灵敏度的多级填土斜坡基于有限元模型

文摘

基于强度还原法、边坡位移法和位置的变化在灌装过程中滑动面进行了研究。该模型建立了多级填土斜坡的有限元软件PLAXIS。斜率之间的差异比较,没有钢筋,钢筋在同样的工作条件。灵敏度分析进行了从内部因素和外部因素两个方面。有限元分析表明,多级填土斜坡的解决没有钢筋主要集中在右侧斜率和逐渐随填充高度的增加而减小。滑动出口的位置位于第一和第二等级的联合斜率。滑动表面强化的效果是理想的。很明显,强化可以斜率提供更好的滑动面位置,这有利于边坡的稳定。敏感性分析表明,单位重量,坡比,每个年级的高度与安全系数负相关。同时,平台宽度、凝聚力和内摩擦角与安全系数呈正相关。 The internal friction angle has the greatest influence on the stability of the slope. Besides, the platform width and the height of each grade should be controlled at about 4 m. The sensitivity analysis provides a reference for the design of the multistage filling slope.

1。介绍

边坡稳定性分析一直是岩土工程领域的一个重要问题,即岩土工作者的重要研究对象(1]。郊区和城市建设的发展,工程建设全面展开,越来越多的高填方边坡出现(2]。多级填充的斜率是复杂的(3),和单位重量等许多因素,凝聚力和内摩擦角影响其稳定性(4- - - - - -7]。特定的多级填边坡,其稳定性的敏感性研究各种因素将有助于确定最危险的因素,以避免风险在实际工程。

填满坡,一些学者注意填充材料对边坡稳定性的影响,提出不同的边坡加固方法。例如,预应力锚可以改善边坡的应力分布(8]。锚定土工合成材料可以提高边坡稳定性和变形行为9]。此外,antislide桩(10- - - - - -14和土钉15)被证明是好的边坡加固方法。

提出了许多边坡稳定分析方法(16- - - - - -21),分为传统分析方法和数值分析方法(22]。针对计算机的强大计算能力,数值分析方法是广泛使用的23- - - - - -27),如有限元法和离散单元法。安全系数通常是用来量化边坡稳定。目前,它是常见的整合力量还原法(SRM)有限元软件对边坡稳定性进行评估。在这种方法中,土壤的强度参数(棕褐色φ)和(c)不断减少,直至结构破坏。最经典的例子SRM应用到有限元数值模拟均质边坡稳定性评价的道森的论文(28]。他分析了各种各样的倾斜角度,土壤摩擦角和孔隙压力系数。的结果有能力减少技术在良好的协议与预测的传统方法。自那时以来,该方法已成功应用到大坝稳定分析和隧道稳定性分析。

斜率的灵敏度分析有助于研究边坡稳定性的主要因素导致恶化[29日- - - - - -32]。使用FLAC3D软件建立边坡模型,结果表明,冻融循环是边坡稳定性的敏感因素在高原地区33]。控制冻融循环有利于边坡的稳定在高原地区。Sadarviana指出,边坡的安全系数对地下水位的位置非常敏感,和地下水位的变化应该足够注意边坡监测的过程中(34]。

在现有的研究中,仍存在一些缺陷的稳定性对比分析和灵敏度分析多级填边坡加固前后。本文使用有限元软件PLAXIS研究位移斜率的监管和监管的位置滑动面在灌装过程中多级填土斜坡。斜率有和没有的区别钢筋在同样的工作条件进行了比较和总结。此外,框架梁的钢筋锚,antislide桩为实际边坡工程评估提供一个参考。基于灵敏度分析的方法,灵敏度分析的内部和外部因素(内摩擦角,凝聚力、坡比、等)的斜率是根据具体情况进行。最后,找到最敏感的因素,并建议实际边坡提出了建设和保护。

2。有限元分析

由于边坡的安全系数不能直接通过有限元方法来评价它的稳定性,Zienkiewicz [35)提出了强度还原法和强度折减系数定义为边坡的抗剪强度比外部荷载所产生的剪应力的斜率。此外,强度换算系数被定义为斜率时,边坡的安全系数达到临界故障状态。

2.1。建立有限元模型

2.1.1。模型材料参数

原来的基础和多级填的填土边坡是粉质粘土。为了简化模型(36),简化土层,其参数如表所示1。框架梁的参数、锚和antislide桩如表所示2。C30混凝土的强度等级。antislide桩的直径是1米,水平距离为2.5米,长度是8米,是用Q235钢做的。长篇保税锚包括三种类型的长度:10米,12米和15米。钻孔的直径是2.5米。其浸价值15°,其水平和垂直的距离是2.5米。

2.1.2。模型建立

多级填土斜坡由两部分组成:填充土壤和原来的基础。模型区域包括边坡土壤和土壤边坡土壤一定影响范围内。模型尺寸符合下列条件,斜率是1.5倍的左边界斜率坡脚的高度,正确的边界斜率为2.5倍斜率从坡脚高度,高度和斜率是2倍斜率的下边界斜率。这种方法的目的是消除边界效应,提高计算精度。模型的下部是原始基础,上部填土。水平约束添加到模型的左和右边界,和固定约束添加到模型的底部。截面图如图1。

基于一个稳定的三角测量程序,由PLAXIS自动生成有限元网格(37]。15-node三角元素用于非结构化网格形式。这种网格执行比定期在数值计算网格。网格密度设置在一些关键领域达到较高的计算精度38]。有限元网格的划分如图2。

人工填满后,边坡的应力再分配是由于土壤的装载重量,和边坡变形和破坏39,40]。如图3,坡面附近的主应力轨迹偏转。最大主应力几乎是平行于坡面、最小主应力近垂直边坡表面,和斜率逐渐恢复到近似初始应力状态。它是与边坡的应力再分配规律一致。因此,软件是可行的和有效的在这个问题上。

2.2。工作条件

原来的基础层31米厚。斜率是28米高,分为七层填土。如图4,有四个年级的斜坡。分析步骤如下:初始应力的原始基础是平衡的,它可以模拟自然斜坡的整合,提高模型的计算精度;然后,填土加载一层一层地;最后,斜率的结算管理和故障趋势进行了分析。相对应的具体的施工条件1到8①⑧图4,分别。

2.3。结果的分析

8工作条件的数值模拟分析后,每个工况的垂直位移云图。如图5,框架梁、锚和antislide云图中桩不活跃时显示为细线;相反,它们显示为粗线。沉降值的云图是一个累积的过程。

2.3.1。监管期间解决边坡分级填充不强化

如图6,主要解决发生在填充的部分的斜率。最后的累积沉降是49.1厘米,整个边坡的最大沉降主要发生在右边的斜坡海拔更高的地方。沿横截面的斜率右到左,沉降变形逐渐减小,位移是0在一定深度从山脚下。主要原因是填充加载扩散的基础是有限的。从装载点越远,影响越小。隆起现象发生在左边界斜率与连续加载,和最大位移达到2.3厘米。

分析结果表明,第一阶段的最大垂直位移是4.55厘米,第二阶段的填充是16.1厘米,三级填充是31.14厘米。进一步的解决阶段充填迅速增加,这是大约3.2倍的最后阶段。第三阶段加载后结算约高出50%的最后阶段,第四阶段加载后的结算是大约高出51%的最后阶段。换句话说,与填充高度的增加,增加的垂直沉降变形的斜率逐渐降低并趋于稳定。

2.3.2。监管的水平位移斜率在上演填充不强化

边坡的水平位移计算的有限元方法在不同填充阶段如图7。计算结果表明,最大水平位移的斜率为52.25毫米。边坡表面和附近的水平位移较大的下部坡脚,和主要方向是向左坡脚。

2.3.3。监管上演了充填过程中边坡滑动面位置不强化

如图8,剪切应变增量预测边坡可能的破坏模式,反映了改变边坡滑动面。完成阶段的填充时,剪切应变脚下的坡度很大,和滑动出口可能会出现在这个位置。当三级灌装完成后,一个小区域滑动面出现在斜率。进一步,当处于第四阶段充填完成后,剪切应变增量很大,和斜率出现一个完整的滑动面,平均约4.5米以下的斜率。滑动出口附近的连接位置斜率第一阶段和第二阶段的斜率之间。

2.3.4。比较之间的边坡位移在灌装过程中强化和Unreinforcement条件

多级填土斜坡的结算和故障趋势由PLAXIS强化条件下也进行了分析。由于有限的空间里,只有部分工作条件对比。

如图9,最大沉降顶部的边坡加固措施是46.1厘米。与顶部的49.1厘米的最大沉降斜率无配筋图6 (d),它揭示了斜率住区加固结构的控制效果不明显。

如图7 (b),右边的水平位移是容易发生阶段的斜率的上表面附近时,斜率是没有钢筋。当斜率不增强,土壤的应力在正确的边界的应力大于坡脚在相同的高度,所以在灌装过程中产生的垂直沉降变形主要集中在右侧斜率的身体,导致正确方向的水平位移在斜坡的顶端后灌装。最大位移是2.5厘米。边坡加固后,如图10右边,水平位移明显减少,最大位移是1.6厘米,不到36%,没有钢筋。左原地基水平位移也大大降低,最大水平位移是减少到0.8厘米,低于200%的最大位移无强化。因此,强化效应有利于控制水平位移斜率灌装过程中,提高高填方边坡的稳定性。

2.3.5。比较之间的填充过程中边坡滑动面位置钢筋和Unreinforcement条件

如图8 (c)强度后,该地区有大量剪切应变增量位于平均减少4.5米以下边坡表面,沿滑动面容易失败。滑动出口位于大约第一和第二交界处的斜率。如图11。大型剪切应变增量的区域转移到内在和较低的部分,这是位于平均11 m边坡表面以下。滑动出口转到下面的原始基础填土。因此,强化效应提供了一个更好的边坡滑动面位置。

3所示。多级填边坡稳定性影响因素的分析

一般来说,多级填土斜坡的稳定性是复杂的。考虑施工的方便和安全,需要采取一些重要的内部和外部因素的考虑边坡(41]。内部因素主要的物理力学参数,其中包括单位重量,凝聚力和内摩擦角的坡。外部因素主要包括人为的可控方面建设,即边坡形状,包括坡比、平台宽度,每个年级的高度。当边坡工程地质条件确定,每个因素都有不同程度的对其稳定性的影响,有些因素影响更大,有些因素影响较小。因此,本文使用敏感性分析方法分析了多级填土斜坡的稳定性影响因素,和极限平衡方法用于解决安全系数。除此之外,使用安全系数来评价边坡的稳定性,和功能之间的关系的内部和外部因素和安全因素。然后,解决灵敏度系数。

3.1。分析方法和程序

根据土壤参数提供了工程实例的调查报告,安全系数是由Morgenstern方法(42的极限平衡方法。使用控制变量法,安全系数在不同因素的影响下,每个因素之间的关系和安全因素是策划。每个因素的灵敏度系数是根据灵敏度系数计算公式计算。

敏感性分析(43)是指的选择因素对指标的影响更大的关注更多的不确定因素。灵敏度系数的影响程度来衡量的。在这项研究中,灵敏度公式所示的公式1。

假设多级填满坡的安全系数之间的函数,每个影响因素 ;的灵敏度系数因素是计算的 这个公式 的相对变化率边坡安全系数和 的相对变化率是影响因素。灵敏度系数的值反映了各因素对安全系数的影响程度。更大的是,这个因素是安全因素更加敏感。相反,这个因素不敏感的安全系数。

3.2。影响分析结果

如数据所示12和13,有一个单位重量之间的负相关,坡比,每个年级的身高,和安全因素。然而,平台宽度之间的关系,凝聚力,内摩擦角,安全系数呈正相关。

内部和外部影响因素的灵敏度系数的稳定性多级填补通过灵敏度分析方法,如表所示3。

从表可以看出3的灵敏度系数,内摩擦角是最大的,的值是1.002。和斜率的比值的灵敏度系数是第二步,的值是0.805。这表明内摩擦角和斜率的比值较大影响多级填土斜坡的稳定性。此外,平台宽度最小的灵敏度系数,值是0.079。总之,斜率的平台宽度至少对多级填土斜坡的稳定性的影响。每个年级的高度的灵敏度系数,单位重量,和凝聚力下降反过来,它们的值是0.252,0.179,0.172,分别和他们有一个相对较小的影响多级填满山坡的稳定性。

4所示。结论

high-filled斜率和不稳定的解决机制被PLAXIS数值模拟。的规定在灌装过程中位移和应变增量加固前后的变化进行了综述。强度降低的边坡稳定分析方法,和最可能的滑动面斜率的身体。GEOSTUDIO软件用于计算安全系数,和灵敏度分析方法用于获得内部和外部影响因素的灵敏度系数多级填土斜坡的稳定性。最后的结论如下。

多级填土斜坡在灌装过程中,沉降区主要集中在右侧斜率。与填充高度的增加,垂直沉降变形增量的斜率逐渐降低并趋于稳定。框架梁的影响锚加固措施对边坡沉降控制很不满意,但其控制的水平位移斜率是令人印象深刻。除此之外,它可以斜率提供一个更好的滑动面位置。具体来说,强化措施使滑动面变化从4.5米至11米深度在这个模型中,这意味着滑动破坏面深度增加。

单位重量、坡比、每个年级的身高与安全系数负相关。同时,平台宽度、凝聚力和内摩擦角与安全系数呈正相关。在六个因素进行了分析,灵敏度系数范围从大到小:内摩擦角,比斜率,每个年级的高度,单位重量,凝聚力,平台宽度。

多级填土斜坡的设计、参数的选择内摩擦角和凝聚力是非常重要的。当土壤参数确定,必须仔细设计边坡的形状,特别是斜率的比值和每个年级的高度。此外,考虑到边坡稳定和建设过程中,平台宽度应控制在约4米,每个年级的高度不应超过4 m。

数据可用性

在当前使用的所有数据和分析研究可从相应的作者如果认为必要。

的利益冲突

作者宣称他们没有利益冲突有关的出版。

确认

作者将感激地感谢提供的支持中国的国家自然科学基金(号。51978177,41902288,51809050),广东省科技计划项目交通部(2017-02-018),和广东省自然科学基金(2018 a030313839和2016 a030310345号)。编辑的帮助教授盖伦Leonhardy黑鹰学院也深表感谢。

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