加筋土擋土墻地震動(dòng)力特性研究_程火焰

1、Vol .21No .9公路交通科技2004年9月JOURNAL OF HIGHWAY AND TRANSPORTATION RESE ARCH AND DE VELOPMENT文章編號:1002-0268(200409-0016-05收稿日期:2003-07-21基金項(xiàng)目:云南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2001E0022M 作者簡介:程火焰(1969-,男,江西波陽人,道路與鐵道工程碩士,講師,主要從事土木工程教學(xué)與研究工作.加筋土擋土墻地震動(dòng)力特性研究程火焰1,周亦唐2,鐘國強(qiáng)2(1.湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南湘潭411201;2.昆明理工大學(xué)建工學(xué)院,云南昆明650051摘要:研究加筋

2、土擋土墻抗震動(dòng)力特性,通過非線性有限元法與試驗(yàn)方法分析,結(jié)果表明:兩者分析結(jié)論較為接近,地震動(dòng)力對加筋材料與土體間的動(dòng)似摩擦系數(shù)的影響,隨加速度增大而明顯減弱。關(guān)鍵詞:加筋土擋土墻;動(dòng)力特性;動(dòng)似摩擦系數(shù)中圖分類號:U416.1+2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AStudy on Seismic D ynamic Properties of the R etainin g Wall Reinforced SoilCHENG H uo -yan 1,ZH O U Yi -tang 2,ZH ONG G uo -q iang 2(1.Sohool of Civil Engineerin g ,Hunan Unive

3、rsity of Science and Technology ,Hunan Xiangtan 411201,China ;2.Faculty of Architectural Engineering ,Kunming University of Science and Technology ,Yunnan Kunming 650051,China Abstract :This paper studies the anti -seismic dynamic properties of the retainn g wall reinforced soil .The analysis result

4、s by non -linear finite element is close to the experi ment the results ;with the influence effect of earthquake dynamic action on dynamic coefficient of fric -tion between reinforced material and soil more conspicuous with the increase of the acceleration .Key words :Retaining wall of reinforcement

5、 soil ;Dynamic properties ;Dynamic coefficient of friction我國是一個(gè)多地震的國家,而且地震區(qū)域分布廣泛,地震頻繁而強(qiáng)烈。在加筋土技術(shù)不斷發(fā)展與成熟的同時(shí),加筋土擋土墻的修建高度也在不斷增加,高大加筋土擋土墻(高度超過20m 在工程實(shí)踐中的應(yīng)用也逐漸增多,而地震中高大擋土墻所產(chǎn)生的震害則可能更加嚴(yán)重。而且,目前國內(nèi)外抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中,擋土墻抗震強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算均是采用靜力法來計(jì)算地震荷載作用。因此,對土工織物加筋土擋土墻地震動(dòng)力特性研究十分必要。本文采用室內(nèi)試驗(yàn)與有限元理論分析方法,對擋土墻抗震動(dòng)力性能分析進(jìn)行了初步研究與探索,為加筋土擋土

6、墻理論進(jìn)一步發(fā)展與完善而積累資料,對加筋土擋土墻的規(guī)范化有一定意義。1加筋土擋墻抗震理論分析依據(jù)公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范,在驗(yàn)算擋土墻的抗震強(qiáng)度和穩(wěn)定性時(shí),只考慮垂直路線走向的水平地震荷載,地震荷載應(yīng)與結(jié)構(gòu)重力、土的重力與水的浮力相組合,其它荷載均不考慮,并且地震荷載采用靜力方法計(jì)算。在對加筋土擋墻的地震荷載效應(yīng)分析中,水平地震荷載作用于加筋擋土墻體的土壓力計(jì)算方法,可采用庫倫理論近似計(jì)算。對加筋土結(jié)構(gòu),如采用高模量(如金屬拉筋材料多應(yīng)用摩擦加筋理論與原理進(jìn)行分析1;對其它如采用土工織物等加筋材料,可應(yīng)用準(zhǔn)粘聚力理論分析。2加筋體與土體間摩擦阻力的重要性無論是摩擦加筋原理,還是準(zhǔn)粘聚力原理,加筋體

7、之所以能共同作用,關(guān)鍵取決于筋體與土體界面間的相互作用。在筋材抗拉強(qiáng)度足夠時(shí),則這種相互作用力的大小會(huì)直接關(guān)系到加筋體擋土墻的強(qiáng)度與穩(wěn)定性能。在進(jìn)行抗震分析時(shí),這種界面的相互作用則顯得至關(guān)重要,因?yàn)樵谡饎?dòng)荷載作用下,按一般推理,筋土界面作用會(huì)明顯減弱。所以,對這種減弱程度的研究則十分必要,而目前在國內(nèi)這種研究也較少。本文結(jié)合該背景,采用理論分析與試驗(yàn)觀測相結(jié)合,研究加筋土擋土墻在地震荷載作用下,筋材與土體之間的界面相互作用的影響程度,并對有限元分析方法與地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,以驗(yàn)證理論推導(dǎo)的可靠度。為考慮最不利條件,采用相對為低模量、大延伸率的土工格柵材料,所得結(jié)論對其它高模量(如金

8、屬筋材有足夠安全度與可靠度。3加筋土擋墻動(dòng)力非線性有限元分析3.1有限元分析基本原理與方法有限單元法主要是采用離散化結(jié)構(gòu),分片插值位移試函數(shù),通過單元?jiǎng)哦染仃?、?yīng)力矩陣,最終分析總結(jié)出結(jié)構(gòu)的受力與變形情況。3.2分析特點(diǎn)有限元法的突出優(yōu)點(diǎn)是適于處理非線性、非均質(zhì)和復(fù)雜邊界等問題,而土體應(yīng)力變形分析恰好就存在這些困難問題,因此很適宜用有限元法。本文對塑料土工格柵加筋土動(dòng)力有限元分析將采用土體單元、筋材單元,以及土與筋材之間界面接觸單元,共三種單元的分離式有限元模式。利用工程數(shù)值模擬軟件AN-SYS進(jìn)行有限元模擬分析。3.3土體本構(gòu)模型考慮土介質(zhì)的實(shí)際性質(zhì)狀況的復(fù)雜性,如要使分析結(jié)論更具有真實(shí)性,

9、必須采用更為合理的應(yīng)力-應(yīng)變非線性關(guān)系的本構(gòu)定律。本文結(jié)合各類土本構(gòu)模型特性與實(shí)際試驗(yàn)土樣的力學(xué)性質(zhì)及受荷工況,采用Drucker-Prager模型。相比而言,Duncan-hang雙曲線性模型,雖反映了非線性及應(yīng)力路徑對變形的影響,但它沒有反映固結(jié)壓力增加與降低的差別,也沒反映剪脹性;而Coulomb模型也因具有棱角奇異性,則應(yīng)用于數(shù)值計(jì)算比較困難。采用Drucker-Prager模型能克服前兩者模型的缺點(diǎn)而在土力學(xué)中得到廣泛應(yīng)用。3.4屈服準(zhǔn)則理想彈塑性材料在未屈服時(shí),只有彈性變形;一旦屈服,就產(chǎn)生塑性變形,塑性變形不斷發(fā)展直至破壞,則破壞準(zhǔn)則也就是屈服準(zhǔn)則。Drucker-Prager提

10、出的屈服準(zhǔn)則,是廣義Mises準(zhǔn)則的一種形式,它雖沒有強(qiáng)化準(zhǔn)則,但是它的屈服面可隨著靜水壓力增加而相應(yīng)增加,并還可考慮由于屈服而引起的體積膨脹。這類屈服面的模型為“帽子”型,它能較好地反映土的體積變形特征。Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則表達(dá)式如下F=K f+·I1-J2=0(1式中,K f和是試驗(yàn)常數(shù),其中K f=3·C p·cos(3+sin2(2=sin3(3+sin2(3式中,1為第一應(yīng)力不變量,等于3個(gè)主應(yīng)力之和,1=1+2+3;J2為第二偏應(yīng)力不變量,J2=(1 -22+(2-32+(3-126;C p為土的粘聚力,kPa;為土的摩擦角,(

11、6;。因?yàn)榭紤]體積應(yīng)力的影響,也可將K f用I1的函數(shù)代替,這反映了體積力對強(qiáng)度的影響,也同樣成為廣義米塞斯(Mises,則在主應(yīng)力空間由原來的圓柱面轉(zhuǎn)成為圓錐面。3.5流動(dòng)規(guī)則屈服函數(shù)給出了屈服的標(biāo)準(zhǔn),但沒有給出達(dá)到屈服后應(yīng)變增量各分量之間按什么比例變化,即為何種流動(dòng)規(guī)則。它是確定塑性應(yīng)變增量各分量間的相互關(guān)系,也即是塑性應(yīng)變增量方向的一條規(guī)定。流動(dòng)規(guī)則假定經(jīng)過應(yīng)力空間任何一點(diǎn),必存在一個(gè)塑性勢面Q(,H=0;這個(gè)面在p-q平面內(nèi)將形成為一根塑性勢線即Q(p,q,H=0。流動(dòng)規(guī)則規(guī)定,上述各點(diǎn)塑性應(yīng)變增量與該點(diǎn)處應(yīng)力存在如下正交關(guān)系(矩陣形式。dp=dQ(4式中,d為待定非負(fù)比例常數(shù)。此外,

12、流動(dòng)規(guī)則有兩種假定。一種為如果塑性勢函數(shù)與屈服函數(shù)一致即塑性勢線與屈服軌跡相重合Q=F,則稱為相關(guān)聯(lián)(或相適合的流動(dòng)規(guī)則;反之,如果QF,則為不相關(guān)聯(lián)(或不相適合的流動(dòng)規(guī)則。從本質(zhì)上講,對巖土材料采用非關(guān)聯(lián)的流動(dòng)規(guī)則更為適合。但由于會(huì)增加計(jì)算工作量,本文仍采用相關(guān)聯(lián)流動(dòng)規(guī)則的假定。3.6彈塑性剛度矩陣Dep由彈塑性應(yīng)力-應(yīng)變增量關(guān)系為d=Dep d ,由此可推導(dǎo)出Dep=De-De·Q·FT·DeA+FT·De·Q(5式中,De為彈性剛度矩陣;A為反映硬化特性的一個(gè)變量,與硬化參數(shù)H的選擇有關(guān)。17加筋土擋土墻地震動(dòng)力特性研究程火焰等A=-FH

13、·d H·1d(63.7單元類型(1對土體單元因?yàn)閾跬翂σ话汩L度比寬度大得多,且在長度方向內(nèi)外因素變化不大,因此可將整個(gè)結(jié)構(gòu)作為平面應(yīng)變問題處理。本文采用4節(jié)點(diǎn)矩形單元,因此建模方便,計(jì)算簡便,且計(jì)算精度也有保證。(2對土工格柵織物單元因織物材料只有抗拉性能,不具有抗壓和抗彎特性,因此加筋材料可采用一維桿單元來模擬。(3筋土接觸單元因筋土2種材料的材性差別較大,因此有必要在筋土之間設(shè)置接觸面單元。針對古德曼單元(Good-man、兩結(jié)點(diǎn)單元、薄單元等幾種接觸面單元的特點(diǎn),本文采用兩結(jié)點(diǎn)接觸單元,即為無厚度的4節(jié)點(diǎn)單元的簡化單元形式,該單元只有長度,而厚度為零,方便計(jì)算。4其

14、它分析內(nèi)容(1有限元分析模型的建立以及各種邊界條件的處理。(2動(dòng)力有限元分析參數(shù)的確定。本文結(jié)合該課題前期所完成的土工格柵拉拔特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)與所采用土樣的土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)來確定:土體的容重(r、彈性模量(E、內(nèi)摩擦角(、粘聚力參數(shù)(C等,以及格柵筋材的彈性模量(E、單位寬度橫截面積(A、極限抗拉強(qiáng)度等等,并推導(dǎo)出接觸單元橫向剛度與豎向剛度等參數(shù)。(3地震動(dòng)力分析計(jì)算參數(shù),本文試驗(yàn)是輸入El-centro地震波,并采用有效應(yīng)力分析法,確定質(zhì)量及剛度阻尼系數(shù)。5土筋間動(dòng)似摩擦系數(shù)有限元計(jì)算結(jié)果首先確定筋材的最大靜拉拔力,然后在施加0.1、0.2、0.3、0.4g水平加速度的同時(shí),從小到大調(diào)整筋材的預(yù)拉拔

15、力直到有限元程序不收斂,此時(shí)的拉拔力為最大動(dòng)拉拔力。根據(jù)這兩個(gè)拉拔力可算出土筋間的動(dòng)似摩擦系數(shù),用于進(jìn)行分析地震作用對擋土墻強(qiáng)度與穩(wěn)定的影響。其結(jié)果見表1、表2;對土筋間的動(dòng)似摩擦系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表3、圖1。從上述圖表中數(shù)據(jù)與圖形可發(fā)現(xiàn):在靜力階段與地震加速度較小階段(0.10.2g,加筋材料與土體間的動(dòng)似摩擦系數(shù)減小程度為19%24%;而在地震加速度較大階段,其減小程度為48%74%。因此,加筋土擋土墻對震級較強(qiáng)的地震是不利的。將上述表格中數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,結(jié)果見圖2。表1塑料土工格柵加筋土擋墻有限元計(jì)算參數(shù)表土體單元計(jì)算參數(shù)容重kN·m-3彈性模量E Pa內(nèi)摩擦角 (°粘聚力

16、kPa 163.5×1073015塑料土工格柵加筋材單元計(jì)算參數(shù)彈性模量E Pa單位寬度橫截面積m2極限拉力kN·m-21.74×1080.00242.8接觸單元計(jì)算參數(shù)橫向剛度kN·m-1豎向剛度kN·m-11×1071×108動(dòng)力分析計(jì)算參數(shù)輸入地震波質(zhì)量阻尼系數(shù)剛度阻尼系數(shù)彈性模量是由無約束條件下5%應(yīng)變時(shí)的數(shù)據(jù)求得。表2筋材單元應(yīng)變值有限元計(jì)算結(jié)果(×10-6編號模擬擋墻應(yīng)變值施加300N靜應(yīng)變值水平加速度g表3動(dòng)似摩擦系數(shù)有限元計(jì)算結(jié)果加筋材的工況靜拉拔力水平加速度g6加筋土擋土墻抗震試驗(yàn)分析6.1試驗(yàn)概

17、況模型設(shè)計(jì)因受振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面尺寸和激振力大小等限制,模型容積為850mm×850mm×850mm木鋼制作,試驗(yàn)前對筋材預(yù)施一定的拉拔力,圍壓用堆積重物實(shí)現(xiàn)。在進(jìn)行地震動(dòng)力特性分析時(shí),分別對模型施加18公路交通科技2004年第9期 圖1 地震作用對筋土間似摩擦系數(shù)的影響圖2加筋材料單元靜動(dòng)應(yīng)變值0.1g (相當(dāng)于6度、0.2g (7度、0.3g (8度、0.4g (9度水平地震加速度以及相應(yīng)的水平激振力1.5、3、4.5、6kN ,由低到高順序進(jìn)行。并由加筋體內(nèi)加速度傳感器,測出并分析加筋體沿墻高的加速度放大系數(shù)。6.2試驗(yàn)?zāi)康脑囼?yàn)的主要目的是測定地震作用下格柵筋材的最大動(dòng)應(yīng)力,

18、以及地震荷載對筋土間動(dòng)似摩擦系數(shù)的影響,利用在筋材上布置電阻應(yīng)變片來測量筋材的動(dòng)應(yīng)變。6.3試驗(yàn)結(jié)果分析在測定土筋間動(dòng)似摩擦系數(shù)試驗(yàn)過程中,采用目測加筋材是否拔出和記錄儀記錄的加筋材動(dòng)應(yīng)變是否有突變這兩者相結(jié)合來判斷加筋材拔出破壞。6.4塑料土工格柵加筋材的動(dòng)態(tài)應(yīng)變值與動(dòng)似摩擦系數(shù)在進(jìn)行動(dòng)力試驗(yàn)前,只施加圍壓N =5kN 和預(yù)拉拔力T =300N 時(shí),測讀并記錄模型中筋材各點(diǎn)的靜應(yīng)變。在用小振幅正弦波(0.05g 對模型進(jìn)行連續(xù)掃頻,尋找模型的自振頻率時(shí),得出模型的第一階頻率為7.1Hz 、第二階頻率為14.4Hz ,所以輸入的El -cen -tro 地震波的壓縮系數(shù)K =3.33。結(jié)果見表

19、4、圖3。其中,筋材的靜動(dòng)應(yīng)力值=E ×,E 為土工格柵筋材的彈性模量如表1。表4筋材靜動(dòng)態(tài)應(yīng)變值(×10-61809131.1380.5985.31502. 5圖3加筋材料靜動(dòng)應(yīng)變比值從上述試驗(yàn)所得圖表數(shù)據(jù)與圖形可發(fā)現(xiàn):在靜力階段與地震加速度較小階段(0.10.2g ,加筋材料與土體間的動(dòng)似摩擦系數(shù)減小程度為14%26%;而在地震加速度較大階段,其減小程度為43%。與有限元分析結(jié)果比較,試驗(yàn)所得實(shí)際減弱程度要偏小,特別是在地震加速度較大階段更為明顯。分析其原因,可能在于筋材與土體間的相互作用不僅在于交界面的摩擦作用,而是更多地表現(xiàn)在土體對筋材橫肋的阻力作用;當(dāng)震動(dòng)強(qiáng)度較大

20、時(shí),筋材橫肋的阻力作用對摩擦系數(shù)影響較大,而有限元分析對橫肋阻力因素考慮不足。7結(jié)論(1在施加不同的水平加速度條件下,有限元計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)較為接近,采用瞬態(tài)動(dòng)力有限元分析方法可以較好地模擬分析加筋土結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的動(dòng)應(yīng)力應(yīng)變特性。(2一般情況下,加筋土結(jié)構(gòu)在受地震荷載作用的整個(gè)變形破壞過程中,筋材所受應(yīng)力應(yīng)該包括靜載應(yīng)力與地震動(dòng)載應(yīng)力,當(dāng)?shù)卣鸺铀俣容^小且持時(shí)較短時(shí),加筋土結(jié)構(gòu)可通過內(nèi)部應(yīng)力調(diào)整而保持穩(wěn)定;當(dāng)19加筋土擋土墻地震動(dòng)力特性研究程火焰等加速度較大且持時(shí)較長時(shí),回填土的變形會(huì)迅速增大,其本身的強(qiáng)度突然減小,同時(shí)由于出現(xiàn)填土與筋材間的摩擦阻力不足或加筋材的強(qiáng)度不夠,發(fā)生

21、筋材拉出或筋材拉斷。(3在加筋土擋土墻的抗震動(dòng)力特性分析中,無論是采用摩擦加筋理論還是準(zhǔn)粘聚力理論,都必須充分考慮到加筋體與土體間的摩擦阻力的重要性,尤其對動(dòng)似摩擦系數(shù)的研究十分必要。但是,采用有限元法與試驗(yàn)法分析比較發(fā)現(xiàn):地震動(dòng)力對動(dòng)似摩擦系數(shù)減弱的影響,兩者的影響程度有一定的差異,有限元法分析結(jié)果比試驗(yàn)研究結(jié)果更為明顯。對其所產(chǎn)生的原因值得再進(jìn)一步分析與研究。(4本次試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的模型自振周期較短,試驗(yàn)輸入的地震波要經(jīng)過壓縮,所以地震波的高頻分量較大,且高頻分量在傳播過程中容易被衰減。則輸入以高頻分量為主的地震動(dòng),加速度不但不放大,反而減小。這是由于土體的性能復(fù)雜性隨應(yīng)變增加,彈性模量降低,

22、而阻尼比卻增大等所致。參考文獻(xiàn):1陳忠達(dá).公路擋土墻設(shè)計(jì)M.北京:人民交通出版社,1999.2鐘國強(qiáng).塑料土工格柵加筋土動(dòng)力特性的試驗(yàn)研究及其動(dòng)力有限元分析D.昆明理工大學(xué),2002.3張小江,等.纖維加筋土的動(dòng)力特性試驗(yàn)研究J.巖土工程學(xué)報(bào),1998,20(3:45-49.4徐少曼,洪昌華.土工織物加筋堤壩軟基的非線性分析J.巖土工程學(xué)報(bào),1999,21(4:438-443.5凌天清.公路高大加筋土擋墻設(shè)計(jì)方法的研究J.中國公路學(xué)報(bào),2000,13(2:13-19.6中華人民共和國交通部.公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范S.北京:人民交通出版社,1994.(上接第15頁由圖3可得,隨著GFRP材料單價(jià)的降低,價(jià)