锚杆挡土墙结构的三维有限元分析_应志民
基于有限元分析的挡土墙结构优化研究
基于有限元分析的挡土墙结构优化研究挡土墙是土木工程中常见的一种边坡支护结构，其作用是抵抗土体自重和侧压力，保护边坡的稳定。
在挡土墙的设计中，优化结构是提高结构性能和经济性的关键。
基于有限元分析的挡土墙结构优化研究旨在通过有限元分析方法，评估挡土墙结构的性能，进而寻求最优的结构方案。
本文将针对挡土墙结构的优化进行详细研究，包括结构参数的选取、有限元模型的建立、分析方法的选择和结果的评估等方面。
首先，结构参数的选取是挡土墙优化设计的基础。
挡土墙结构包括墙体几何参数和材料参数等。
在选取墙体几何参数方面，需要考虑墙体的高度、底宽、顶宽、坡度等因素。
而在选取材料参数方面，需要考虑墙体的抗折强度、抗滑强度、抗倾覆能力等指标。
通过在一定范围内变化这些参数，可以得到不同结构方案的有限元模型。
其次，有限元模型的建立是进行优化研究的关键。
有限元模型应该准确地描述挡土墙的力学行为，并能够反映实际工程中的各种受力和变形情况。
一般来说，有限元模型应包括挡土墙结构、土体、支护设施等各个组成部分。
在建立模型时，还需根据实际情况考虑边界条件，如土体的边界约束和荷载的施加方式等。
第三，选择合适的分析方法进行挡土墙结构的有限元分析是优化研究的关键环节。
有限元分析方法主要包括静力分析和动力分析。
对于挡土墙这种静力结构，一般可以采用静力分析方法，例如采用平衡法、变分原理或有限元法求解结构的受力和变形情况。
在分析过程中，还需考虑土体的非线性特性、构筑物与土体的接触条件等。
最后，通过有限元分析的结果来评估不同结构方案的性能，进而确定最优方案。
评估指标主要包括挡土墙结构的受力性能、变形性能和经济性能等。
通过比较不同结构方案的评估指标，可以得到最优的挡土墙结构设计。
综上所述，基于有限元分析的挡土墙结构优化研究是一个复杂而重要的课题。
在研究中，需要选取合适的结构参数、建立准确的有限元模型、选择适当的分析方法，并通过评估指标确定最优设计方案。
通过这些研究内容的探索和分析，可以得到性能更好、经济性更高的挡土墙结构设计，提高工程的稳定性和安全性。
基于有限元分析的挡土墙稳定性评估与优化设计
基于有限元分析的挡土墙稳定性评估与优化设计挡土墙是土木工程中常用的一种结构，用于抵抗土体的侧压力，保持土体的稳定。
挡土墙的稳定性评估与优化设计是一项重要的工作，可以确保挡土墙在正常使用条件下不发生倒塌事故，并能满足建设需求。
在进行挡土墙稳定性评估与优化设计时，有限元分析是一种常用的方法。
有限元分析是一种数值计算方法，通过将复杂连续介质问题离散化为有限个单元，建立离散的数学模型，并利用计算机进行求解。
通过有限元分析，可以对挡土墙的受力和变形进行准确的模拟和计算，为稳定性评估提供可靠的依据。
在进行稳定性评估时，首先需要确定挡土墙所受力的边界条件。
这包括土体的侧压力、挡土墙的重力、附加荷载等。
通过有限元分析，可以将这些力的作用效果准确地模拟出来，并计算出挡土墙在不同工况下的受力情况。
根据计算结果，可以判断挡土墙的稳定性，并进行相应的优化设计。
在评估挡土墙的稳定性时，主要考虑以下几个方面：1. 滑动稳定性评估：滑动是挡土墙最常见的破坏形式之一。
通过有限元分析，可以计算挡土墙和土体之间的剪应力分布，并评估挡土墙的滑动稳定性。
如果滑动安全系数小于1，即表示滑动破坏的可能性较大，需要进行相应的优化设计。
2. 翻转稳定性评估：翻转是挡土墙另一种常见的破坏形式。
通过有限元分析，可以计算挡土墙的倾覆转矩，并评估挡土墙的翻转稳定性。
如果倾覆转矩大于挡土墙的抗倾覆转矩，即表示翻转破坏的可能性较大，需要进行相应的优化设计。
3. 应力和变形分析：挡土墙的稳定性评估还需要考虑挡土墙和土体的应力和变形情况。
通过有限元分析，可以计算挡土墙和土体的应力和变形分布，并评估挡土墙的变形与破坏情况。
如果挡土墙变形较大或应力超过允许值，需要进行相应的优化设计。
基于有限元分析的挡土墙稳定性评估与优化设计是一项复杂而重要的工作。
在进行评估时，需要准确模拟挡土墙及其周围土体的力学行为，并结合结构的受力性能和变形特点进行综合分析。
通过合理的优化设计，可以提高挡土墙的稳定性，确保工程的安全运行。
锚杆挡土墙在边坡防护中力学机理的研究的开题报告
锚杆挡土墙在边坡防护中力学机理的研究的开题报告一、选题背景在城市化的进程中，边坡工程是建筑工程建设中的一个重要环节。
然而，该领域面临的风险是巨大的，仅仅依靠传统的工程材料和设计方法难以达到有效的防护效果。
近年来，锚杆挡土墙在边坡防护领域得到了广泛应用，其具有强度高、抗震能力强、施工周期短等优点，这使其成为了一种非常有效的工程防护方式。
锚杆挡土墙在边坡防护中的机理主要是锚杆与土体之间的相互作用。
锚杆通过锚固土体，形成钢筋网络，从而牢固地抵抗土体的滑移和崩塌，实现整个边坡的稳定性。
然而，锚杆挡土墙在边坡防护中的力学机理还有待深入研究。
因此，本文将从锚杆挡土墙中锚杆与土体的相互作用原理入手，对锚杆在挡土墙中的机理进行深入研究，探讨锚杆挡土墙在边坡防护中的力学机理，为提高边坡防护的效果提供一定的理论支持。
二、研究目的本文的研究目的主要有以下几点：1. 研究锚杆挡土墙中锚杆与土体之间的相互作用原理。
2. 探究锚杆挡土墙的力学机理。
3. 评估锚杆挡土墙在边坡防护中的应用效果。
三、研究方法本文的研究方法包括文献资料法、试验法、数值模拟法等。
1. 文献资料法：通过查阅文献资料，了解锚杆挡土墙在边坡防护中的应用情况，掌握锚杆与土体之间的相互作用原理。
2. 试验法：设计锚杆挡土墙试验，对锚杆挡土墙的力学机理进行实验验证。
3. 数值模拟法：运用有限元软件对锚杆挡土墙进行力学分析，进一步了解锚杆挡土墙在边坡防护中的应用效果。
四、预期结果通过本文的研究，预计可得到以下几点成果：1. 深入研究锚杆挡土墙中锚杆与土体之间的相互作用原理，探究锚杆挡土墙的力学机理。
2. 通过实验验证，进一步了解锚杆挡土墙在边坡防护中的应用效果。
3. 提出对锚杆挡土墙的改进措施，以提高其在边坡防护工程中的整体应用效果。
五、论文结构本文将分为以下几个部分：第一章：选题背景及研究目的第二章：文献综述第三章：锚杆挡土墙力学机理研究第四章：锚杆挡土墙试验验证第五章：数值模拟分析第六章：结论与展望六、研究进展目前，已完成了文献综述部分的调研工作，明确了锚杆挡土墙在边坡防护领域的应用情况，掌握了锚杆与土体之间的相互作用原理。
扩大头锚杆-土体相互作用数值模拟与分析
扩大头锚杆-土体相互作用数值模拟与分析扩大头锚杆是一种常用于土体加固工程中的锚杆形式，其主要特点是头部采用了扩大设计，能够更好地固定在土体内，并提供更大的抵抗力。
本文将以数值模拟与分析为手段，探讨扩大头锚杆与土体的相互作用机理，为工程实践提供一定的参考价值。
一、模型建立本文所研究的扩大头锚杆模型采用了三维有限元方法进行建立，其中锚杆本身采用了线弹性单元，土体则采用了三维八节点三棱柱单元。
由于扩大头锚杆常用于基础土层加固工程中，因此本文将重点研究锚杆与土体之间的相互作用机理。
二、计算分析1.静力分析在进行静力分析时，假设扩大头锚杆的力学参数为：E=2.1e11N/m2,α=1.2e-5/℃,σy=6.3e8N/m2,σult=9.5e8N/m2，并分别考虑了不同深度和不同直径的锚杆。
计算结果表明，增加锚杆深度和直径都能够有效提高锚杆的承载能力，但增加直径的效果更为显著。
在进行动力分析时，首先对锚杆进行有限元动力分析，得到其特征频率和振型，进而利用单自由度系统理论建立锚杆与土体的耦合系统模型，得到系统的振动响应。
在考虑地震作用时，本文采用了强震动地表运动记录，分别对锚杆和土体进行了动力响应分析，结果表明在地震作用下，锚杆与土体之间的相互作用能够降低锚杆的自振频率和阻尼比，使其具有更好的抗震能力。
三、结论通过以上模型建立和计算分析可得，扩大头锚杆在土体加固工程中具有较好的抗拔能力和抗震能力。
同时，增加锚杆的深度和直径能够有效提高其承载能力，但在进行工程实践时需要根据具体情况进行选择。
此外，在进行动力分析时需要考虑到锚杆与土体之间的相互作用，以更加准确地评估工程的安全性和经济性。
锚杆护顶方案三维有限元数值模拟及分析
Ｔｈ ｅ — ｉ ｅ ｓｏ ａ ｉ ｉｅ ｅ ｅ ｎ ｕ ｒｃ ｌｓｍｕ ａ ｉ ｎ ｒ ｅ ｄ ｍ ｎ ｉ ｎ ｌｆ ｔ ｌ ｍｅ ｔｎ ｍｅ ｉａ ｉ ｌｔｏ ｎ ｏ ｈ ｒ ｇ ａ ｏ ｏ ｆｂ ｌｉ ｇ ｎ ｔ ｅ ｐ ｏ ｒ ｍ ｆｒ ｏ － ｏ ｔｎ
第６ ４卷
第 ４期
有 色 金 属 （ ｉ１ ． ９ ９ Ｊ ｉ ｎ １ ７ — １ ２ ２ １ ． ４ ０ ３ ｏ ：０ ３ ６ ／ ．ｓ ． ６ １４ ７ ． ０ ２ ０ ． １ ｓ
锚 杆 护 顶 方 案 三 维 有限 元 数 值 模 拟 及 分 析
ｅｅ ｎ ｕ ｒｃ ｌ ｉ ｌ ｔ ｎ ｓ ｆｗａ ｅ ｉ ａ ｏ ｔ ｄ ｔ ｉ ｌ ｔ ｈ ｅ ｉ ｄ ｆｂ ｌ ｓ ｐ ｏ ｔｐ ｏ ｒ ｍｓ ｉ ｒ ｅ ｏ ｆ ｄ ｎ ｌｍｅ ｔｎ ｍｅ ｉａ ｍｕ ａ ｉ ｏ ｔ ｒ ｓ ｄ ｐ ｅ ｏ ｓｍｕ ａ ｅ ｔ ｒ ｅｋ ｎ ｓ ｏ ｏ ｔ ｕ ｐ ｒ ｒ ｇ ａ ｎ ｏ ｄ ｒｔ ｉ ｉ ｇ ｓ ｏ ｎ
为研究 矿体 回采 过程 中顶 板 的稳定 性 ， 采用 数
值模 拟方 法 ， 量地 计 算 和 分 析 回采 过 程 中采 场顶 定
模 拟 中所采 用 的计算 参数 见表 １ 。
表 １ 岩体 物 理 力 学 参数 取值 表
Ｔａ ｌ Ｖａ ｕ ｓ ｏ ｅ ｈａ ｉ ａ ｒ ｂｅ１ ｌ ｅ ｆ ｍ ｃ ｎ ｃ ｌｐａ ａｍｅ ｅ ｓ ｏ ｏ ｋ ｍ ａ ｓ ｔｒ ｆｒ ｃ ｓ
马 相松
（ 明有色 冶金设 计研 究院股份 公 司 ， 明 ６０ ５ ） 昆 昆 ５ ０ １
(整理)仰斜式锚杆挡土墙三维有限元模拟分析
仰斜式锚杆挡土墙三维有限元模拟分析摘要随着国民经济的飞速发展，基础设施建设速度越来越快，目前对于经济适用、安全可靠的空间组合支护结构的需求日益迫切。
仰斜式锚杆挡土墙是一种新型的轻型挡土墙结构，具有锚杆挡土墙和仰斜式挡土墙的优点，能够广泛应用于各种复杂类型的地形及地基边坡加固工程，但对这种挡土墙结构受力变形特征的分析研究在国内外尚未查询到相关文献报导，在工程应用中设计人员对此种挡土墙结构的受力特征的了解还远不能满足设计要求。
因此，开展仰斜式锚杆挡土墙结构的分析研究具有重大的理论意义和工程应用指导价值。
本文结合太原市煤气化城郊森林公园水源工程左岸公路仰斜式锚杆挡土墙结构的设计方案，采用ANSYS软件生死单元模拟仰斜式锚杆挡土墙结构在施工、完建、浸水及水位降落过程中的挡土墙—锚杆—土体—地基联合变形协调发展过程，建立非线性空间有限元分析模型，分析土体粘聚力（c）和内摩擦角（φ）对挡土墙位移及内力、土压力和锚杆受力的影响，并对土体的粘聚力（c）和内摩擦角（φ）进行敏感性分析并得到如下结论和认识：1.建立仰斜式锚杆挡土墙非线性空间有限元分析模型并对其进行分析，模拟了仰斜式锚杆挡土墙的施工过程，得到了挡土墙结构在水库泄水完成时墙背土压力大小及分布状态、挡土墙墙体内力及位移、锚杆轴力大小及分布。
同时和库伦主动土压力理论计算结果进行对比，发现土压力是库伦主动土压力的1.94倍，即土压力增大系数为1.94。
2．仰斜式锚杆挡土墙结构空间有限元分析结果指导出仰斜式锚杆挡土墙在挡土墙完建、水库蓄水完成以及水库泄水完成三种工况下墙背土压力分布规律、挡土墙的水平位移特征、挡土墙内力分布特征以及锚杆的受力特征。
3.通过对仰斜式锚杆挡土墙1/4断面、对称断面和锚杆所在位置断面水平位移的比较，发现锚杆对挡土墙水平位移具有很明显的控制作用。
锚杆所在位置处挡土墙墙体位移明显小于墙体其它部分位移。
4.对影响仰斜式锚杆挡土墙结构内力、位移和锚杆受力的主要因素土体的粘聚力（c）和内摩擦角（φ）进行参数敏感性分析，得出土体内摩擦（φ）角对结构内力、位移和锚杆轴力的影响较大。
有限元在挡土墙选形中的应用
有限元在挡土墙选形中的应用摘要：结合高填方路基挡土墙施工实践，对常规挡土墙形状进行了改动，提出多个尺寸方案，利用有限元理论及计算分析软件ANSYS对这些新形挡土墙进行了计算，从中选择满足要求的最佳形式，体现了有限元在计算挡土墙方面的便捷性，为类似挡土结构计算提供参考。
关键词：有限元；计算软件；挡土墙Abstract: the combination of high fill subgrade retaining wall construction practice, the conventional retaining wall shape was changed, the more the size of the program, the use of finite element theory and analysis software ANSYS of these new type retaining wall are calculated, from which to choose best meet the formal requirements, reflects the convenience of finite element method in the calculation of retaining wall respect, offer reference for similar retaining structure calculation.Keywords: finite element calculation software; retaining wall;一、工程概况某道路工程全长4.3公里，路基宽度22米，双向四车道布设，两侧设置4米宽绿化带，道路等级为一级，设计时速80公里，路基为填方路基，高填方路段长3公里，全部采用重力式片石混凝土挡墙，项目工期为五个月。
由于受天气及征地拆迁工作的影响，工期缩短二十余天，在这种情况下，为确保高填方路段回填质量，经各方研究后决定采用“包砂法”进行施工，即首先完成两侧挡墙的施工，然后回填砂或砂砾，采用水压法使其密实。
锚杆挡土墙的结构设计PPT课件
锚杆挡土墙
01 课题来源 02 现状目标意义 03 研究方向 04 研究进展 05 任务安排 06 论文提纲 07 谢谢
锚杆挡土墙 论文提纲
01 课题来源
1、绪论 1.1研究意义 1.2研究意义 1.3研究的主要内容 2、锚杆挡土墙分类 3、结构计算及设计方法综述 4、实例 5、结论及对策
02 现状目标意义
锚杆挡土墙
挡土墙侧向压力的大小与岩土力学性 质、墙 高、支 护结构 形式及 位移方向和大小等因素有关。由于锚 杆挡土 墙构造 特殊， 侧向压 力的影响因素更为复杂。 目前在理论上还没有准确的计算方法 能如实 地反映 各种因 素对锚 杆挡土墙侧向核动力的影响。 现行的一些规范中采用土压力增大系 数来反 映锚杆 挡土墙 侧向压 力的增大。由于是否考虑土压力增大 和土压 力增大 系数都 带有一 定的经验性，因此，该领域还需要做 进一步 的研究 。
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二：锚杆的设计
锚杆挡土墙
01 课题来源 02 现状目标意义 03 研究方向 04 研究进展 05 任务安排 06 论文提纲 07 谢谢
锚杆设计中有许多不确定的因素，以 往锚杆 设计中 常将锚 固长度 上的粘 结应力 视为均 匀分布 采用抗 拔力与 锚杆长 度成正 比的假 定与现 场实测 情况是 有出入 的。当 前普遍 采用的 集中接 力型锚 杆在爱 荷时， 不能将 荷载均 匀地分 布于锚 固长度 上，会 出现严 重的应 力集中 现象。 因此应 积极采 用在一 个钻孔 中安放 若干个 锚固长 度较短 的单元 锚杆的 复合锚 固，它 能使粘 结强度 较均匀 地分布 于整个 锚固长 度上， 更有效 地利用 地层的 抗剪强 度。
加载条件下锚杆挡土墙有限元极限分析
应志民 ： 载条件下锚杆挡土墙有限元极限分析 加
９ １
单 元进行划分 ， 从而使单元形状 比较规则 ， 尽量避免相
科 学 ，０ ５ ３ （ ）４ ２０ ，０ ５ ：３—４ ５ 、
［ ］ 王艳慧 ， ６ 曹红杰 ， 杨国祥．灰色预测模 型的选择及其 在大坝安
参 考 文献
［ ］ 邓 聚龙．灰色预测 与决 策［ ． 汉 ： 中理 １大学 出版社 ， １ Ｍ】 武 华
１９ ９ ６．
全 预报 中应用 的研究［ ］ 地矿测绘 ，０ １ （ ）６—７． Ｊ． ２０ ，２ ：
板厚 度 为 ２ ０ ｍ。岩体 、 土板 和肋 柱 均采 用 Ｓ Ｉ ０ｍ 挡 Ｏ 一
１４ １ ５单 元 ，锚 杆 采用 三 维 杆单 元 ＬＮ ８单 元模 拟。 ３ ＩＫ 岩体 弹性模量 Ｅ＝ ０ Ｍ ａ 重度为 ２ ｋ ／ 粘结 力 ｃ ３０ Ｐ ， ２Ｎ ｍ ，
＝
中取一列锚杆 的作用 范围作为分 析对象 ， 建立 的三维
值模拟方法 ， 建立锚 杆挡 土墒 加固边坡 的三维有 限元模型 ， 采用 极限分析有 限元法对加锚杆 挡土墙前后边坡 的极 限承载能力 、 塑性区 、 位移变化进行了 比较分析 ， 出了锚杆挡 土墙对边 坡位移 和塑性 区的控制作用 以及边坡 的 得
极 限荷 载 。
【 关键词 】 锚杆挡土墙 ； 数值模拟 ； 三维有 限元 ； 极限荷载 【 中图分类号】 Ｔ ４６４ Ｕ７． 【 文献标识码 】 Ｂ 【 文章编 号】 １ １ ６６ （０ １ｏ — ００ ０ ０ — ８４ ２ｌ ）２ ０９ — ３ ０
预应力锚杆挡土墙三维有限元分析
预应力锚杆挡土墙三维有限元分析摘要：预应力锚杆挡土墙在土木工程领域应用已经很广，但理论研究还较滞后。
通过有限元数值模拟方法，建立预应力锚杆挡土墙加固边坡的三维有限元模型，对预应力锚杆挡土墙和普通锚杆挡土墙加固边坡的水平位移进行了比较分析，对锚杆轴力随开挖的变化进行了探讨，得出了预应力锚杆挡土墙的水平位移控制作用和锚杆轴力变化规律。
关键词：预应力锚杆挡土墙；三维有限元；位移；轴力1 引言预应力锚杆挡墙是用于基坑开挖和边坡稳定的一种新型的支护技术，是贾金青博士于20世纪90年代初提出并应用于实际的[1]，该方法由于其工程造价低，施工方便，变形小和施工安全等显著优点，在我国已得到广泛应用。
但到目前为止尚未有一个较为完善的计算模型能模拟其支护机理和力学性能，且其理论明显滞后后工程实践。
且目前对预应力锚杆挡墙的研究多集中在土体中[2,3]，基于此，本文采用数值计算方法对预应力锚杆挡墙在破碎岩体中的应用进行分析研究，以期能对理解预应力锚杆挡墙的工作机理有所裨益。
2 三维有限元模型的建立2.1 计算参数取值为了使分析具有一般意义，建立理想化模型。
锚杆挡土墙高9m，墙顶为一6m宽的道路，荷载为25kpa，竖直开挖，预应力锚杆孔径为130mm，锚杆钢筋采用φ36二级钢筋，预应力锚杆长9m，其中自由段5m，内锚固段4m，初始预应力值为100kn，预应力锚杆间距为2.5m×2.5m，倾角15°。
锚杆挡墙肋柱为300mm×400mm，挡土板厚度为200mm。
岩体、挡土板和肋柱均采用solid45单元,锚杆采用三维杆单元link8单元模拟。
岩体弹性模量e=300mpa，重度为22kn/m3,粘结力c=30kpa,内摩擦角为25°，泊松比为0.35。
锚杆弹性模量e=2e5mpa，重度为78kn/m3,泊松比为0.2，根据有关参数，计算锚杆极限承载力为216kn。
混凝土弹性模量e=28000mpa，重度为25kn/m3, 泊松比为0.25。
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低温建筑技术2010年第12期(总第150期)锚杆挡土墙结构的三维有限元分析应志民(丽水市人民防空办公室,浙江丽水323000)=摘要> 锚杆挡土墙在土木工程领域应用已经很广,但锚杆挡土墙的理论研究还较滞后。
通过有限元数值模拟方法,建立锚杆挡土墙结构的三维有限元模型,模拟了锚杆挡土墙的/逆作法0施工过程。
计算结果表明:¹开挖面最大水平位移在离坡脚1/3处;º锚杆轴力体现为两端小,中间大的/抛物线0状;»随着开挖的进行,边坡的潜在破裂面向里发展,潜在破裂范围增加。
=关键词> 锚杆挡土墙;数值模拟;三维有限元;位移;轴力=中图分类号> TU311141=文献标识码>B=文章编号> 1001-6864(2010)12-0066-03锚杆挡土墙具有结构轻、施工快捷、便于施工、占地小、节省材料和劳动力、造价低、安全系数高等优点,是一种新型支挡结构,适用于墙高较高,缺乏石料的地区或挖基困难的地段,也可用于具有锚固条件的路堑墙,对地基承载力要求不高,墙高高时,可分级建造。
锚杆技术应用于土木工程已有100多年的历史。
本文通过有限元数值模拟方法,建立锚杆挡土墙加固边坡的三维有限元模型,对锚杆挡土墙/逆作法0施工过程进行模拟,分析岩体变形,锚杆轴力分布等随着锚杆挡土墙施工过程的变化规律,并与不进行锚杆挡土墙支护的情况进行比较分析。
1三维有限元模型的建立1.1计算参数取值为了使分析具有一般意义,建立理想化模型。
假设锚杆挡土墙高9m,为一路肩墙,墙顶为一6m宽的道路,竖直开挖,锚杆孔径为130mm,锚杆钢筋采用536HRB335钢筋,间距为215m@215m,锚杆倾角15b,锚杆挡墙肋柱为300mm@400mm,挡土板厚度为200mm。
岩体、挡土板和肋柱均采用SOL I D45单元,锚杆采用三维杆单元L I NK8单元模拟。
参考文献报道,岩土体采用D r ucker-Prager模型,其弹性模量E= 300M Pa,重度为22k N/m3,粘结力c=30kPa,内摩擦角为25b,泊松比为0135。
锚杆弹性模量E=2e6M Pa,重度为78kN/m3,泊松比为012。
混凝土弹性模量E= 28000M Pa,重度为25kN/m3,泊松比为0125。
1.2计算范围、边界条件的确定计算范围对计算结果的影响是比较明显的,参考以往计算经验和文献报道[3、4],取计算范围为:坡脚到左端边界的距离为开挖深度的115倍,坡脚到右边边界的距离为4开挖深度的415倍,上下边界总高为2倍开挖深度。
边界条件为:底面边界加Y方向的约束;两个侧面采用滚动支座,竖直方向没有约束,可自由滑动,产生竖向位移;前后土体不能相互挤压,模型的前后边界加Z方向的约束。
1.3三维有限元模型的建立以往对锚杆挡土墙的有限元分析多采用平面应变模型[5、6],为了使分析更符合实际条件,本文建立了三维有限元模型。
但是,如果既考虑锚杆挡墙的整体三维作用,又考虑锚杆的局部三维作用,计算量非常大,计算时间长,存在一定的困难,为简化计算,本文取一列锚杆的作用范围作为分析对象,建立的三维有限元模型主要考虑具有有限尺寸的一列锚杆对半无限薄层岩体的整体三维作用,锚杆采用杆单元进行模拟。
根据上述参数及边界条件,然后进行网格划分,建立有限元模型,模型的单元划分基本上都用了手动控制,选取六面体八节点等参单元进行划分,从而使单元形状比较规则,尽量避免相邻网格大小发生突变。
模型共采用了单元16008个,节点18792个。
1.4锚杆挡土墙/逆作法0施工过程的模拟锚杆挡土墙的施工是一个边开挖边支护的过程,在有限元计算中,对锚杆挡墙边开挖边支护的施工过程进行了模拟。
其具体步骤如下:第一步:杀死LI NK8单元,即锚杆不起作用,计算自重应力场。
第二步:开挖至-210m,杀死相应的土体单元。
第三步:开挖至-415m,同时施作挡墙至-210m,激活第一排锚杆。
第四步:开挖至-710m,同时施作挡墙至-415m,激活第二排锚杆。
第五步:开挖至-910m,同时施作挡墙至-710m,激活第三排锚杆。
第六步:施作挡墙至-910m。
第七步:加坡顶道路荷载25kN/m2。
2计算结果分析2.1加锚杆挡土墙前后开挖面水平位移的比较加锚杆挡墙前后开挖面水平位移比较见图1。
由图1可以看出,只开挖不支护时,开挖面的最大水平位移出现在离坡脚约1/3高的地方,即一般所说66应志民:锚杆挡土墙结构的三维有限元分析的/鼓肚子0现象,在这个地方岩石比较容易崩落这和文献[5]的结论是一致的。
加锚杆挡墙支护后,边坡中下部岩体的位移调整较大,开挖面的水平位移有所减少,其减小的幅度不大,最大位移比只开挖不支护的情况减小约412%,说明全长粘结式锚杆对限制破碎岩质边坡的最大水平位移效果并不明显,这主要是因为此时边坡只存在坡脚的应力集中,整体稳定性较好,而且锚杆轴力并不大,并没有很好地发挥锚杆被动加载的作用,但是加了锚杆挡墙后,可以较好地防止坡脚塑性区的岩体崩落。
2.2 加锚杆挡土墙前后开挖面岩体水平应力的比较加锚杆挡土墙前后岩体水平应力的比较如图2所示。
图中拉应力为正,压应力为负。
我们可以看出,加锚杆挡墙支护后,在开挖面附近同一点处,其水平拉应力值有所降低,压应力值有所增加,说明由于锚杆和挡墙的共同支撑作用,使边坡岩体的受力状态得到改善。
2.3 开挖面水平位移随施工过程的变化规律加锚杆挡土墙支护后,开挖面各点位移随施工过程的变化如图3所示。
第六荷载步只进行挡墙面板和肋柱的施工,按照弹塑性理论,岩体已经变形完成,该步位移和第五荷载步基本一样,因此图中没列出。
从图中可以看出,随着开挖的进行,边坡开挖面的水平位移呈逐渐增大的趋势。
第二荷载步时,由于只开挖了2m 的岩体,开挖面的水平位移较小,最大只有0124mm;第三荷载步最大水平位移为1111mm;第四荷载步最大水平位移达到2141mm;第五荷载步时,开挖已经完成,岩体的最大水平位移达到4100mm;第七荷载步,由于加了车辆荷载,水平位移进一步增大,达到4112mm 。
而且,每个荷载步,边坡开挖面水平位移的最大点基本在离开挖地面1/3高的地方,也就是呈/鼓肚子0现象。
2.4 锚杆轴力随施工过程的变化规律在锚杆挡墙施工中,如果岩体开挖后在进行锚杆挡墙施工,由于岩体变形已基本完成,后期变形较小,因此导致锚杆承受的力较小,不能很好地发挥锚杆的被动加载作用。
从理论上讲,为了更好地发挥锚杆的作用,应边开挖边支护,即采用/逆作法0施工。
本文所研究的边坡是采用全长粘结型锚杆进行支护的,全67低温建筑技术2010年第12期(总第150期)长粘结型锚杆和岩体协调变形,锚杆轴力随着施工的进行,肯定要不断的重分布。
下面列出锚杆的轴力随施工过程的变化,如图4所示,以寻求其变化的规律。
从图4可以看出,第三排锚杆的轴力最大,第一排锚杆的轴力最小,而且,随着开挖和加载的进行,每排锚杆的轴力都在增大,轴力沿锚杆全长分布不均匀,表现为两端小,中间大的/抛物线0分布,但锚杆前部的轴力一般小于尾部的轴力。
锚杆轴力最大点的位置也就是锚体剪力的中性点,通过锚杆最大轴力点作一曲线,就能得到边坡可能的滑裂面,锚杆最大轴力的位置随开挖的进行,有向远离开挖面的趋势,表明边坡潜在破裂面在向里发展,这和实际结果是符合的。
3结语(1)不管只开挖不支护边坡还是锚杆挡土墙支护边坡,开挖面水平位移都体现为/鼓肚子0现象,最大水平位移约在离坡脚1/3的地方。
(2)加锚杆挡墙支护后,改善了边坡岩体的受力状态,能减小边坡的水平位移,但并不明显,主要是此时边坡受力不大的原因。
(3)锚杆轴力随着开挖的进行,逐渐增大;锚杆轴力沿全长分布不均匀,体现为两端小,中间大的/抛物线0状。
随着开挖的进行,边坡的潜在破裂面向里发展,潜在破裂范围增加。
参考文献[1]葛立东,朱鸿冰.锚杆式挡土墙的应用[J].北京水利,1999,(1):20-22.[2]崔国庆.板肋式锚杆挡土墙在高切坡工程中的应用[J].焦作大学学报,2004,(3):111-112.[3]张鲁渝,郑颖人,赵尚毅.用有限元强度折减法进行边坡稳定分析[J].中国科学工程,2002,4(10):57-61,78.[4]宋二祥,邱跀.基坑复合土钉的有限元分析[J].岩土力学,2001,22(3):241-244.[5]刘文平,赵燕明,郑颖人.岩质边坡开挖应力与变形的有限元模拟[J].后勤工程学院学报,2004,(2):45-48.[6]王铁龙,方玉树.全长粘结型锚杆加固岩石边坡应力与变形特性数值分析[J].地下空间,2003,23(2):162-165,172.[收稿日期]2010-08-30[作者简介]应志民(1982-),男,浙江丽水人,硕士,工程师,从事地下和人防工程专业。
消能减震结构的抗震性能分析杨贺(中铁十八局集团有限公司,天津300222)=摘要> 通过对粘弹性阻尼器以及消能支撑计算模型的分析,采用AN S Y S软件建立了纯钢框架、以及分贝设置中心支撑和消能支撑的钢框架模型,使用瞬态分析方法分别对它们进行了自振特性分析以及罕遇地震下的时程分析。
计算结果表明:和纯框架相比,中心支撑框架可以有效地降低结构的顶层位移,却增加了结构的整体刚度,导致加速度的大幅度增加;而消能支撑则是通过增加结构的阻尼比来有效地控制结构的地震反应,其顶层位移以及加速度都有不同程度的减小。
=关键词> 钢框架;消能支撑;时程分析=中图分类号> TU352111=文献标识码>B=文章编号> 1001-6864(2010)12-0068-030引言消能减震是工程减震控制技术中的一种被动控制技术,它已成为一种崭新的结构体系[1]。
消能支撑框架结构就是通过对框架结构作特殊构造或附设控制装置,借助这些装置在结构振动中的变形或运动,耗散地震输入结构的大部分能量,确保主体结构在大震中不受破坏,试验分析表明它具有较好的抗震效果[2]。
1粘弹性阻尼器的性能分析粘弹性阻尼器是由粘弹性材料与约束钢板组成。
其性能通常用储能刚度k cd、损耗因子G和每一滞回圈的耗能能力Ed来表示[3]。
本文使用K el v i n模型来模拟粘弹性阻尼器,它是由弹性元件和粘壶元件相互并联而成,如图1所示,其本构关系为:Fd=cdX#+kdX(1)其中,Fd为阻尼器提供的阻尼力;cd和kd分别为阻尼器的阻尼系数和刚度;X#和X分别为阻尼器的相对速度和相对位移。
2消能支撑的计算模型68。