抗滑樁受力分布的有限元分析

目前，抗滑樁設計中的抗滑樁設計通常采用類比法進行計算，這通常導致抗滑樁設計的強度不足或設計保守。對滑坡體物理力學特征對抗滑樁作用力的影響缺乏系統的研究,對其影響規律沒有充分的認識,是當前設計的一大缺陷。針對這一問題,本文提出采用有限元方法分析滑坡體彈性模量、重度、抗拉強度對抗滑樁作用力分布規律的影響。1研究方法和模型的建立1.1對參數進行模擬分析本次研究采用數值模擬的方法,充分利用數值模擬可反復進行、能完全重現的特征,可在短期內對大量參數進行模擬分析,并且可對極限情況進行分析研究,克服了實驗分析方法的不足。數值模擬采用巖土體彈塑性有限元法,利用現有的成熟巖土體有限元分析程序,使研究主要集中在關心的滑坡體特征對抗滑樁作用力分布規律的影響上,研究更加方便、準確。1.2地質模型的確立根據研究和計算程序的需要,必須首先確立分析用的地質模型,研究選取具有代表性的滑坡體結構作為研究的地質模型,其模型結構及參數如圖1所示。1.3應力模型的建立在建立地質模型的基礎上,依據研究目的和有限元網格剖分原則,對模型進行了有限元剖分。計算過程中主要考慮巖體的重力作用,未考慮構造應力,整個模型按理想彈塑性體的平面應變問題處理。模型中,假設各種材料均為各向同性的材料。計算模型中采用的位移邊界條件為:左右邊界為水平向約束,底邊界為水平、垂直兩向約束,坡面為自由約束。有限元剖分時采用4結點4邊形單元和3結點3角形單元,整個模型被離散為675個結點,710個單元。有限元模型如圖2所示。2滑坡體各物理力學參數對抗滑樁-圍巖間相互作用巖土體的物理力學參數對抗滑樁與圍巖間作用力分布規律起著決定性作用,參數的變化將直接改變作用力的分布規律。為了研究各參數對抗滑樁與圍巖間作用力分布的影響規律,應用前述的地質模型和有限元模型,選用均質玄武巖作為基本計算模型,研究滑坡體各物理力學參數的影響規律。分析時,改變其中一個參數,保持其它參數不變,計算一組數值結果,并將結果進行對比分析,從中找出作用力的變化規律。2.1彈性模量對滑坡推力的影響為了研究滑體彈性模量的影響規律,選用一組滑體彈性模量為:100、500、1000、5000、10000、50000、100000MPa來分析。做出不同彈性模量計算的結點應力與結點坐標的關系曲線如圖3、圖4所示。可以看出,當滑體剛度增加時,滑體彈性模量增大,此時抗滑樁所受的滑坡推力和剩余抗滑力幅值增大。彈性模量在1000MPa以下時,滑坡推力和剩余抗滑力基本呈三角形分布。當彈性模量繼續增大時,滑坡推力曲線由三角形變為非線性分布曲線,且曲線斜率越來越大。滑坡推力合力作用點越來越靠近滑動面。當巖體彈性模量增加時滑坡下滑,由于滑體本身的變形量較小,其下滑時的能量消耗較小,因而作用于抗滑樁上的推力就較大。而巖體彈性模量較小時,巖性較弱,滑坡發生及滑動過程中,由于滑體本身的變形消耗了一定的能量,從而導致作用于抗滑樁上的作用力低。由滑坡推力曲線還可以看出,當巖體的變形性處于中等時,隨巖體剛度增加,滑坡推力的增加顯著,即當彈性模量在1000～10000MPa間變化時對滑坡推力的影響較大,當小于或大于該范圍時,彈性模量對滑坡推力的影響較小。表明巖性較弱時,如松散第四系或較弱飽和泥巖,其剛度增強有限,且其變形性均較大,滑坡滑動時消耗能小于滑體的變形,此時作用于抗滑樁上的推力是隨巖性剛度增加所增加但變化不大。而當巖體極硬時,如完整石英巖等,由于滑體巖性剛度較大,滑體本身的變形性能較小。此時,彈性模量的變化對滑坡推力的影響同樣較小。當滑體巖性位于以上兩者之間時,滑體巖性的變化對抗滑樁上作用力影響較大,在抗滑樁或抗滑建筑物設計時應予以考慮。另一方面,由分析結果可以看出,滑坡推力及剩余滑坡推力的作用點位置與傳統假設不符。傳統假設多認為對松散第四系,推力合力作用點高度位于滑面上1/3高處,而巖石滑坡則位于1/2處。主要是依據第四系滑坡推力呈三角形分布,而巖石滑坡的推力則是矩形分布。由本項研究可以看出滑坡推力是非線性變化,若從工程實用的角度出發,可以均視為在滑體下部2/3范圍內的三角形分布,而其合力作用點位置在滑面以上約1/4高處,剩余抗滑力的分布特征則與之相似。2.2重度對關系曲線的影響重度正是形成滑坡推力和剩余抗滑力的主要原因,為了研究它對滑坡推力和剩余抗滑力的影響規律,選取了一組重度值來研究,重度值取為:0.01、0.015、0.02、0.025、0.028、0.03、0.035kN/m3。不同重度時關系曲線如圖5、圖6所示。從圖上可以看出,重度大時,滑坡推力和剩余抗滑力幅值大,滑坡推力曲線形狀基本相似,力的作用位置基本不變。2.3拉伸控制理論改變滑體抗拉強度,分別為:0、0.05、0.1、0.5、1.0、5.0、10MPa7個抗拉強度,計算的結點應力與結點坐標關系曲線如圖7、圖8所示。從圖中可以看出,隨著抗拉強度增大,滑坡推力和剩余抗滑力的幅值都增大,但當抗拉強度增大到0.5MPa以后,繼續增大抗拉強度,滑坡推力和剩余抗滑力將不再變化,表明當巖體的抗拉強度達到一定值后,不會再被拉力破壞。3滑體重度對滑動力和剩余抗滑力的影響(1)滑體彈性模量增大,抗滑樁所受的滑坡推力和剩余抗滑力幅值增大,且在較小值范圍內時影響較小