑穩(wěn)定造成眾多不利因素，而水閘中常用起防沖抗滑作用就是齒墻，因此有必要對齒墻在軟基上的閘室穩(wěn)定的影響進行分析.針對該問題，采用有限元強度折減法來研究齒墻在軟基上閘室穩(wěn)定的影響，并根據(jù)5種不同情況對水閘進行有限元分析計算結果，結果表明齒墻深度的增加能提高閘室的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù).

閘室;有限元強度折減法;齒墻;穩(wěn)定系數(shù)

0 引 言

水閘在我國有著廣泛的應用，其地基條件亦是多種多樣的.水閘地基宜取完整新鮮的巖石，但我國水閘多建設在河流下游的平原和濱海地區(qū)，水閘閘基以松軟的土基為多，中等強度的砂礫石地基在工程中也較為常見.軟土地基的承載能力有限，而砂礫石地基的抗?jié)B性不好，工程中對它們都要進行相應的處理[1]，以達到穩(wěn)定的要求.

《水閘設計規(guī)范SL265—2001》僅從其對閘室沿地基表層抗滑穩(wěn)定性的增強作用來考慮，沒有給出具體的齒墻設計依據(jù).但從其抗滑機理上，可利用土體穩(wěn)定基本理論進行分析[2-4].而有限元法常用于土坡的穩(wěn)定性分析，其主要方法有：①應力水平法；②搜索滑面法；③滑面應力法；④強度折減法.筆者現(xiàn)針對不同齒墻設置情況下的閘室結構進行有限元分析，根據(jù)模擬的結果分析研究齒墻對閘室滑動形態(tài)的影響.在計算中為了使問題得到簡化，以突出齒墻對閘室滑動的影響，假設地基為均質地基.

1 閘室穩(wěn)定分析的有限元法

1.1 有限元強度折減法簡介

有限元強度折減法的要點就是在外荷載不變的情況下，利用c′=c/R和φ′=arctan(tanφ/R)來逐漸降低地基土體材料的強度指標c、φ，然后對結構進行彈塑性有限單元計算，直到土基達到臨界破壞，此時的材料折減系數(shù)R就是結構的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Fs.

有限元的基礎是有限元網(wǎng)格的劃分和材料本構模型的選取，合理的網(wǎng)格劃分不僅可以有效的分析問題，并且可以降低對計算機配置的要求，因此在計算中要選取適當?shù)膯卧愋?

材料本構模型的選取對模擬結果的準確性有很大影響，要根據(jù)材料的性質選用適當?shù)谋緲嬆Ｐ?隨著有限元技術的發(fā)展和工程實際的深入，現(xiàn)在已有多種本構模型備選用，這些模型多數(shù)經(jīng)過了大量工程應用的檢驗.

邊界條件的選取對計算結果同樣具有較大的影響，工程實際中計算分析的邊界條件通常較為復雜，對它的選用存在較大的近似性，應根據(jù)不同的工程實際合理地選用邊界條件.當結構的形狀和荷載具有某種對稱性時，往往選取結構的一部分來進行計算，這時在對稱面或對稱軸上的邊界條件應根據(jù)具體的情況分別予以確定.

控制閘室穩(wěn)定的荷載主要包括水荷載和結構自重.在這些荷載的作用下，地基土要發(fā)生塑性變形，當這個塑性區(qū)形成一個連續(xù)的面時，這個面就是我們要找的潛在滑動面.由于分析重點是地基土在各種力作用下的綜合反映，因此混凝土的本構模型也可以采用較為簡單的彈性模型，這樣可以加快計算的速度.

1.2 材料模型選取

計算中，土體材料的破壞準則采用莫爾—庫侖破壞準則，莫爾—庫侖準則假定破壞發(fā)生時，材料任意一點的剪應力達到一定的值，該值與同一平面上的正應力成線性的關系，可用莫爾應力圓表示(見圖1).

圖1 摩爾應力圓

莫爾—庫倫模型的定義如下：

τ=c-σtanφ

(1)

從應力圓可以看出：τ=scosφ，σ=σm+ssinφ，把它們代入式(1)并進行計算得：

s+σmsinφ-ccosφ=0

(2)

一般的應力狀態(tài)可便捷的寫成：

F=Rmcq-ptanφ-c=0

(3)

縱向應力和偏應力平面上的莫爾庫倫屈服面的形狀(見圖2),圖2中Rmc和Θ的定義和圖1中的相同.

圖2 縱向應力和偏應力平面上的莫爾庫倫屈服面

2 實例分析

某節(jié)制閘總寬度576 m，36閘，每閘凈寬16.0 m，中墩厚2.0 m，閘軸線垂直兩岸大堤，底板為開敞式鋼筋混凝土.閘室順水流方向的長度27.50 m，閘室垂直水流方向總長度646.0 m[7].

在本次計算中，土體材料采用彈塑性模型，利用Mohr-Coulomb破壞準則進行分析，而齒墻則采用彈性模型，具體參數(shù)(見表1).

表1 有限元計算的材料參數(shù)

地基土混凝土密度/(kg/m3)1800密度/(kg/m3)2450彈性模量/Pa8.0×107彈性模量/Pa3.0×1010泊松比0.3泊松比0.2摩擦角/(°)30屈服應力/Pa2.0×105

荷載施加的過程建立多個分析步來實現(xiàn).不同的分析步，按照實際工程中荷載的加載順序分別施加到結構中去.而在初始步中只施加邊界條件，在后續(xù)的分析步中再陸續(xù)施加其它荷載的作用，計算中只對模型施加水壓力和結構自重，作用于水閘上的偶然荷載則不予計算.

本模型共有5 231個節(jié)點，5 002個單元，其中主要以四節(jié)點減縮平面應變單元為主，局部以三節(jié)點平面應變單元過渡.

閘室是否發(fā)生滑動破壞的判定標準主要根據(jù)有限元計算的收斂與否確定閘室是否發(fā)生滑動破壞，當計算收斂時則認為閘室處于穩(wěn)定狀態(tài)；當計算不收斂時則可判定結構發(fā)生了破壞.通過分析地基塑性應變的變化和分布來判斷地基是否處于穩(wěn)定狀態(tài)，如果當?shù)鼗鶅饶骋环档乃苄詰儏^(qū)域相通時，則可判斷地基發(fā)生破壞.根據(jù)計算所得的域內某一部位的位移與折減系數(shù)之間的關系變化特征來確定失穩(wěn)狀態(tài).Zienkiewice最早采用最大的節(jié)點位移作為結構失穩(wěn)的依據(jù)，當位移急劇增加時即認為水閘發(fā)生失穩(wěn)破壞.圖3為不設齒墻時閘室最大節(jié)點位移值與強度折減系數(shù)的關系曲線.

圖3 無齒墻時的折減系數(shù)與最大位移曲線圖

在本文中認為當?shù)鼗鶅忍囟▍^(qū)域某一幅值的塑性連成一片時，閘室發(fā)生失穩(wěn)破壞.在正常擋水位情況下，分析齒墻對閘室滑動的影響，在設置一個齒墻情況下進行分析，通過有限元計算得到它們的等效塑性應變圖，通過圖形的觀察得出齒墻的設置對閘室滑動的影響.

單個齒墻的設置深度及其對應的塑性區(qū)(見圖4～圖8).

圖4 無齒墻時的塑性變形區(qū)

圖5 齒墻深0.5 m時的塑性變形區(qū)

圖6 齒墻深1.0 m時的塑性變形區(qū)

圖8 設置單個2 m齒墻時閘基塑性變形區(qū)

通過對圖4～圖8的觀察可知，當設置單個齒墻時，結構的滑動面位于閘底板輪廓附近，在閘室的上、下游端將形成較大的塑性區(qū).圖4～圖8還表明隨著齒墻深度的加大，當閘室結構發(fā)生破壞時，滑動體的體積增加了，這樣抗滑力將得到提高，通過與圖3對比可以得出隨著齒墻深度的增加，閘室的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)得到了提高.

3 結 語

為更好的研究齒墻對軟基上閘室穩(wěn)定的影響程度，采用有限元強度折減法，結果表明齒墻深度的增加能提高閘室的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù).本文僅在一種軟土地基中進行齒墻對閘室穩(wěn)定性的影響研究，而不同土質和不同形狀的齒墻均對結構的力學性能有較大影響.因此可以考慮在不同土質的情況下，設置不同形狀的齒墻對提高穩(wěn)定性的程度做進一步的研究.

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[2] 屠毓敏,俞亞南.齒坎式護岸結構抗滑穩(wěn)定性分析[J].土木工程學報,2000,33(5):97-99.

[3] 王 千,荊 凱,王 建.齒墻對提高水閘抗滑作用的分析[J].水力發(fā)電,2013,39(5):41-45.

[4] 屠毓敏,吉建興.軟粘土地基中齒坎抗滑效應的研究[J].巖石力學與工程學報,2003,22(1):159-161.

[5] 陳倩倩.基于強度折減有限元法的邊坡失穩(wěn)判據(jù)研究[D].西安:長安大學,2015.

[6] UGAI K. Amethodof Calculation of Totalsafety Factor of Slopes by Elastic-plasticFEM[J].Soil and Foundations,1989,29(2):190-195.

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Impact of Key-wall on Chamber Stability Coefficient Based on Strength Reduction Method

ZHOU Yan-teng1, 2, DING Guan-xi1, XU Miao1

(1.Shaoxing Water Conservancy Bureau, Shaoxing 312000, China;2.Shaoxing River Management Office, Shaoxing 312000, China)

Due to the rapid development of water conservancy, a lot of sluices have been built on soft ground. Many negative factors of anti-sliding stability are caused by the foundation of the chamber instability, and the key-walls play a role in chamber stability coefficient, which is worth detailed study and analysis. The impact of the key-wall on the chamber stability coefficient is analyzed by using finite element shear strength reduction method. According to the FEM computation for chamber with five different situations, that the stability coefficient increases along with the increase of the key-wall depth can be found out.

chamber; finite element shear strength reduction method; key-wall; stability coefficient

2016-04-08

周演騰(1983-)，男，浙江臺州人，工程師，從事水利工程管理.

TV662

A

1008-536X(2016)08-0024-04