土工格栅加筋土高边坡结构参数优化数值模拟

土工格栅加筋土高边坡结构参数优

化数值模拟

匡柯柯

(石家庄铁道学院 土木分院，河北 石家庄 050043)

摘要：通过楚雄变电站加筋土边坡项目，使用有限元软件PLAXIS模拟土工格栅加筋机理，利用特殊的抗拉单元来模拟这些土工加筋物，并且连用界面单元模拟土与加筋物相互作用，对比不加筋边坡的工作状况，分析影响土工格栅加筋土高边坡工作因素，从而减少不良因素影响，增加土工格栅在实际应用中的理论准备，提高土工格栅的利用效率。

关键字：高边坡；加筋土；数值模拟 中图分类号：TU 472.3 文献标识码：A

1 引言

加筋土近年来广泛应用于岩土工程界。随着土工合成材料的兴起, 近年来利用土工合成材料加筋路基的工程实践日益增多.由于影响加筋土性状的因素众多, 利用解析方法分析求解相当困难, 而有限单元法能够考虑复杂的边界条件、各种非线性材料及求解各种非线性的问题, 成为了研究这一问题的重要途径。

加筋土的有限元分析模型主要有以下几种，介玉新，李广信[1]指出：一种是筋材和土体离散考虑（分离式模型），一种是筋土合为一体作为复合材料整体式模型，另一种是等效附加应力法。由于研究意见不统一，分离式有限元模型研究方法明了，便于接受，遂采用此法。

本文利用有限元软件PLAXIS结合云广特高压直流输电工程云南省楚雄换流站斜坡地基加筋土高边坡测试断面，通过改变边坡填料粘聚力物理力学指标，分析边坡坡体加筋与不加筋方式、坡体不分台阶、两级台阶、三级台阶、四级台阶，改变筋土界面参数、拉筋长度、台阶宽度、边坡坡率等设计参数，研究分析了各指标参数对土工格栅加筋土高边坡安全系数的影响规律。对土工格栅加筋土高边坡进行优化设计，提出了较为理想的设计方案。可为相关工程设计提供参考。

2 数值分析基本模型

2.1 本构模型的选择

本构模型是用数学手段来体现实验中发现的士体变形特性。本文使用a K0+140断面 Plaxis的摩尔一库仑模型。摩尔—库仑模型属于弹性—理想塑性模型。对于摩尔—库仑模型剪切破坏准则是：

c tan 这个表达式适用于所有的平面和任意的角度。

在plaxis中摩尔—库仑模型需要七个参数,见表1.1。

表1.1填土的物理力学指标

天然重

饱和重度

弹性模量

泊松比

凝聚力

摩擦角

度 /kN/m3 sat/kN/m3

19

19.5

Eref /MPa

12.2

0.3

cref/kPa

47.1

(o)

24.2

2.2网格划分

几何模型建立后，PLAXIS 可进行非结构化的平面有限元网格的自动生成并可进行整体和局部的优化。楚雄变电站加筋土边坡数值计算模型网格模型采用十五节点三角形单元。为加强计算精度，在坡脚处进行局部网格加密。

b K0+240断面

图4.2楚雄变电站边坡数值计算模型网格划分图

2.3 边界条件

本模型边坡自然坡面为自由边界，坡体底面边界为水平向和竖直向约束，左右边界为水平向约束，竖直向自由。

2.4 土工格栅

表1.2土的物理力学指标

项目 格栅类型 最小炭黑含量 聚合物原料 轴向刚度EA

单位 kN/ m

EG70R 2 HDPE 1500

指数指标

EG145R 2 HDPE 2500

在PLAXIS中，土工格栅的本构关系简化为线弹性。它的强度参数用轴向刚度EA表示。本工程中使用青岛旭域公司生产的单向土工格栅，具体的技术指标见表1.2。

2.5 界面单元

为了模拟土工格栅与土的相互作用，PLAXIS程序引入了界面单元的概念。用一个弹塑性模型描述界面的性质，来模拟土与土工格栅的相互作用。加筋与土之间的应力传递取决于筋—土的界面强度。在PLAXIS中用来表示筋—土界面强度的参数为Rinter[3]。界面单元的强度等于周围土体的强度乘以土与界面单元的摩擦系数Rinter。在本文中，取Rinter=0.58。

3 影响土工格栅加筋土高边坡工作特性因素分析 3.1 填料物理力学性质的影响

（1）粘聚力的影响

保持其它参数不变，对粘聚力c分别取不同的值，计算其安全系数。

计算结果显示：当其它参数不变时，粘聚力c增大则土的抗剪强度提高，安全系数就越高，见图3.3。粘聚力小于10kPa时，边坡的安全系数小于1.25，边坡处于不安全的状态。 （2）内摩擦角的影响

保持其它参数不变，摩擦角取不同的数值，计算其边坡安全系数，如图3.4所示。由图可知，当边坡的摩擦角 ＞16°时，边坡的安全系数大于1.25，边坡处于安全状态。当边坡的摩擦角14°＜ ≤16°时，边坡的安全系数小于1.25，边坡处于不安全的状态。当摩擦角 ≤14°时，土体发生破坏。因此，安全系数随摩擦角的增大基本呈线性增加。

图3.4 K0+240断面内摩擦角 与安全系数的关系曲线

3.2 加筋条件的影响分析

（1）拉筋长度的影响

在进行加筋边坡设计时，在拉筋竖向间距一定的情况下改变拉筋长度，分析加筋长度对稳定性的影响。选取K0+240断面进行研究，在其几何模型中保持填料的参数不变，改变拉筋长度，从不加筋开始，每次增加5m图4.31 坡顶垂直位移与拉筋长度关系图

图4.32 安全系数与拉筋长度关系图

由图4.30可知，坡脚点最大水平位移随拉筋长度 …… 此处隐藏：1976字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……