【正文】 土木工程 學(xué)院 系 (專業(yè) )： 土木工程 題 目： 包裹式加筋邊坡破壞機(jī)制有限元分析 指導(dǎo)者： 王子寒 講師 (姓 名 ) (專業(yè)技術(shù)職務(wù) ) 評閱者： (姓 名 ) (專業(yè)技術(shù)職務(wù) ) 20xx 年 6 月 8 日 畢業(yè)設(shè)計（論文）中文摘要 題 目： 包裹式加筋邊坡破壞機(jī)制有限元分析 摘要： 包裹式加筋邊坡通過向土體中添置柔性筋材增強(qiáng)邊坡承載能力，具有造價低廉、施工簡便、與邊坡綠化緊密結(jié)合的優(yōu)點，近年來在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。為了完善加筋邊坡的設(shè)計理論，本文通過 plaxis 軟件建立有限元模型分別討論了位移加載條件下筋材的間距和埋深對邊坡承載能力的影響，通過對眾多數(shù)據(jù)的篩選分析得到了各種參數(shù)的合理取值范圍，針對工程設(shè)計意提出了具一定指導(dǎo)義的建議。從定量的角度而言，本文建議頂筋與底筋應(yīng)埋至荷載中心位置為宜。但土工合成材料通過土體與筋材之間的摩擦和機(jī)械咬合作用，在土體中傳遞拉應(yīng)力，分擔(dān)土體的應(yīng)力，從而從一定程度上改善了土體的強(qiáng)度和變形能力，提高了構(gòu)筑物的穩(wěn)定性。土工合成材料在工程中的作用可概括為過濾、排水、隔離、加筋、防滲和防護(hù)作用等六類，如圖 所 示 : a) 擋土墻背慮層（過濾作用） b) 堤壩排水（排水作用） c) 軟土加固（隔離作用） d) 加筋陡坡（加筋作用） e) 堤壩防滲墻（防滲作用） f) 堤岸防護(hù)（防護(hù)作用） 圖 土工合成材料在建筑中的應(yīng)用及發(fā)揮的作用 由于加筋土技術(shù)的優(yōu)越性、顯著的經(jīng)濟(jì)性和廣泛的適用性，加筋土技術(shù)獲得了國內(nèi)外很多工程技術(shù)人員的研究和采用。國內(nèi)外眾多專家對它的研究也從未停息，具體的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀將在下文予以介紹。選擇研究方法時進(jìn)行研究的第一步接下來筆者將據(jù)不同的研究方法介紹國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。 朱湘，黃曉明（ 20xx） [10] 通過進(jìn)行不同的室內(nèi)模型的對比試驗研究了加筋土邊坡與沒有加筋的邊坡之間的應(yīng)力差距，研究了軟土地基條件下的路堤的破壞機(jī)制。 尹志光，魏作安，萬玲等（ 20xx） [12] 他們進(jìn)行了細(xì)粒尾礦堆壩加筋模型試驗。 王志斌，李亮，鄒金鋒等（ 20xx） [14] 他進(jìn)行了諸多的大型室內(nèi)模型試驗，研究分析了加筋路堤邊坡與沒有加筋的路堤邊坡之間承載力的差距，著重分析了加筋路堤邊坡與沒有加筋的路堤邊坡的破壞機(jī)制和原理。并給出了一系列定量的結(jié)論給加筋土邊坡的設(shè)計 工作進(jìn)一步鋪平了道路。 離心模型試驗研究現(xiàn)狀 張嘎， 王愛霞， 牟太平等 （ 20xx） [17] 他通過現(xiàn)場試驗和數(shù)值分析相結(jié)合 的研究思路。另外這些土工格柵還使得土體的變形更加均勻增強(qiáng)了土體的穩(wěn)定性。實驗結(jié)果說明土體應(yīng)力的峰值在荷載的正下方。 大型現(xiàn)場試驗研究現(xiàn)狀 王曉鵬，史鋒，郭宇楠（ 20xx） [24] 針對 5 種工況的格柵加筋路堤邊坡進(jìn)行現(xiàn)場試驗，對各種工 況下土壓力、格柵應(yīng)變和路堤沉降進(jìn)行跟蹤觀測，并比較分析了格柵應(yīng)變、土壓力和沉降的變化規(guī)律，進(jìn)而研究了加筋層數(shù)及加筋類型對路堤結(jié)果性能的影響。但是，受到其受到作用力時的破壞機(jī)制仍不明確的影響，設(shè)計理論尚不完善，往往都是根據(jù)以往的工程經(jīng)驗進(jìn)行設(shè)計。但是，必須承認(rèn)的是有限元軟件模擬加載所得到的實驗數(shù)據(jù)同真實的實驗數(shù)據(jù)相比是存在很大的誤差的。 根據(jù)論文中的描述，所要建立的模型是一個斜率為 45 度的小型邊坡，模型整體長度 為 900mm，整體高度為 500mm，左側(cè)留土 250mm，右側(cè)留土 400mm，下側(cè)留土 250mm。 圖 某實驗?zāi)Ｐ蛨D 圖 plaxis 數(shù)值模型 本次模擬加載采用的是位移加載方式，通過規(guī)定變形，來讀取應(yīng)力的方式 進(jìn)行數(shù)據(jù)的獲取。 圖 數(shù)值 模擬結(jié)果 圖 試驗結(jié)果 河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 7 根據(jù)上述四副圖片的對照可以很清楚的發(fā)現(xiàn)，通過有限元模型模擬加載所獲的數(shù)據(jù)與通過真實實驗所獲得的數(shù)據(jù)相差無幾，這樣也就有力的論證了，本文研究方法的正確性及科 學(xué)性，為接下來的研究做出了很好的鋪墊。所以本文采用將筋材左端部對齊的方式進(jìn)行建模 ,以保證每根筋材的埋深都能從較小值擴(kuò)大的較為理想的狀態(tài)。 圖 間距 25mm 時的模型 圖 間距 50mm 時的模型 河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 9 圖 間距 125mm 時的模型 2． 2 模擬加載及數(shù)據(jù)整理 對上述的三個模型分辨進(jìn)行模擬加載，記錄其模型的變形及應(yīng)力數(shù)據(jù)建立 PS曲線圖表如下 (圖 )所示。具體的分析方法我們需要借助的是 plaxis 軟件所計算出的位移云圖，以及塑性點的分布圖來進(jìn)行分析。 要分析產(chǎn)生上述現(xiàn)象的成因，首先就必須要了解邊坡土本身的條件，從建模初期的參數(shù)設(shè)置中可以得出邊坡土的內(nèi)摩擦角為 34 度而邊坡本身的坡度為 45 度，由于內(nèi)摩擦角遠(yuǎn)小于邊坡本身的坡度，邊坡本身承載能力極差，極易進(jìn)入塑性狀態(tài)。根據(jù)荷載在土壤中傳遞的原理，可以想象的到， 荷載通過土體向下擴(kuò)散傳遞，由于土體本身不能承受拉力，在荷載傳遞到無筋的位置時，并沒有什么存在能夠阻止其傳遞。從上文中筋材消耗荷載的理解出發(fā)，可以很明顯的發(fā)現(xiàn)當(dāng)埋置間距越小時，筋材數(shù)量增多，而同樣的荷載被消 耗的次數(shù)也相應(yīng)的增多了，這就是為何筋材埋置的筋材間距越小，位移云圖中所表現(xiàn)出的滑動帶越陡越短，筋材作用十分明顯。 圖 間距 25mm 時的塑性點分布 河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 12 圖 間距 50mm 時的塑性點分布 圖 間距 125mm 時的塑性點分布 觀察上述塑性點分布圖，可以很清楚的發(fā)現(xiàn)塑性點主要分布在邊坡的邊界部分，大體的規(guī)律是以邊界為起點向邊坡內(nèi)部擴(kuò)散。也就是說，隨著筋材間距的減小，筋材埋置的密度也在不斷的增大，這很大程度上增強(qiáng)了加筋邊坡的彈性模量，增強(qiáng)了土體抵抗變形的能力。首先從筋材的節(jié)省方面進(jìn)行討論，從上文中的出的結(jié)論來看，間距越小，對邊坡的加強(qiáng)越大。但是 50mm 對應(yīng)的坡高為250mm，是坡高的五分之一，因此可以得出結(jié)論在確定埋深間距時，筋材的埋深間距不宜大于坡高的五分之一?？梢詫⑵马?shù)慕畈姆Q為頂筋，將坡底部的筋材稱為底筋，位于頂筋與底筋之間的筋材稱為內(nèi)筋（圖 ）。 建立模型并計算 在建立模型的過程中，采用頂筋長度分別為 100mm， 200mm， 250mm 三組進(jìn)行對照，至于模型圖片本文將不再具體展示，以免顯得拖沓冗長。 計算結(jié)果分析 了解到現(xiàn)象之后我們 所要做的就是，從其中發(fā)現(xiàn)更深層次的原因。 圖 頂筋埋深 100mm 時的位移云圖 河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 16 圖 頂筋埋深 200mm 時的位移云圖 圖 頂筋埋深 250mm 時的位移云圖 圖 間距 100mm 時的塑性點分布圖 河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 17 圖 間距 200mm 時的塑性點分布圖 圖 間距 250mm 時的塑性點分布圖 觀察上述位移云圖與塑性點分布圖，可以很清晰的發(fā)現(xiàn)三幅圖形的滑動帶與塑性點分布位置相差無幾，這就說明在相同荷載的作用下，上述三種模型的承載能力十分相似，這也從一個側(cè)面印證了之前的理論推斷。 3． 2 底筋埋深分析 在李飛前輩的模型中底筋埋深相對內(nèi)筋而言較小，于是經(jīng)過理論分析及思考后筆者認(rèn)為加長底筋對邊坡承載能力的加強(qiáng)作用并非十分顯著。需要注意的是在建 立模型的過程中要保證其他變量的穩(wěn)定。只有知其然又知其所以然，才能更深層次的了解底筋埋深對加筋筋邊坡影響。而這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因相信也與之前推河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 21 測得到的相差無幾。這樣做相對危險，因為實際工程并非數(shù)據(jù)模型，可能有著各種不同的現(xiàn)象影響著邊坡的承載力。接下來便借由模型對內(nèi)筋埋深的影響做進(jìn)一步的研究。 ` 圖 內(nèi)筋埋深 ps 曲線 從圖表中不難看出 ,在各個模型彈性階段隨著內(nèi)筋埋置深度的加深邊坡的承載能力不斷提升。只有知其然又知其所以然，才能更深層次的了解內(nèi)筋埋深對加筋筋邊坡影響。而這兩個模型的位移云圖與足以提供這些信息。至于在塑性區(qū)首層埋深為 0mm 的模型的應(yīng)力反超這一現(xiàn)象，僅僅通過現(xiàn)階段掌握的資料與數(shù)據(jù)難以進(jìn)行解釋，但是在這里筆者可以對產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因 給出一個大膽的猜測。而這兩個模型的位移云圖與足以提供這些信息。這個現(xiàn)象產(chǎn)生的原因根據(jù)上文中提到的 筋材插入滑動帶的原理，可以了解到在 225mm 埋深的情況下筋材已經(jīng)插入滑動帶足夠的距離，所以再次增加筋材的埋深對于邊坡的承載能力并沒有很大的幫助。再者從圖表中可以明顯看出頂筋與底筋埋深對邊坡的最終承載力影響并非很大。就埋深間距的設(shè)計工作而言， 筋材的埋深間距不宜大于坡高的五分之一。 在本文的研究過程中，由于設(shè)備條件的限制部分研究工作并沒能完成，設(shè)計內(nèi)筋埋深的定量結(jié)論并沒能得出，希望在未來更多研究加筋邊坡設(shè)計的研究人員能夠繼續(xù)深入研究得出定量的結(jié)論，為加 筋邊坡的設(shè)計施工工作提供更為有力的理論支持。父愛如山，母愛如水。感恩老師日復(fù)一日的悉心教導(dǎo)，為我的成長鋪就了一條康莊大道。 歲月靜好，莫憑其虛晃。