水利工程論文-土工織物加筋堤壩復(fù)合有限元分析方法摘要：本文首先對作者在文獻(xiàn)1所得到的一個(gè)加筋復(fù)合土體本構(gòu)模型進(jìn)行分析計(jì)算。并將其編制成有限元程序，分析了一個(gè)具有實(shí)測資料的加筋路堤工程實(shí)例，與實(shí)測值進(jìn)行比較，檢驗(yàn)了程序以及這個(gè)加筋復(fù)合體本構(gòu)模型的可靠性。然后對某簡化堤壩工程進(jìn)行了沉降和穩(wěn)定計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，這個(gè)加筋復(fù)合體模型以及有限元程序能夠合理地反映加筋效果。關(guān)鍵詞：加筋堤壩有限元土工織物本構(gòu)關(guān)系文獻(xiàn)1建立了一個(gè)加筋復(fù)合土體的本構(gòu)關(guān)系，它將加筋復(fù)合土體視為一種近視的橫觀各向同性體，引入摩擦等效附加應(yīng)力的概念來模擬土與加筋體之間復(fù)雜的界面作用，充分考慮復(fù)合土體的各向異性以及土工合成材料的特點(diǎn)，通過一些假定得到了在不同的受力和變形條件下一些彈性參數(shù)的計(jì)算公式。本文將對此模型指出應(yīng)用中應(yīng)注意的問題，然后分別采用室內(nèi)試驗(yàn)和一個(gè)工程實(shí)例來進(jìn)行驗(yàn)證，最后利用本模型對某個(gè)加筋堤壩工程分析加筋對沉降和穩(wěn)定的影響。1模型使用中的幾個(gè)問題首先需要對文獻(xiàn)1中本構(gòu)模型的幾個(gè)問題進(jìn)行說明。(1)從分析過程中可以看出，各彈性參數(shù)公式分別是在一定的變形和應(yīng)力路徑條件下的結(jié)果，按理說這些公式也只能用于特定的條件，在不同的受力和變形條件應(yīng)按上述方法或其它方式進(jìn)行重新推導(dǎo)。但是在實(shí)際工程中受力條件和變形條件較多，不易也沒有必要對每一種工況都進(jìn)行仔細(xì)地分析，而且有些情況下的彈性參數(shù)按上述方式并不能直接推導(dǎo)出簡單的公式，如平面應(yīng)變條件下的豎向模量和泊松比。所以這里要作一個(gè)近似，即假設(shè)這些參數(shù)作為固有的彈性參數(shù)，雖然復(fù)合體為各向異性的，但我們也不妨認(rèn)為由以上各種特殊應(yīng)力路徑得到的彈性參數(shù)與土體參數(shù)之間的關(guān)系適用于其它應(yīng)力路徑的情況，如平面應(yīng)變條件下的豎向模量和泊松比公式可以近似地取用x0,y0,2=3為常數(shù)的情況或稱為三軸被動(dòng)壓縮)來確定。而對于水平向模量由虎克定律可以知道從上述三軸被動(dòng)壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力路徑下得不到具有Ex意義的曲線，但若采用1=常數(shù)，2=30的應(yīng)力路徑，式(2-95)表明這種應(yīng)力路徑可以用來分析Ex。因此可以利用三軸試樣進(jìn)行了軸向應(yīng)力不變，徑向應(yīng)力減小的應(yīng)力路徑試驗(yàn)即三軸主動(dòng)壓縮試驗(yàn)，對水平向模量進(jìn)行試驗(yàn)分析。對于一般的三軸剪切試驗(yàn)，通常是先進(jìn)行等向固結(jié)再剪切，為了更好地模擬加筋結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力和變形情況，避免在試樣等向固結(jié)過程中將土工織物壓皺而引起誤差，試驗(yàn)除了等向固結(jié)試驗(yàn)外，還進(jìn)行了三軸不等向固結(jié)試驗(yàn)。不等向固結(jié)情況下初始固結(jié)盡量取K0狀態(tài)，可使得土工織物事先既不壓皺，也不被拉伸。限于篇幅本文對試驗(yàn)過程和試驗(yàn)結(jié)果不作介紹，詳細(xì)內(nèi)容可見文獻(xiàn)2，這里僅選取兩個(gè)試驗(yàn)結(jié)果如圖1。這兩個(gè)圖分別是用來分析加筋復(fù)合體豎向和水平向模量的，其中加筋砂的理論曲線是根據(jù)上述公式計(jì)算而得，從中可以看到試驗(yàn)曲線和理論曲線較為吻合，特別是初始階段，完全能滿足工程需要。從其它試驗(yàn)結(jié)果來看，文獻(xiàn)1所得到的一些公式也有較好的精度。圖1加筋砂土和非加筋砂土試驗(yàn)和計(jì)算的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系3工程實(shí)例驗(yàn)證模根據(jù)文獻(xiàn)1的本構(gòu)模型改動(dòng)原Biot固結(jié)有限元程序，用于土工織物加筋結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析之中。為了檢驗(yàn)程序的可靠性和此本構(gòu)模型在實(shí)際工程中的應(yīng)用情況，首先用來分析具有實(shí)測資料的一個(gè)加筋路堤。3.1工程概括某試驗(yàn)段工程采用土工織物加筋和塑料排水板聯(lián)合處理軟土地基。其地基各土層情況見表1所示。路堤設(shè)計(jì)斷面如圖2所示。土工織物鋪設(shè)時(shí)施加了約1%的預(yù)應(yīng)變。土工織物鋪設(shè)于砂墊層之間。塑料排水板的打設(shè)長度為12m，間距1.5m，采用正方形布置。路基沉降觀測及路基基底土壓力觀測布置于K18+500斷面，該斷面的施工加載過程如圖3所示。3.2計(jì)算條件和方法土體采用鄧肯-張非線彈性雙曲線模型，計(jì)算參數(shù)如表1。將加筋土工織物和周圍的砂墊層作為復(fù)合土體進(jìn)行單元?jiǎng)澐?。其本?gòu)關(guān)系采用文獻(xiàn)1中所介紹的公式，本算例為平面應(yīng)變情況，除了水平模量采用文獻(xiàn)1中式(28)外，由于其它參數(shù)該文未能得到平面條件下的計(jì)算公式，根據(jù)前面說明其它參數(shù)采用x0,y0時(shí)，認(rèn)為復(fù)合體的參數(shù)與其中的土體相同。土工織物的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系利用雙曲線模型3，其初始切線模量為Ebi為640kN/m，抗拉強(qiáng)度K2=57.4kN/m。工程中塑料排水板在平面上是正方形布置而不適合平面應(yīng)變問題，但有一種近似處理方法即把這種砂井(塑料排水板)轉(zhuǎn)化為砂墻地基來分析，只需修正土體的滲透系數(shù)即可，修正和處理方法按文獻(xiàn)4的方法進(jìn)行。取砂墻間距為4.0m，則可得修正系數(shù)水平方向?yàn)?.881，豎向?yàn)?.90。圖2路堤設(shè)計(jì)斷面示意圖3施工加載過程表1地基各土層有限元計(jì)算參數(shù)土層號土名c/kPa/KnRfGFDKr/(m/d)1素填土0.034.3232.70.380.770.200.003.71.2210-42-12-1淤泥質(zhì)亞粘土0.035.672.30.840.740.180.001.91.9510-42-22-2淤泥質(zhì)亞粘土夾亞砂土15.723.942.51.000.830.180.003.44.6010-42-3淤泥質(zhì)亞砂土夾亞粘土0.031.0112.10.330.750.220.000.91.8710-43亞砂土0.036.9451.20.350.770.290.306.21.2110-44粉砂0.040.0500.00.300.700.250.000.01.8410-43.3計(jì)算結(jié)果采用已編制的復(fù)合有限元程序可得到此斷面中心點(diǎn)的沉降時(shí)程線如圖4所示。從圖中可以看到，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值相當(dāng)吻合?，F(xiàn)場埋設(shè)了4個(gè)土壓力盒，施工一個(gè)月后其測試值見圖5所示。而土壓力盒附近點(diǎn)由計(jì)算得到的土壓力值也繪于圖5中。由于本工程打設(shè)了塑料排水板，在計(jì)算時(shí)作了等效，而且認(rèn)為塑料排水板處的超靜孔壓力為0，這些處理影響了計(jì)算的精度。但從圖中看到，計(jì)算和實(shí)測還是較為接近。從這個(gè)實(shí)例的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的一致性可以證明上文的模型有一定的可靠性，可以利用此程序來分析土工織物的加筋效果。圖4沉降與時(shí)間關(guān)系曲線圖5土壓力分布4加筋效果分析為了分析土工織物的加筋效果，以及進(jìn)一步檢驗(yàn)上文模型對加筋效果的反映程度，本文采用上述方法對某加筋堤壩工程進(jìn)行分析計(jì)算。某堤壩工程幾何尺寸、計(jì)算網(wǎng)格及路堤的施工工程如圖6所示，堤底設(shè)置50cm厚度的砂墊層，內(nèi)夾設(shè)一層加筋有紡?fù)凉た椢?。為了便于說明問題和計(jì)算簡便，計(jì)算時(shí)對地基條件作了簡化，認(rèn)為地基軟土為同一種土體，地基計(jì)算深度為15.0m，其下為基巖，取原地基中最主要的土體為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土。土體模型仍采用鄧肯-張雙曲線彈性非線性模型，模型計(jì)算參數(shù)如表2所