加筋土工格柵土石壩數(shù)值模擬分析

毛肖寧

摘要：利用通用有限元軟件ADINA 對在相同荷載下土工格柵加筋高陡坡土石壩與未加筋土石壩兩種工況下σ（應(yīng)力）-ε（應(yīng)變）狀態(tài)進(jìn)行了對比分析，通過數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，土工格柵加筋圖高陡坡土石壩與未加筋土石壩相比不僅ε（應(yīng)變）明顯減小，而且σ（應(yīng)力）也相對減小。實例應(yīng)用表明，加筋土工格柵使用在土石壩中，不僅使得壩體的建設(shè)不再受到地形的限制，而且是一種實用有效的方法。

Abstract： The general finite element software ADINA is used to compare the σ（stress）-ε（strain） state of reinforced high steep slope earth rock dam and unreinforced earth rock dam under the same load. It can be seen from the numerical simulation results that the reinforced high steep slope earth rock dam not only has a significant decrease in ε （strain） but also a relatively small σ （stress） compared with the unreinforced earth-rock dam. The application of the reinforced geogrid in the earth-rock dam not only makes the construction of the dam no longer limited by the terrain， but also is a practical and effective method.

關(guān)鍵詞：土石壩；加筋土工格柵；數(shù)值模擬；有限元分析

Key words： earth and rock dam；geogrid reinforced soil workers；numerical simulation；the finite element analysis

中圖分類號：S277；TV67 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）30-0160-04

0 引言

隨著社會的發(fā)展，科技的進(jìn)步，加筋土工格柵技術(shù)在水運(yùn)、水利及市政工程中的應(yīng)用越來越普遍，而隨著加筋土工格柵技術(shù)的廣泛應(yīng)用，不僅使得垃圾填埋場中的土石壩建設(shè)不在受到地形的限制，而且可以降低壩體ε（應(yīng)變），提高其穩(wěn)定性，為土石壩的安全性提供了新的保障[1]。

加筋土的性能主要取決于填料（如物理力學(xué)性質(zhì)、水力學(xué)性質(zhì)），筋帶材料（如筋材受力變形特征、布置方案、筋—土界面特性），面板（面板剛度、面板與筋材的連接方式）[2]。

雖然以前專家對加筋材料進(jìn)行了大量的研究，但是如何將加筋材料應(yīng)用在垃圾填埋場的土石壩中以及在各種荷載作用下加筋材料變形狀態(tài)，并沒有進(jìn)行探討。本文通過應(yīng)用通用有限元軟件ADINA，對土工格柵加筋土高陡坡土石壩與未加筋土石壩進(jìn)行了數(shù)值模擬對比分析，為以后加筋材料在土石壩中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 理論模型與方法

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限單元法成為現(xiàn)在解決工程問題的主流，有限元法主要是將分析域進(jìn)行離散化處理，然后根據(jù)變分原理將力學(xué)分析中的控制方程基邊界條件轉(zhuǎn)化為等效的代數(shù)方程組，從而確定求解域內(nèi)連續(xù)的場函數(shù)問題轉(zhuǎn)化為求解有限各離散點處的場函數(shù)值問題[3]。有限元法概括起來包括以下六個步驟：

1.1 連續(xù)體的離散化[4]。離散化即是將給定的連續(xù)體分割成等價的有限單元組合，單元體只有在結(jié)點處相互連接，構(gòu)成一個單元的集合體，用以代替原來的結(jié)構(gòu)。

2.2 變形結(jié)果分析

2.2.1 土工格柵加筋土土石壩與未加筋土石壩y-displacement（水平向位移）對比分析

圖4、圖5為兩種形式土石壩水平向變形位移云圖，從圖中對比分析，土工格柵通過限制土體水平向位移而使得壩體下游壩坡更加穩(wěn)定，圖6為加筋格柵式土壩與未加筋式土壩下游壩坡水平向變形對比分析，x軸為各點距離壩址的距離，y軸為壩體下游壩坡的水平向變形，相同荷載作用下，未加筋式土石壩下游壩坡位移隨著距壩址的距離增大而逐漸增大，壩頂位移達(dá)到了最大值ymax=-0.003m，而加筋土工格柵式土壩下游壩坡水平向位移明顯減小。

2.2.2 土工格柵加筋土土石壩與未加筋土石壩z-displacement（水平向位移）對比分析

圖7、圖8為兩種形式土石壩豎直向變形位移云圖，在相同荷載作用下未加筋式土壩壩坡位移隨著距壩址的距離增大而逐漸增大，壩頂位移達(dá)到了最大值zmax=-0.016m而加筋土工格柵式土壩下游壩坡豎直向位移明顯減小。

2.3 應(yīng)力結(jié)果分析

2.3.1 土工格柵加筋土土石壩與未加筋土石壩y-stress（水平向應(yīng)力）對比分析

圖10、圖11為兩種形式土石壩水平向應(yīng)力云圖，加筋式土石壩比未加筋式土石壩，各部位水平向應(yīng)力明顯降低，圖12為加筋格柵式土壩與未加筋式土壩下游壩坡水平向應(yīng)力對比分析圖，x軸為各點距離壩址的距離，y軸為壩體下游壩坡的水平向應(yīng)力，相同荷載作用下為加筋土石壩壩坡應(yīng)力隨著距壩址的距離先增大后減小，下游壩坡水平向出現(xiàn)了明顯的拉應(yīng)力，其最大值σymax=-600kPa而加筋土工格柵式土壩下游壩坡，由于筋帶—土體—面板之間的相互作用，水平向應(yīng)力明顯減小σymax=-20kPa，加筋后的豎直向應(yīng)力相比未加筋土壩減小了580kPa，穩(wěn)定性增加效果明顯，而且在壩頂?shù)奈灰瞥霈F(xiàn)了一定面積的壓應(yīng)力最大壓應(yīng)力σymax=50kPa，由此可以得出，加筋土工格柵式土壩其下游壩坡不僅位移減小，而且應(yīng)力也得到了一定的削減。

2.3.2 土工格柵加筋土土石壩與未加筋土石壩z-stress（豎直向應(yīng)力）對比分析

圖13、圖14為兩種形式土石壩豎直向應(yīng)力云圖，從圖中可以看出加筋式土石壩比未加筋式土石壩，豎直向應(yīng)力變化區(qū)別較大，x軸為各點距離壩址的距離，y軸為壩體下游壩坡的豎直向應(yīng)力，通過圖15可以看出在相同荷載作用下壩坡豎直向應(yīng)力隨著距壩址在未加筋的情況下存在大范圍的拉應(yīng)力，其最大拉應(yīng)力豎直σzmax=-150kPa，而加筋后的土壩其豎直出現(xiàn)了壓應(yīng)力，壓應(yīng)力豎直σzmax=100kPa，這樣會使得壩體下游壩坡更加穩(wěn)定。

3 結(jié)論

利用通用有限元軟件ADINA對在相同荷載下加筋土工格柵式垃圾土壩與未加筋垃圾土壩應(yīng)力及應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行了對比分析，通過數(shù)值模擬可以得到如下結(jié)論：

①加筋格柵式土壩與未加筋式土壩在相同荷載下相比，水平與豎直向位移都有所減小，未加筋土壩壩坡水平位移隨著距壩址的距離增大而逐漸增大，壩頂位移達(dá)到了最大值ymax=-0.003m，而加筋土工格柵式土壩下游壩坡水平向位移明顯減小，由于筋帶—土體—面板之間的相互作用，加筋土工格柵式土壩下游壩坡水平向位移幾乎趨于零。

②加筋格柵式土壩與未加筋式土壩下游壩坡豎直向變形與水平向變形趨勢相同，壩頂位移達(dá)到了豎直位移最大值zmax=-0.016m，而加筋土工格柵式土壩下游壩坡豎直向位移明顯減小。

③加筋格柵式土壩與未加筋式土壩下游壩坡水平向應(yīng)力對比分析，在相同荷載作用下，未加式式土壩壩坡位移隨著距壩址的距離先增大后減小，下游壩坡水平向出現(xiàn)了明顯的拉應(yīng)力，其最大值σymax=-600kPa而加筋土工格柵式土壩下游壩坡，而加筋式土壩由于筋帶—土體—面板之間的相互作用，水平向應(yīng)力明顯減小σymax=-20kPa，加筋后的豎直向應(yīng)力相比未加筋土壩減小了580kPa，穩(wěn)定性增加效果明顯，而且在壩頂?shù)奈灰瞥霈F(xiàn)了一定面積的壓應(yīng)力最大壓應(yīng)力σymax=50kPa。

④加筋格柵式土壩與未加筋式土壩下游壩坡水平向應(yīng)力對比分析，可以看出在相同荷載作用下，未加筋圖壩壩坡豎直向應(yīng)力隨著距壩址在未加筋的情況下存在大范圍的拉應(yīng)力，其最大拉應(yīng)力豎直σzmax=-150kPa，而加筋后的土壩其豎直出現(xiàn)了壓應(yīng)力，壓應(yīng)力豎直σzmax=100kPa，這樣會使得壩體下游壩坡更加穩(wěn)定。

總而言之，加筋格柵式技術(shù)不僅改善了壩體的σ（應(yīng)力）-ε（應(yīng)變）關(guān)系，而且為以后水運(yùn)、市政工程中相關(guān)建筑物建造提供一種可靠的方法。

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