公路挡墙建设工程中加筋挡墙有限元分析.pdf

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1、第3期(总第153期)2011年6月中围彳丛z朽CHINAMUNICIPALENGINEERINGNo．3(SerialNo．153)Jun．2011DOI：10．3∞9／j-i∞n．1004—4655．20”．03．029公路挡墙建设工程中加筋挡墙有限元分析沈明(上海市城市建设设计研究总院，上海200125)摘要：针对加筋挡墙筋材与挡墙及墙后填土的相互作用机理，采用有限元方法对加筋挡墙进行力学分析。介绍了不同介面间接触、单元网格划分及荷载设定等问题的解决方案。最后，通过实际算例得到墙后填土路堤中筋材的拉应力是沿筋带长度呈抛物线状分布，中间层位筋带的水平

2、位移值是顶端和底部层位筋带的2—5倍等受力特点。关键词：加筋挡墙：土工格栅；有限元法中图分类号：U417．11文献标识码：A文章编号：1004—4655(20”)03—0073—03目前公路挡墙建设工程中，只关注了挡墙本身的稳定及强度问题，而没有对筋材及墙后填料进行综合分析。据调查资料显示，大多数挡墙段满足稳定性强度要求，但墙后填料却经常发生开裂等问题。特别是对我国广泛采用的砂砾回填料的分析更不多见。数值模拟方法中，有限元方法的突出优点是适于处理非线性、非均质和复杂边界问题，而挡墙与填料之间的应力一应变分析恰好就存在这些问题，所以很适宜采用有限元方法。本

3、文介绍采用大型有限元软件ABAQus进行有限元计算的方法。1计算模型建立所建立的模型是关于挡墙及墙后填土横剖面的平面应变分析模型⋯。加筋挡墙回填设计的有限元几何模型如图l。拉筋上下表面与填料之间设置接触，填料与墙面板之间设置接触。界约束条件图1加筋挡墙有限元几何建模图2土的本构关系选取应力一应变关系也叫本构关系。在土体有限元收稿日期：2011一02—17计算中，由于本构关系的非线性及塑性的存在，导致有限元计算的复杂性。对于每一种特定的土体，本构关系是千差万别的。目前，没有一种普适的本构关系，所以在有限元计算时只能尽量选择与土体贴近的本构关系。考虑到挡墙后

4、填料大多为砂砾料，其应力一应变特点可使用Dmcke卜帆er本构关系旧1。3数值模拟过程中解决的几个问题3．1土与挡墙及土基间接触问题的模拟、接触问题指两种材料性质相差很远，在一定的受力条件下有可能在接触面上产生错动、滑移或开裂。在挡墙的计算中，存在几个典型的接触问题。包括：墙背与墙后填料之间的接触；挡墙基础与土基之间的接触；填料与土基之间的接触；特别是存在筋材与墙后填料之间的接触po。在ABAQUs中采用接触模式来模拟面面接触(见图2)，可以考虑面与面间作用时的挤压、剪切以及相应方向的位移情况，同时可模拟面与面间的脱开现象。、墙背与填>料接触一＼填料与土

5、基接触多——，^一一、。广。I．。l(I1图2接触模式示意圈为避免接触面间的过度接近和从属面上的节点73中国彳丛z舸沈明：公路挡墙建设工程中加筋挡墙有限元分析2011年第3期过度切入主面，ABAQUS设置了参数来调节过度切入(见图3)。图3调节接触表面的切入模式ABAQUS面面接触以库仑摩擦理论为基础，用摩擦因数肛来表示面间摩擦行为。当接触剪应力等于或大于极限摩擦力时，接触面间出现滑动。模拟理想的摩擦行为较为困难。ABAQUS采用“弹性滑动”的(罚函数)摩擦公式虚线来近似处理，ABAQuS自动选择“罚”刚度(虚线斜率)。关于ABAQus的接触算法是建立在

6、Ne卅on—R丑ph80n迭代技术上的。ABAQus在每个增量开始前检查所有接触对的状态，以判断从属节点(slavenode)是脱开(叩en)还是闭合(closed)，如节点关闭，则还需确定其为滑动(slipping)还是粘结(sticked)。ABAQuS对闭合节点施加约束，而对由闭合到脱开的节点接触约束；随后ABAQUS进行迭代并用计算修正来改变模型的构形，直至迭代结果满足收敛条件。因此，ABAQUS可以很好地模拟复杂接触问题。在处理计算模型图2中接触问题时，在上述4个接触面处设置4个接触，分别定义其摩擦特性及摩擦因数；同时，分别定义接触单元的积分函

7、数形式。其中，在设置墙体与土基、填料与土基之间的接触时，由于本次研究主要关心的是填料稳定性，所以在假定土基承载力满足要求的前提下，把土基设置成一模量达10峙N／m3数量级的弹性体，在其界面上设置摩擦。每个界面接触特性采用拉格朗日摩阻形式(蛔ge—multiplier衔ctionfo硼ulation)。3．2单元网格划分鉴于挡墙沿路堤方向为一典型平面应变问题，故在建模计算时采用平面应变模型[4]。由于回填土体不存在大的不均匀变形，所以土体单元网格划分不必考虑网格畸变的影响而采用高阶平面应变8结点剪缩积分单元cpe8r；因墙体和土基的压缩很小，墙体和土基单元

8、网格划分采用平面应变8结点剪缩积分杂交单元cpe8rh。3．3筋材的模拟加筋材料