包裹式加筋边坡破坏机制有限元分析毕业.doc
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1、河 北 工 业 大 学毕 业 论 文 作 者: 王岩 学 号: 111429 学 院: 土木工程学院 系(专业): 土木工程 题 目: 包裹式加筋边坡破坏机制有限元分析 指导者: 王子寒 讲师 (姓 名) (专业技术职务)评阅者: (姓 名) (专业技术职务) 2015 年 6 月 8 日毕业设计(论文)中文摘要题 目:包裹式加筋边坡破坏机制有限元分析摘要:包裹式加筋边坡通过向土体中添置柔性筋材增强边坡承载能力,具有造价低廉、施工简便、与边坡绿化紧密结合的优点,近年来在工程中得到了广泛的应用。但是,受到其受到作用力时的破坏机制仍不明确的影响,设计理论尚不完善,往往都是根据以往的工程经验进行设计
2、。显然,这样的设计明显的缺乏理论的佐证。为了完善加筋边坡的设计理论,本文通过plaxis软件建立有限元模型分别讨论了位移加载条件下筋材的间距和埋深对边坡承载能力的影响,通过对众多数据的筛选分析得到了各种参数的合理取值范围,针对工程设计意提出了具一定指导义的建议。通过对众多数据的分析比较,本文就埋深间距这一参数得出了以下结论:随着埋深间距的减小,边坡的承载能力大幅提高。在设计工作中,筋材的埋深间距不宜小于坡高的五分之一也不宜超过1m。本文就加筋边坡中顶筋和底筋的埋深这两个参数进行分析,得出了以下结论:从定性的角度而言,顶筋与底筋的埋深对边坡承载能力的影响并不明显。从定量的角度而言,本文建议顶筋与
3、底筋应埋至荷载中心位置为宜。通过对加筋边坡中内筋的埋深这一参数进行研究,得出了以下结论:内筋的埋深与边坡滑动带的位置息息相关,故而本文建议设计人员在确定内筋埋置深度时应根据试验结果中给出的滑动带的位置确定为宜。关键词: 包裹式 加筋边坡 有限元 破坏机制河北工业大学2015届本科毕业论文毕业设计(论文)外文摘要Title: A Finite Element Analysis of the Failure Mechanism of the Encased Reinforced Slope AbstractThe reinforced slope of the wrapped type is re
4、inforced by the soft rib in the soil. The reinforced slope of the wrapped type has the advantages of low cost, simple construction, close combination with the slope greening. The wrapped type reinforced slope has been widely used in engineering in recent years. However, the failure mechanism of the
5、wrapped reinforcement slope is still not clear. The design theory of the wrapped reinforced slope is not perfect. Obviously, such design clearly lacks the evidence of theory. In order to improve the design theory of reinforced slope, in this paper, the influence of the distance between the reinforce
6、ment material and the depth of the load on the bearing capacity of the slope is discussed by the finite element model of the PLAXIS software. In this paper, through the screening and analysis of the numerous data, the reasonable range of parameters is obtained, and some suggestions for the engineeri
7、ng design are proposed.Through the analysis and comparison of the numerous data, this paper draws the following conclusions of the parameters of the depth distance. From the qualitative point of view, with the decrease of the depth of the buried depth, the bearing capacity of the slope is greatly im
8、proved. From the quantitative point of view, the depth of the material is not higher than the 1/5 depth of the slope and should not exceed 1m.Through the analysis and comparison of numerous data, this paper draws the following conclusions of the two parameters of the top depth and the bottom depth o
9、f the reinforced slope. From a qualitative point of view, the influence of the depth of the top and bottom ribs on the bearing capacity of the slope is not obvious. From the quantitative point of view, this paper suggests that the top and bottom tendons should be buried to the load center position.T
10、hrough the analysis and comparison of numerous data, this paper draws the following conclusions of the depth of the inner rib of the reinforced slope. Tendons within the depth and slope sliding zone are closely related, therefore this paper suggests to design in determining the internal ribs that bu
11、ried depth should be determined according to the location of the slip zone.Keywords: Package type Reinforced slope Finite element Damage mechanism目录1 引言11.1 研究的背景及意义11.2 国内外的研究现状21.3 研究内容41.4 研究方法52 筋材间距影响分析82.1 有限元模型建立82.2 模拟加载及数据整理92.3 数值计算结果分析93 筋材埋深影响分析143.1 顶筋埋深分析143.2 底筋埋深分析173.3 内筋埋深分析21结 论25
12、参 考 文 献26致 谢28-1 引言1.1 研究的背景及意义很久之前,人类就懂得将自然界中的天然植物如茅草、柳条之类材料埋入土体中来改善土体整体稳定性,这种材料在现在叫做土工合成材料。众所周知,土体本身具有一定的抗压、抗剪强度,但是无法承受拉力。但土工合成材料通过土体与筋材之间的摩擦和机械咬合作用,在土体中传递拉应力,分担土体的应力,从而从一定程度上改善了土体的强度和变形能力,提高了构筑物的稳定性。土工合成材料中所应用的筋材往往廉价易得,筋材埋置的方式相对来说也较为容易,这种种的优势也使得土工合成材料广泛的应用于水利、 海港、 公路、建筑、铁路、电力、采矿、军工等工程的各个领域,成为了建筑工
13、程中必不可少的重要材料。土中加筋的理论设想首先由著名的土力学家卡萨格兰德提出,他将高强度的土工膜水平地铺设在软基中,将加筋土问题理想化。现代加筋土的设计和第一个加筋构筑物是由法国工程师 Henri Vidal 在 20 世纪 60 年代提出并实现的,从此利用抗拉材料作为筋材的加筋土技术从经验判断上升到理论设计阶段。土工合成材料在工程中的作用可概括为过滤、排水、隔离、加筋、防渗和防护作用等六类,如图 1.1 所示: a) 挡土墙背虑层(过滤作用) b) 堤坝排水(排水作用) c) 软土加固(隔离作用) d) 加筋陡坡(加筋作用) e) 堤坝防渗墙(防渗作用) f) 堤岸防护(防护作用)图 1.1
14、 土工合成材料在建筑中的应用及发挥的作用由于加筋土技术的优越性、显著的经济性和广泛的适用性,加筋土技术获得了国内外很多工程技术人员的研究和采用。 许多国家先后制定并颁布了有关加筋土工程的设计、施工规范、标准或指南等,我国交通部早在 1991 年就制定并颁发了公路加筋土工程设计规范(JTJ015-91) 1 、 公路加筋土工程施工技术规范(JTJ035-91) 2 等行业标准,铁道部在铁路路基支挡结构物设计规范(TBJ25-90) 3 中加入了加筋土工程的有关条文和内容。1999 年初, 国家正式颁发了 土工合成材料应用技术规范(GB50290-98 ) 4 ;交通部制定和颁发了水运工程土工织物
15、应用技术规程(JTJ/T239-98) 5 ;水利部制定和颁布水利水电工程土工合成材料应用技术规范(SL/T225-98) 6 和土工合成材料测试规程(SL/T235-99) 7 ;铁道部制定和颁布铁路路基土工合成材料应用技术规范(TB10118-99) 8 。 正如上文所说的那般,土工合成材料在工程中的应用十分广泛。国内外众多专家对它的研究也从未停息,具体的国内外研究现状将在下文予以介绍。1.2 国内外的研究现状自上世纪 60 年代初法国工程师 Vidal 提出加筋土概念以来,国内外众多科学家对加筋土的研究便从未间断。就普遍而言,研究的方法以加筋土边坡模型试验结合数值模拟的方法研究加筋机理,
16、为加筋边坡实际工程的设计提供可靠、有效的理论依据。试验方式主要包括:室内模型试验、离心模型试验和现场试验;数值方法主要包括:有限元、有限差分和离散元等。选择研究方法时进行研究的第一步接下来笔者将据不同的研究方法介绍国内外的研究现状。 加筋边坡试验作为针对实际工程适用性和可靠度的具体模型体现,在加筋边坡的加筋机理和设计参数研究等方面具有重要意义。根据模型尺寸和应力状态等因素分为室内小模型试验、离心模型试验和现场试验。1.2.1 室内模型试验研究现状徐林荣,华祖焜(1999) 9 他们用纸和纱窗的窗纱代替加筋土边坡中的土工格栅进行试验,通过独特的理论和方法,研究了筋材的埋深,间距,坡角,等参数并对
17、其主要的控制参数进行了分析。朱湘,黄晓明(2002) 10 通过进行不同的室内模型的对比试验研究了加筋土边坡与没有加筋的边坡之间的应力差距,研究了软土地基条件下的路堤的破坏机制。证明加筋土边坡中的筋材能够对土体起到很好的限制作用,增强了土体的稳定性。万剑平(2004)11 他进行了大量的加筋土边坡的室内模型试验,说明了加筋土边坡中的土工格栅能够极大的提高土体的稳定性。同时也证明土工格栅主要通过与土体间的摩擦作用与土体结合为一个整体而起作用。 尹志光,魏作安,万玲等(2005)12 他们进行了细粒尾矿堆坝加筋模型试验。他们试验对比了加筋模型与没有加筋模型的破坏机理,并分别说明了加筋坝体与没有加筋
18、的坝体破坏特点。杨庆,季大雪,张克等(2005)13 他们进行了许多室内的小模型试验研究了研究两种边坡坡比、2 种格栅和 3 种加筋层数共计 10 种边坡结构在边坡荷载的作用下,对边坡承载能力的影响。最终得出了一个定性的结论即对于加筋土边坡,筋材的间距越小,埋深越深,强度越大,坡度越小边坡的承载能力就会越强。 王志斌,李亮,邹金锋等(2008) 14 他进行了诸多的大型室内模型试验,研究分析了加筋路堤边坡与没有加筋的路堤边坡之间承载力的差距,着重分析了加筋路堤边坡与没有加筋的路堤边坡的破坏机制和原理。在他的试验中分析观察了边坡破面的沉降,坡顶的位移以及土体内部的应力等数据。A.Mustafa,
19、 EI Sawwaf(2007) 15 他进行了诸多室内模型试验,来研究了粘土地基上的加筋砂土边坡的承载性能的相关问题。他主要研究了筋材的埋深,间距,坡角等情况。并给出了一系列定量的结论给加筋土边坡的设计工作进一步铺平了道路。A.K. Choudhary J.N. Jha K.S. Gill(2010)16他通过室内模型试验研究了粉煤灰加筋边坡与没有加筋的粉煤灰边坡之间的应力差距。同时他还分析了筋材对边坡的影响,试验工况包括:单层格栅加筋体的位置和深度、 筋材层数、坡顶加载位置、边坡角度和坡顶加载基础宽度等。通过上述试验分析他给出了一系列定量的结论给加筋土边坡的设计工作进一步铺平了道路。1.2
20、.2 离心模型试验研究现状张嘎, 王爱霞, 牟太平等 (2007)17 他通过现场试验和数值分析相结合的研究思路。提出了一种能够却行离心试验模型中的位移及应力变化的方法,并将该方法应用到了一系列边坡的离心模型试验中。张嘎,王爱霞,张建民等(2008)18 他们为了研究加筋边坡中埋置的格栅的作用,进行了自重加载条件下的离心模型试验,并通过一系列的技术和手段记录下了加载过程中土体的变形及应力情况。并验证了加筋边坡中的土工格栅能够很好的限制土体变形,滑动带的位置也明显的前移。另外这些土工格栅还使得土体的变形更加均匀增强了土体的稳定性。贾圣东 (2008)19 他以广东某段告诉公路的扩建工程为依托,通
21、过离心模型试验,并结合数值分析的方法,研究了添置格栅的诸多因素对路堤边坡的稳定性的影响。 A.N.Sommers,B.V.S.Viswanadham(2009)20 他在离心试验模型中研究加筋边坡在竖向荷载的作用下的破坏特点。在实验过程中和通过数字成像技术记录了土体的位移变化状况。实验结果说明土体应力的峰值在荷载的正下方。 B.V.S.Viswanadham, S.Rajesh (2010)21 , Jian-Feng Chen, Song-Bo Yu (2009)22 利用离心模型试验研究软土地基上的格栅加筋路堤,在试验中监测路堤沉降、土压力和孔隙水压力,加筋路堤在表面自下出现不同程度的裂缝
22、。B.V.S.Viswanadham,D.Konig(2011) 23他在这个离心试验模型中采用了不同于荷载加载的加载方式,转而采用使之产生不均匀沉降的加载方式。试验证明地基的不均匀沉降对于边坡整体的稳定性并无很大的影响,位移的峰值在不均匀沉降处产生。1.2.3大型现场试验研究现状 王晓鹏,史锋,郭宇楠(2008)24 针对 5 种工况的格栅加筋路堤边坡进行现场试验,对各种工况下土压力、格栅应变和路堤沉降进行跟踪观测,并比较分析了格栅应变、土压力和沉降的变化规律,进而研究了加筋层数及加筋类型对路堤结果性能的影响。 杨广庆,周亦涛等(2011) 25 对某高速公路加筋土挡墙水平土压力和土工格栅拉
23、筋位移进行了系统测试。研究表明,施工期间土工格栅加筋土挡墙墙背土压力随填土高度的增加而增大,其数值均小于理论计算结果,土工格栅拉筋在施工期应变变形较大,工后应变非常小,挡墙下部土工格栅拉筋端部应变随填土高度变化较大,在加筋体锚固区末端存在过渡区,其工程特性逐渐向非加筋体填土过渡。1.3 研究内容 包裹式加筋边坡通过向土体中添置柔性筋材增强边坡承载能力,具有造价低廉、施工简便、与边坡绿化紧密结合的优点,近年来在工程中得到了广泛的应用。但是,受到其受到作用力时的破坏机制仍不明确的影响,设计理论尚不完善,往往都是根据以往的工程经验进行设计。显然,这样的设计明显的缺乏理论的佐证。 本文通过plaxis
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