分散式半刚性桩加固边坡的理论与实践.ppt
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1、分散式半刚性桩加固边坡的理论与实践(有限元分析),张信贵广西大学设计研究院广西南宁高图设计咨询有限公司2012年11月,一、引言二、分散式半刚性桩加固边坡的相关有限元理论三、全埋式分散式半刚性桩加固边坡的三维分析四、埋入式分散式半刚性桩加固边坡的三维分析五、全埋式与埋入式的二维分析六、结论与展望,目 录,1.1 研究内容及存在的问题,1、利用ABAQUS有限元软件及强度折减法技术,分别对全埋式、埋入式半刚性桩加固边坡的稳定性进行三维有限元模拟。2、将三维模型简化为平面应变问题,分别按桩土复合指标和桩土分算指标进行模拟。,研究内容:,问题:,1、边坡抗滑桩的本构模型大都选视为刚体或弹性体,本构模
2、型为线弹性模拟;而对于半刚性桩该如何选取本构模型?2、边坡中抗滑桩,刚性桩在强度折减法时其强度都不参与折减,半刚性桩在强度折减法中是否其强度也不参与折减?,1.2 几个概念,1、全埋式桩:桩作成全长桩即做到地面。2、埋入式桩:桩作成半长桩即不做到地面。3、桩土抗剪强度复合指标:由复合地基中面积比法公式(下式)算得的加固区复合指标。4、桩土抗剪强度分算指标:桩、土抗剪强度指标分开取值。,2 分散式半刚性桩加固边坡的有限元相关理论,2.1分散式半刚性桩及土体的本构模型选取 均选为mohr-coulomb弹塑性模型。2.2分散式半刚性桩的桩土接触问题,有限元相关理论,2.3 初始地应力的平衡,在进行
3、有限元的模拟计算时,首先为土体定义一个初始应力场,使其与施加重力后相平衡,此时土体单元有应力而无位移,这就是初始地应力平衡。,2.3 强度折减法在边坡中的应用,有限元相关理论,强度折减法的定义:是指通过不断增加折减系数来降低边坡内部岩土体的抗剪强度参数,直到边坡处于极限破坏状态为止,此时的折减系数即为边坡的强度储备安全系数,有限元软件也将自动算得一破坏滑裂面。由于这种方法与由于降雨导致边坡内部土体强度降低非常相似而越来越多地应用在实践中。边坡失稳的三种判断准则:1、以边坡特征部位(如坡顶或坡脚)的位移拐点为评价标准。2、以边坡是否形成连续的贯通区作为评价标准。3、以数值模拟过程中计算是否收敛为
4、评价标准。本文是以特征部位的位移拐点作为边坡失稳的判断准则,3 三维全埋式分析-以高压旋喷桩为例 3.1 建模过程,三维全埋式,工程实例边坡断面图,边坡模型示意图,3.1 建模过程,三维全埋式,模型示意图,网格划分,3.1 建模过程,三维全埋式,单元类型有C3D8和C3D6两种,3.1 建模过程,三维全埋式,3.1 建模过程,三维全埋式,3.1 建模过程,三维全埋式,随场变量变化的摩擦角和粘聚力,3.2 结果分析-滑动面的确定,采用位移等值线对边坡滑动面进行判断时,在滑动面附近,位移等值线最为密集,且越往临空面靠近其位移等值线间距越稀疏值也越大;而滑床处的位移等值线均相同,无其他等值线分布,从
5、而说明该部分相对于滑动体部分处于稳定状态,因此可将两部分之间的分界线定义为滑动面。如图所示为天然边坡的位移等值线及变形图,由于边坡存在在一软弱下卧层,其滑动面经过软弱下卧层并绕过坡脚点,形成一大圆弧面,与极限平衡分析法中的一样。,天然边坡的位移等值线,天然边坡的变形图,三维全埋式,3.2 结果分析-滑动面的确定,上图为高压旋喷桩嵌入全风化花岗岩1m深度时的位移等值线云图及变形图,加固后的边坡滑动面为坡脚处呈圆弧状,中间部分和坡顶处呈折线形,即整个边坡的滑动面为圆弧与折线型的组合。滑动面要比天然边坡的来得大,由图中还可以看出加固区后土体的位移变形最大,加固区前的位移要比加固区后面土体的位移来得小
6、,体现了高压旋喷桩加固边坡稳定性的作用,与实际情况较相符合。,桩嵌入全风化花岗岩1m时边坡位移等值线云图,桩嵌入全风化花岗岩1m时边坡变形图,三维全埋式,边坡处于临界状态时其滑动面不仅可以通过位移等值线来确定,还可通过塑性区域的贯通趋势来判断。从图中可知,由塑性区域确定的天然滑动面与由位移等值线确定的滑动面相似,两者大致相同。,天然边坡破坏时塑性区域,3.2 结果分析-滑动面的确定,天然边坡破坏时变形图,三维全埋式,上图为桩嵌入全风化花岗岩1m时边坡的塑性区与破坏时的变形图,从图中可知,由塑性区域确定的滑动面与由位移等值线确定的滑动面相似,两者大致相同。,桩嵌入全风化花岗岩1m时边坡破坏的塑性
7、区域,桩嵌入全风化花岗岩1m时边坡破坏时变形图,3.2 结果分析-滑动面的确定,三维全埋式,3.2 结果分析-塑性区的发展趋势,不同折减系数下的塑性区贯通情况,三维全埋式,3.2 结果分析-滑动面的确定,通过数值模拟计算,高压旋喷桩加固边坡稳定性其塑性区发展趋势与折减系数的关系如上图所示,其中折减系数增加梯度为0.05。从图中可以看出,随着Fr 的增大,土体的抗剪强度逐渐减小,边坡由自然状态向失稳状态逐渐发展。塑性区域首先从距坡顶处最近的高压旋喷桩桩后土体及该桩体附近的粉质粘土软弱下卧层开始出现,然后沿着软弱下卧层水平向左穿过高压旋喷桩至坡脚处,形成一以坡脚为圆心的圆弧状塑性区域;向右则沿着坡
8、体上缘延伸,塑性区域逐渐增大。当Fr1.25时边坡内的塑性区域迅速扩展并全部贯通;但是Fr在1.25至1.33范围内,计算仍能满足边坡的平衡要求而达到收敛,只是求解过程中迭代次数逐渐增大;直到Fr=1.33时,滑体的不平衡力明显增大,边坡已不能满足平衡要求,其求解无法达到计算精度,计算不再收敛宣告中断。,三维全埋式,由图中可以看出坡顶、坡中及坡脚的位移曲线图重叠在一起,说明以坡顶、坡中或坡脚为边坡的特征部位判断得出的安全系数是相同的,可见边坡失稳时滑体是呈现整体滑动。随着土体材料折减系数的增加,滑体水平位移呈线性逐渐增加,当材料折减系数达到1.13时,边坡处于临界破坏状态,过了临界状态后,折减
9、系数不再增大而水平位移却发生急剧增加,此时宣告边坡失稳破坏,从位移曲线图中可以明显地看到一明显拐点,此拐点对应边坡处于临界破坏状态。,天然边坡安全系数Fr与U1的关系曲线,3.2 结果分析-安全系数,三维全埋式,由图中可以看出在相同的折减系数下坡脚的水平位移比坡中及坡顶的水平位移来得小,但不管由边坡滑体上的哪个特征点确定的位移,都是随着折减系数的增大首先呈线性增加,经历弹性阶段后进入塑性阶段,至材料折减系数为1.27时边坡处于临界破坏状态,过了临界状态后,特征点上的水平位移和塑性应变发生突变,此时位移图曲线上可以看到一曲率最大的拐点,此拐点对应的折减系数即为边坡的安全系数为1.27。,3.2
10、结果分析-安全系数,加固后安全系数Fr与U1的关系曲线,三维全埋式,3.2 结果分析-安全系数,由图可以看出天然边坡的变形阶段有弹性阶段和破坏阶段而没有一明显的屈服阶段,此时边坡的破坏是突然的、毫无征兆的,类似铸铁等脆性材料的破坏,这在工程上是危险的。而加固后的边坡其变形阶段除了有弹性阶段和破坏阶段外,还具有一定的塑性屈服阶段,类似钢材等韧性材料的破坏过程,也就说明边坡在临界失稳状态时是有明显的征兆的,在工程上就可以采取加固措施来防止边坡的失稳破坏。,天然边坡与加固后边坡的安全系数比较,三维全埋式,3.2 结果分析-桩身变形图,如上图所示,高压旋喷桩嵌入全风化花岗岩深度为5m时和1m时的桩身变
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- 分散 刚性 加固 理论 实践
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