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        黏聚力強度對滑面作用的差異分析

        2016-04-01 20:15:33李晰劉金孟
        科技視界 2016年7期
        關(guān)鍵詞:黏聚力數(shù)值模擬

        李晰 劉金孟

        【摘 要】建立樁板墻支護滑坡的三維模型,以黏聚力為變量進行有限差分數(shù)值模擬,在c=0kPa到c=20kPa的計算結(jié)果表明:樁后ssi值減小,滑面ssi值增大,改善局部破壞;土拱層次減小,樁后水平力減小,利于樁板受力。較大的滑面黏聚力強度對有一定緩阻作用,能協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)與滑體的力學(xué)效應(yīng)。

        【關(guān)鍵詞】滑動面;接觸面;黏聚力;數(shù)值模擬

        滑動面為滑坡地貌的重要組成部分,在滑體穩(wěn)定因素中起控制作用,通常呈上陡下緩。在長期地質(zhì)作用下,滑體與滑床的分界面存在壓合、摩擦等各類影響?;聻?zāi)害是山區(qū)建設(shè)中的重要工程地質(zhì)和巖土工程問題[1],對滑動面參數(shù)的影響研究則是應(yīng)有之義。模擬是分析和解決復(fù)雜工程地質(zhì)問題的有效手段[2],數(shù)值技術(shù)可向工程設(shè)計及研究人員直接表達計算結(jié)果。本文利用數(shù)值軟件對滑坡模型進行計算和分析,探討滑面抗剪強度參數(shù)(黏聚力)對滑坡的影響規(guī)律。

        1 模型概況

        1.1 基本設(shè)置

        采用實體單元建模。巖土體采用M-C剪切模型,樁板結(jié)構(gòu)采用彈性模型。滑體-樁、滑體-板、滑床-樁、樁-板均建立無厚度的三角形接觸單元,用接觸面模擬滑動面。假定為天然工況,降雨暫不考慮。

        1.2 模型建立

        在SketchUp中獲取坐標(biāo)[3],利用有限差分軟件建模,在文獻[4]的基礎(chǔ)上加植了抗滑樁板墻,由此得到概化模型,如圖1所示。

        采用平面應(yīng)變模型,坡高30m,傾角37°,沿坡走向取3L距離(L為樁間距)。考慮土拱效應(yīng)的L適宜值[5],取4d(d=2m為樁截面邊長)。采用截面為d×d的方樁。樁長20m,嵌固段10m,擋土板厚度0.2m[6]。結(jié)合網(wǎng)格數(shù)量和計算時間,邊界按文獻[7]的建議優(yōu)化設(shè)置,前后緣各取至20m,樁底至底邊20m。模型底部固定約束,前后側(cè)y向約束,左右側(cè)x向約束,其余為自由面。單元數(shù)共14760個,網(wǎng)格尺寸滿足精度要求。

        1.3 材料參數(shù)

        滑體密度ρ=2000kg/m3,黏聚力c=20kPa,內(nèi)摩擦角φ=25°,彈性模量E=40MPa,泊松比υ=0.32;滑床ρ=2350kg/m3,c=60kPa,φ=45°,E=800MPa,υ=0.25;樁ρ=2500kg/m3,E=30GPa,υ=0.2;板ρ=2400kg/m3,E=25GPa,υ=0.2?;嫔先缂羟袆偠萲s、法向剛度ks及c、φ等數(shù)值選取,根據(jù)實體單元強度參數(shù)計算而得,詳見文獻[8]接觸面理論。

        2 工況計算

        在其它參數(shù)不變的情況下,以滑面的黏聚力強度為變量,分別取c=0kPa、10kPa、20kPa等3種工況進行模擬。

        2.1 切應(yīng)變增量(ssi)

        切應(yīng)變增量結(jié)果如圖2所示。均可看出滑面的塑性區(qū)集中在樁后和滑面。

        (1)黏聚力為c=0kPa時,滑面ssi值不大,約為2.0e-3~4.0e-3,而樁板后應(yīng)力集中,最大增量值為1.714e-2,受剪嚴(yán)重;(2)在c=10kPa工況,滑面上ssi值約為4.0e-3~6.0e-3,樁板后最大增量值為1.299e-3;(3)在c=20kPa時,滑面上已達到6.0e-3~8.0e-3,樁板后為1.0e-3左右。這說明接觸面的黏聚力強度在逐步發(fā)揮黏合作用,對減輕樁板后壓力有益。ssi越大的區(qū)域破壞的可能性越大,因此較大的黏聚力值有助于平衡支護結(jié)構(gòu)與滑體穩(wěn)定。

        2.2 土拱效應(yīng)(sxx)

        樁后土拱可以協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)與滑體的工作效應(yīng),使其設(shè)計和經(jīng)濟得到優(yōu)化。對z=38m進行切片操作,取中間土拱觀察。

        從圖3可清楚看到,在滑面黏聚力逐漸增大的情況下,水平土拱從明顯的3拱層次變?yōu)?拱和1拱,且最外層拱所受x向應(yīng)力值從150~200kPa依次變?yōu)?00~150kPa和100~50kPa。土拱效應(yīng)發(fā)揮阻滑作用,但并非拱形越明顯層次越多就越利于支護結(jié)構(gòu)受力?;婵辜魪姸仍龃笠詼p少對樁板的下滑壓力,具有重要意義。因此,改善滑面(帶)的力學(xué)性質(zhì)、減少其孔隙水壓力等是滑坡治理的方式選擇。

        2.3 變形分析(dis)

        設(shè)置各工況下的變形系數(shù),輸出相應(yīng)的水平位移云圖,如圖4所示。

        圖4 xdis變形云圖

        坡頂深色區(qū)域為滑體變形最大部分,從左至右依次為14~15.31cm、0.8~0.86cm、0.51~0.4cm??梢娀鎐=0kPa時變形最為嚴(yán)重,接觸面未發(fā)揮黏聚力強度作用。樁板支護結(jié)構(gòu)向前側(cè)傾斜程度很大,由于板厚為0.2m較樁體剛度小,因此受到上部滑體壓力較大而向樁前凸出。而c=20kPa工況下,樁板結(jié)構(gòu)的變形最小,滑體下滑變形最小。因此,接觸面的黏聚力強度值可以改善樁板墻結(jié)構(gòu)的受力情況,對滑坡的變形有一定約束作用。

        3 結(jié)語

        在長期地質(zhì)作用下,滑面(帶)充當(dāng)滑體和滑床的中間媒介,且會受各種因素的影響。目前一致認為滑面(帶)的存在是滑坡形成的必要條件。在對滑坡工程的數(shù)值模擬應(yīng)用中,往往不考慮或折減其抗剪強度參數(shù)值幅度,以致計算結(jié)果往往嚴(yán)重于實際情況。在工程設(shè)計階段也會因滑面的抗剪強度而顯得保守。從三種工況的差異分析來看,適當(dāng)考慮接觸面的黏聚力,可以改善支護樁板后的滑土壓力,接觸面會發(fā)揮一定的緩阻作用,協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)與滑體的力學(xué)作用。但如受地下水作用較為頻繁、存在滑動跡象等情況時應(yīng)具體問題具體分析,結(jié)合實際情況來進行滑面黏聚力值的折減和賦零。

        【參考文獻】

        [1]王恭先.滑坡防治中的關(guān)鍵技術(shù)及其處理方法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2005,24(21):3818-3827.

        [2]唐輝明.工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2012:228-229.

        [3]劉金孟,李晰.FLAC3D在某滑坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用[J].科技視界,2015(32):277-278.

        [4]鄧夷明.雙排抗滑樁抗滑機理的研究[D].西南交通大學(xué),2008:27-28.

        [5]張建勛,陳福全,簡洪鈺.被動樁中土拱效應(yīng)問題的數(shù)值分析[J].巖土力學(xué),2004,25(2):174-184.

        [6]公路擋土墻設(shè)計與施工技術(shù)細則[M].中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司,北京:人民交通出版社,2008:47-48.

        [7]張魯渝,鄭穎人,趙尚毅,時衛(wèi)民.有限元強度折減系數(shù)法計算土坡穩(wěn)定安全系數(shù)的精度研究[J].水利學(xué)報,2003,34(1):0021-0027.

        [8]陳育民,徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實例[M].北京:中國水利水電出版社,2013:143-144.

        [責(zé)任編輯:王楠]

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