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《华中科技大学》 2004年 博士论文
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加筋边坡加筋机理及渗流作用下力学响应的数值模拟研究

余飞  
【摘要】:土工格栅加筋边坡是土木工程中一种新型复合结构体系。由于其具有造价低廉、施工简便、节约土地及柔性结构的特点,在公路、水利、铁路、海港等各个领域得到了广泛的应用,并获得较好的经济效益和社会效益。三峡工程是中国以及世界最大的水电工程之一,其库区岸坡防护体系是一项具有挑战性的工程。本文以此为工程背景,在对筋土相互作用机理、非稳定渗流场计算、边坡稳定性分析中考虑渗流作用三个方面进行理论研究的基础上,应用数值分析的方法,对库区加筋边坡试验工程进行了仿真模拟。通过分析水位聚降过程中加筋边坡的位移场、应力场、塑性破坏区域、稳定安全系数的演变过程,研究水位变化诱导边坡失稳的内在机制,并对加筋边坡的防护效果与岸坡的稳定性作出合理的评价。本文主要进行了以下几个方面的工作: 1.加筋边坡加筋机理分析与数值模拟研究。本文在Lagrangian网格的控制方程中引入接触界面条件,并采用了经典的Coulomb摩擦模型作为界面切向面力的本构模型,继而发展了考虑接触约束条件的控制方程的弱形式;在求解方法上,综合了Lagrange乘子法与罚方法的优点,采用增广的Lagrangian方法处理接触界面约束,很好地解决了接触问题中的高度非线性和响应不平滑性。应用本文方法对加筋边坡试验工程进行了有限元分析,研究土工格栅和土相互作用的宏观表现。计算结果表明,土与加筋材料的介面摩擦力沿筋材表面的分布成抛物线变化;当滑动力较小时,摩擦阻力主要体现在筋材的前段,随着滑动力的增大,后段筋材上的摩擦效应才逐渐得到发挥。加筋边坡的整体稳定性相对于未加筋边坡有了很大的提高。筋材有效地阻止了坡后土体趋势滑移面的进一步发展,保证了岸坡的整体稳定。 2.库岸边坡中渗流作用的数值模拟方法研究。本文对非稳定渗流的数学模型进行了研究,并应用变分原理推导了非稳定渗流的有限元公式。对于非稳定渗流中最困难的问题——自由面边界,本文给出了单元“生死法”的模拟过程。基于前人研究的成果,指出了边坡稳定性分析中考虑渗透作用的传统方法的缺点,并提出了 WP=5 改进方法,以单元渗透体积力取代周边的水压力,正确考虑了土体容重、渗流方向的影响。 3.三峡库区加筋边坡在渗流作用下的力学响应分析。应用上面的研究成果和分析方法,对三峡库区加筋边坡大型试验工程进行了数值建模,并对水位聚降过程中加筋边坡的位移场和应力场的演变过程进行了仿真模拟。模拟结果表明:库水位快速消落过程中,加筋填土区域的水力坡降快速增长。水平位移的增长幅度明显小于总位移,土工格栅加筋材料对坡面土体提供了有效的水平约束。屈服破坏区域逐渐扩大,塑性区的扩展主要集中在杂填土层内,渗透压力和静水压力对加筋区土体的破坏作用不显著。在降水过程中,水位线附近的各层土工格栅与填土的相互作用力明显增强。边坡坡面的局部剪切破坏比较明显,设置土工格栅反包层是保持坡面稳定的有效措施。在水库正常运行过程中,加筋边坡的稳定安全系数在1.56~1.96之间变化。如遇到特殊情况而紧急泄洪,只要保持库水位下降速度小于 ,加筋岸坡的安全系数至少大于1.22,不至于出现整体失稳。 4.加筋边坡设计与有限元分析模块的开发。本文基于ANSYS平台,运用UIDL、APDL语言开发了加筋土边坡分析模块。该模块采用双楔体机理进行设计计算,并自动调用ANSYS模块,自动进行网格划分、加载以及有限元分析。加筋陡坡分析模块可让从未学习过ANSYS软件工程设计人员也能很好地借助本系统进行加筋边坡的优化设计和有限元分析。 本文的研究其成果不仅直接应用于三峡库区港口边坡的施工,而且对库区沿岸其它边坡防护工程有着重要的参考价值。


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