河岸重力式挡土墙土压力分布的ADINA分析.pdf

岩土工程界 第11卷 第1期检测与分析 〔 收稿日期 〕 2007 - 5 - 29 河岸重力式挡土墙土压力分布的ADINA分析 武 霖 张发明 邓成发 河海大学地质及岩土工程系 摘 要 挡土墙的作用是防止墙后土体坍塌下滑。挡土墙设计中需要考虑的主要荷载是作用在其上的土 压力,并确定土压力的大小和分布。本文以工程中常见的河岸重力式挡土墙为对象,计算挡土墙 在软土逐步填埋过程中对墙面产生的土压力分布。 关键词 挡土墙 AD I NA 莫尔-库仑材料模型 单元生死 土压力分布 在建筑工程中,遇到在土坡上、 下修筑建筑物 时,为了防止土坡发生滑坡和坍塌,需用各种类型的 挡土结构物加以支档,挡土墙是最常用的支护结构。 由于挡土墙和地基的材料与填土材料有很大差异, 所以填土填埋以后会对挡土墙产生一定土压力并发 生竖直方向的位移。 近年来,发展迅速的有限单元法不仅可以考虑 土体应力应变的非线性特征,而且可以考虑不同时 刻土压力的分布和初始地应力对位移的影响。本文 基于莫尔-库仑材料模型,用有限单元法对填土的 土压力分布进行分析并且把土压力之与郎肯土压力 的计算结果进行对比。 [1 ] 1 弹塑性模型 [2 ] 弹塑性模型把总的变形分成弹性变形和塑性变 形两部分,莫尔-库仑材料模型就是其中的一类模 型。在挡土墙结构中,填土属于莫尔-库仑材料,莫 尔-库仑材料模型基于非关联的流动法则和纯塑性 莫尔-库仑屈服条件,非关联的流动法则就是认为 屈服面与塑性势面不一致,莫尔-库仑屈服准则通 过下式给出 t fMC t I1sinφ 1 2 31-sinφsin tθ 33sinφcos tθ tJ 2 -3C 1 相应的势函数写成 t gMC t I1sinψ 1 2 3 - 1-sinψsin tθ 33sinψcos tθ tJ 23C 2 式中 tθ 1 3 cos -1 3 3 2 tJ 3 tJ3/2 2 φ是摩擦角材料常数 , C是内聚力 材料常 数 , Ψ是扩展角材料常数 , tJ 1是 t时刻的第一应 变不变量, tJ 2是 t时刻的第二偏应力不变量, tJ 3是 t时刻的第三偏应力不变量。 2 计算模型的建立 根据有限单元法,基于莫尔-库仑材料模型对 挡土墙上填土的土压力分布、 地基的位移变形进行 模拟研究。 1模型参数本文以工程中常用的重力式挡 土墙为对象,考虑一个河岸挡土墙图 1 的土压力 分布特征,如图中混凝土挡土墙,墙背竖直,墙后填 土表面水平,土层的物理参数如表1所示。 表1 各土层物理参数表 层号 重度粘聚力内摩擦角 r/ kNm - 1 C/kPaφ / 118. 1 218. 92813 318. 42411. 5 417. 8149 519. 23914 图1 挡土墙的CAD尺寸图 53 检测与分析GEOTECHN I CAL ENGI NEER I NG WORLD VOL. 11 No. 1 2计算模型用AD I NA对挡土墙的土压力分 析的过程就是分析挡土墙在软土逐步填埋过程中对 墙面产生的土压力分布。挡土墙和地基在填土之前 已经存在,填土前,首先要对挡土墙和地基的模型进 行网格划分图 2 。 图2 计算模型网格划分图 填土的过程分为10层,每层填土都采用单元生 死定义。由于填土的一层层叠加是在模型中加入材 料的过程,在这个过程中模型的相应单元就产生了, 单元生死就是用于在这种情况下激活所选择的单元 的方法。在填土填埋的过程中会发生位移,而且可 以看到每一层填土施加到地基上时的土压力分布情 况。 3接触条件由于挡土墙和地基为弹性材料, 而填土为莫尔库仑材料,这两种性质相差很远的材 料在一定的受力条件下,他们的接触面极其容易产 生错动滑移或开裂,所以需要定义一个面与面的接 触组。这个接触组由11个接触面组成,其中第11 个面与其他10个面组成10个接触对。 古德曼 Goodman等人提出一种接触面单 元 [2 ] ,其切向剪切刚度为 Ks K1γw σn Pa n1 1- Rfτ σntgδ c 3 式中,K1、n1、Rf、 δ 、c都为试验参数。 4边界条件由于此挡土墙结构不施加外荷 载,所以只在挡土墙和地基左右两侧边界以及填土 的右端面施加Y向位移约束,在地基底部施加Z向 位移约束。 3 计算结果分析 1位移分析当10层填土全部填埋以后,结 构的Y向和Z向位移分布如图3、4所示。图3为 10层填土全部填埋后结构的Y向位移云图,从图3 种能够清楚直观地看到填土区内绿色的部分,就表 明了位移的大小。从图5中可看出,Z向位移的最 大值为0. 08590m,也就是85. 9mm。这对于30m高 的土体来说,位移基本上是平衡的,也就是说填土对 整个挡土墙结构的位移影响可以忽略。并且,随着 软土的逐层填埋,结构的Z向位移随着时间的增长 呈上升趋势表 1 。 图3 填土填埋后Y向位移云图 图4 填土填埋后Z向位移云图 图5 时间与位移的曲线关系图 2土压力分析随着填土的增加,填土对挡土 墙的土压力逐渐增加,在不同时刻土压力有不同的 分布状况。图6为一半填土填埋后的土压力分布状 况,图中右上角部分即为填土区域。图7为全部填 土填埋后的土压力分布状况,在填土与挡土墙的接 触面上可以看到每层填土填埋后压力的增加情况, 63 岩土工程界 第11卷 第1期检测与分析 压力箭头代表不同大小的压力。 图6 一半填土填埋后的土压力分布状况 图7 全部填土填埋后的土压力分布状况 挡土墙的位移不仅对土压力大小有影响,还影 响土压力的分布情况。如果挡土墙上端的移动达到 一定的数值后,墙后填土内会发生主动破坏,此时作 用在墙上的土压力成为主动土压力。本文利用郎肯 土压力的计算结果与有限元的计算结果进行对比。 郎肯土压力计算公式 Ea 1 2γH - z 0 2 Ka4 由于填土和挡土墙的接触面为斜面,所以要把竖直 和水平方向的力进行合成,得到公式如下 W′ 1 2γ H 2 tanε5 E′ a E a 2 W′ 2 6 E′ a即为最终郎肯土压力值,其中W′ 为竖直方向的 力,ε为斜面与垂直方向的夹角。 [3 ] 图8 土压力分布有限元计算值与郎肯 土压力计算值对比曲线图 图8为土压力分布有限元计算值与郎肯土压力 计算值随时间的变化曲线,可见随时间的增加,沉降 量逐渐增大,且有限元计算值和郎肯土压力计算值 吻合较好,偏差不大,说明有限元法完全能成功地运 用于挡土墙的土压力分布分析。从计算值来看,开 始3层填土填埋后的土压力增加较小,从第4层到 第8层填土填埋的情况来看,土压力增加的速度明 显加快,到了第9和第10层填土,随着填土的填埋 逐渐完成,曲线慢慢变缓,并趋于稳定,说明土压力 增加速率变小,整个结构向稳定的方向发展。 4 结论 本文成功地应用了莫尔-库仑材料模型和有限 元程序,对挡土墙的填土填埋过程进行了数值仿真, 较好地模拟了填土填埋过程中的结构位移、 土压力 分布规律以及土压力大小和曲线的形态。 从土压力的计算理论来看,常规的土压力计算 方法理论简单,并且有相当的工程经验,不过本文证 实了常规计算与有限元计算结果相差不大,可以应 用于工程设计。 参考文献 [1 ] 杨万托,殷海华,王光军,等.重力式挡土墙有限元分析.建筑 技术开发. 2002, 295 1. [2 ] 钱家欢、 殷宗泽.土工原理与计算.北京中国水利电力出版 社. 1996. 68 - 98. [3 ] 王保田,张福海.土力学与地基处理.南京河海大学出版社. 2005. 156 - 158. 第一作者通讯地址南京市西康路1号河海大学215信箱 邮编 210098 73