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1、岩土工程界第11卷第9期边坡工程生态边坡的力学特性与数值模拟研究123杨令强孙春阳杨克坤(1.济南大学土建学院2.潍坊市华潍监理处3.山东省水利设计院)摘要通过文献检索和实地调查,得出常见草本植物根系的有效范围,通过土工试验得出含根土的物理力学指标和邓肯张模型参数,试验结果表明,E-B随着含根量的增加,土的粘聚力增大,摩擦角稍有变化,粘性土的摩擦角稍微变大,砂性土的摩擦角稍微变小。利用Duncan-Chang模型和增量法有限元程序计算了边坡的非线性应力-应变状态,利用广义应力状态下的Mohr-Coul
2、omb准则判断单元的拉伸和剪切破坏的安全系数,利用剪应变脊线判断滑裂面的位置,通过沿滑裂面对点安全系数进行线积分得出边坡的稳定安全系数,计算结果表明生态护坡对于边坡的应力应变状态的影响仅限于局部范围内,对于滑裂面的位置和边坡的稳定安全影响很小。关键词生态护坡滑裂面安全系数表1常见草种的根系直径及有效深度1生态边坡力学参数种类根系有效深度/cm1.1根系分布情况野牛草30通过文献检索和实地调查,常见草本植物根系紫羊茅40[1]羊茅40[2]的有效范围如表1所示。一般根系较集中地分布在草熟禾40[1]0~
3、30cm范围内,随土层深度的增加,根系密度迅速小糠草40减小,超过50cm的仅有少量的须根。根据根系的白三叶30狗牙根10[2]加固效果,确定其作用深度为40cm厚土层。黑麦草40[1]1.2加固后土体的抗剪切参数马尼拉30[3]假俭草30加固后土体的抗剪强度参数与有效根系的含量[4]香根草200有关,根据草熟禾、黑麦草、紫羊茅三种草种按1:1:结搂草301比例混合后播种,3个月后取样实验,得到粘性土[5]和沙性土物理力学指标表2、表3所示。表2含根土体物理力学参数表粘性土粘性土含根量/g#0.1m-
4、200.4321.3212.43200.51.2612.489粘聚力/kPa5454.85555.5667.59.411.2内摩擦角/b27272727.2424241.641.4表3含根土Duncan-Chang模型参数表2本构关系及增量法有限元算法的建立含根率CU/bKnRfKbm采用Duncan-Chang、E-B模型,该模型可以粘性土05427950.350.7886.70.452.43455.527.298.60.350.8288.00.41表达为:砂性土06.042.42150.920.6
5、11510.072.47811.241.22600.900.681430.111收稿日期22008-02-1661边坡工程GEOTECHNICALENGINEERINGWORLDVOL.11No.9n[8]R3的Mohr-Coulomb准则为:Et=K#Pa#P0a当H=0时(拉子午线)2(1-sinU)(R1-R3)6sinU6CcosU1-Rf#(1)q=3+sinUp+3+sinU(9)2ccosU+2R3sinU0m当H=60时(压子午线)R3Bt=Kb#Pa(2)P6sinU6CcosUaq
6、=p+(10)3-sinU3-sinU式中E、tBt分别为切线弹性模量和体积模量。c、U式中:分别为土体凝聚力和内摩擦角,R1和R3分别为大p=(R1+2R3)/3(11)主应力和小主应力;Pa大气压力,c、U为强度指标;q=(R1-R3)(12)Rf为破坏比;K为弹性模数;n为弹性模量指数;Kb对于无粘性土,C=0。为体积模量数;m为体积模量指数。拉伸剪切破坏的安全系数为:Duncan-ChangE-B模型能够反映土体变形6psinU的非线性特征以及应力历史对变形的影响。采用增K=(13)q(3+s
7、inU)量计算,能在一定程度上反映应力路径对变形的影剪切破坏的安全系数为:响,但基本不能反映剪胀性和体积应力引起的剪切6psinU[6]K=(14)变形。q(3-sinU)[7]平面应变问题的应力应变增量关系为当K>1表示该单元安全,K[1表示该单元将{$R}=[D]{$E}(3)发生拉伸或剪切破坏.其中:$Rx$Ex4生态边坡滑动面的确定及稳定系数的计{$R}=$Ry,{$E}=$Ey算$Sxy$Cxy边坡内有些点发生剪切破坏,不一定就形成滑(3B+Et)(3B-Et)0裂面,因为可能在应力重分布后
8、,边坡仍然是稳定3B[D]=(3B-Et)(3B+Et)0的。可先用非线性有限元法汁算出边坡内各点的应9B-Et力和应变;用式(13)、(14)算出各点抗剪切破坏的00Et安全系数,再根据各点的剪应变等值线的脊线求出对于计算的第一步:上式中的切线弹模Et用初滑裂面的位置,如图1中的虚线,然后按下式求出边始弹模Ei代替,上式中的B用式(2)代替,由于是[9]坡的稳定系数。计算的第一步,R3用第一级荷载。位移增量到应变增量的转换矩阵为b10b20b301[B
