李建華，劉萍，連寶琴

(廣州城建職業(yè)學院，廣東廣州510925)

1 概述

膨脹土作為一種特殊性的土，膨脹土邊坡的穩(wěn)定性的改善已經(jīng)受到許多學者的關(guān)注和研究，他們分別從巖土工程理論、實驗研究、設(shè)計和施工階段展開研究［1-4］。有限元法最初在上世紀50年代，用于航空航天領(lǐng)域的強度和剛度計算。如今，有限元法從最初應(yīng)用于固體力學領(lǐng)域，已成為在性能分析與仿真方面具有計算結(jié)果可靠、效率高效的分析工具，也成為了如今設(shè)計中使用最為廣泛的計算方法。巖土因其為非均質(zhì)、非線性、多相物質(zhì)的復(fù)雜集合體，有限元可以較為準確的分析深基坑、高大邊坡的變形特性。趙杰等就曾對基坑邊坡的穩(wěn)定性進行了研究［5］，其采用的有限元方法分別為滑面應(yīng)力分析法和強度折減法兩種。

傳統(tǒng)的二維有限元分析把土釘支護結(jié)構(gòu)簡化成平面應(yīng)變進行研究［6］，但是這種方法是把土釘?shù)刃С闪藙偠认嗟鹊囊粋€薄層，放大了釘土之間的相互作用面，與實際的土釘支護結(jié)構(gòu)受力偏差太大，特別是等效薄層的剛度取值合理與否，直接影響到有限元計算結(jié)果的準確性，如果剛度過大將阻止剪應(yīng)力的傳遞，無法如實還原土釘支護邊坡的穩(wěn)定情況。朱彥鵬等就某工程實例，建立三維有限元模型，模擬基坑開挖、基坑支護的施工過程，分析得到了土釘支護結(jié)構(gòu)在復(fù)合土釘墻中起到了重要作用［7］。但是考慮降雨條件下土釘支護結(jié)構(gòu)在膨脹土邊坡中土釘?shù)氖芰π阅芤约斑吰挛灰埔?guī)律性研究還不多見，本文作者［8-10］就前期已進行的模型試驗與相關(guān)理論研究的基礎(chǔ)上，基于非線性分析求解方面功能強大的ADINA有限元分析軟件和高性能的計算機，對膨脹土土釘支護邊坡結(jié)構(gòu)建立三維模型，并進行仿真計算，對數(shù)值計算和試驗研究所得到的邊坡位移和土釘軸力進行比較和分析，為更好地指導(dǎo)工程實踐。

2 基本假定

采用土釘加固處理的方法屬于邊坡內(nèi)部加固法，由于室內(nèi)模型試驗采用了注漿土釘支護方式，故本文采用將加固物與土體合并考慮，且采用土釘和土體等效化為均值各向異性體的等效法進行模擬分析。在采用ADINA進行有限元建模數(shù)值分析時，為簡化計算，作出以下假定［11，12］:

1)土釘支護邊坡考慮邊角效應(yīng)的影響;

2)土釘和土體為連續(xù)、均質(zhì)、各向同性彈塑性材料;

3)不考慮土體自重。

3 有限元模型建立

3.1 單元選擇

面板和土體:采用三維實體單元，采用8節(jié)點等參單元，每個節(jié)點有3個自由度，具有塑性、徐變、應(yīng)力硬化、大變形、大應(yīng)變等特性。

土釘:采ADINA軟件中的Rbear單元，由于采用Rebar功能，則不需要用戶劃分單元，前處理在求解時自動處理土釘與土體之間的單元關(guān)系。在邊坡頂部荷載較小情況下，釘體與土體間不存在相對位移，采用土釘與土體節(jié)點進行耦合的方法如圖1。

圖1 土釘與土體的耦合

3.2 基本參數(shù)的選取

基本參數(shù)選取見表1。

表1 材料的力學性能指標

3.3 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

模型試驗在一設(shè)計為長×寬×高=1 500 mm×600 mm×1 500 mm的模型箱內(nèi)進行，模型箱(圖2)的制作采用5 mm厚鋼板，外側(cè)分別用4根50 mm角鋼圍成，內(nèi)側(cè)由4根70 mm的等邊角鋼固定。為消除邊界效應(yīng)的影響，模型箱內(nèi)側(cè)各設(shè)兩道減摩措施。模型箱內(nèi)人工填筑膨脹土，壓實度為80%，因本次為室內(nèi)小比例模型試驗，模型制作時僅考慮為垂直面板，而實際的基坑支護在條件允許的情況下大多采用放坡設(shè)計，在后續(xù)課題研究中將做對比研究。采用了飲用水管側(cè)面三向鉆微孔人工模擬降雨(圖2)，水源接室內(nèi)自來水，設(shè)置開關(guān)閥門，控制降雨強度。

3.4 建模計算

以室內(nèi)模型試驗作為分析算例，采用試驗?zāi)Ｐ拖鋮?shù)建立三維模型對其進行模擬。三維計算模型如圖3所示，除面板和模型頂部設(shè)置為排水邊界外，其余均為固定不透水邊界。整個三維模型采用矩形網(wǎng)格，均為四邊形單元，面板單元數(shù)160個，土體單元數(shù)為3 200個，每根土釘單元數(shù)為19個，共計152個?？傆? 512個單元，4 318個節(jié)點。在本次數(shù)值模擬計算中荷載施加過程采用等步長等量加載的方式，總共計算了60步，分別與室內(nèi)模型試驗時的監(jiān)測時間相對應(yīng)。三維模型計算結(jié)果如圖4所示。

圖2 模型箱與降雨模擬器

圖3 三維計算模型

圖4 第60步時的位移云圖

4 數(shù)值計算與實測結(jié)果的對比分析

4.1 邊坡位移對比分析

圖5中可以看出，邊坡面板的水平位移最大值出現(xiàn)在面板中部，都是中間大兩端小，呈拋物線形狀，計算結(jié)果與實測結(jié)果的變化趨勢大致相同，實測最大的水平位移至為8.48 mm，而數(shù)值模擬計算得到的最大水平位移值為8.54 mm。

從實測結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果的對比分析可以看出，土釘支護的膨脹土邊坡豎向最大膨脹量出現(xiàn)坡頂土層，坡底土層的膨脹量很小或反而出現(xiàn)沉降。模擬降雨對膨脹土邊坡有一定的影響深度，在此次模型試驗及數(shù)值計算得到的影響深度約為400 m。對于圖6實測豎向位移出現(xiàn)的沉降是因為下層土體浸水軟化，在上部重力下而使其發(fā)生沉降。而數(shù)值計算得到的結(jié)果并未出現(xiàn)沉降是由于在本次的模擬計算當中做出了不考慮土體重力，即不考慮土體原始位移場和應(yīng)力場的基本假定。從圖示的邊坡豎向膨脹量的發(fā)展趨勢基本相同，且最大的豎向位移量均在為3.84 mm。

圖5 面板水平位移對比分析

圖6 邊坡豎向位移對比分析

4.2 土釘軸力對比分析

對最終實測和數(shù)值計算結(jié)果的土釘軸力進行對比分析(圖7)可知各排土釘軸力的變化趨勢基本一致。雖然軸力分布趨向圖中局部存在一些偏差，筆者分析認為非飽和土中氣相、液相的存在使土的性質(zhì)極為復(fù)雜，使得土釘與土的相互作用也極其復(fù)雜。模型試驗的過程中有避免不了的影響因素，比如氣候、溫度、濕度、儀器系統(tǒng)等因素的影響，有限元數(shù)值模擬過程中參數(shù)的選取也會對計算結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。

圖7 各排土釘軸力對比分析

5 小結(jié)

采用ADINA有限元軟件對膨脹土邊坡試驗?zāi)Ｐ瓦M行數(shù)值分析，由計算結(jié)果與實測結(jié)果分析得到以下結(jié)論:

1)對于土釘支護的膨脹土邊坡，面板的水平位移呈“拋物線”形狀，雨水的滲透作用對邊坡的淺層土層的影響較大，對深層土層的作用不明顯，降雨對膨脹土邊坡存在一定的影響深度。此次的數(shù)值計算與試驗數(shù)據(jù)表明該邊坡模型的影響深度為400 mm。

2)模型試驗結(jié)果和有限元計算結(jié)果表明，降雨條件下膨脹土邊坡的面板位移較大，在實際的膨脹土地區(qū)進行深基坑、高大邊坡支護施工時，建議土釘支護結(jié)構(gòu)與其它支護方式復(fù)合使用，以達到最佳的支護效果。

3)土釘最大軸力基本發(fā)生在靠近面板端部，隨著支護高度的變化軸力最大值逐漸遠離面板方向移動。數(shù)值分析得到的土釘軸力與試驗實測數(shù)據(jù)大致相同，說明本文的有限元模型是正確的，所以可以利用有限元軟件模擬計算，對類似的實際工程有較高的應(yīng)用價值。

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