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阅读 236 次 膨胀土高填方涵洞土压力研究

摘要:从某工程实践出发,在有限元数值模拟过程中利用温度应力场和湿度应力场的相似性,利用ANSYS软件的热分析功能分析膨胀土浸水膨胀的规律研究其变化规律;并根据高填方涵洞上方填土产生的“土拱”效应具有不稳定的特点,及涵洞土压力与各种影响因素之间的非线性变化趋势。...

 膨胀土高填方涵洞土压力研究

黄倩花 孙宁

陕西省渭南市高新区工程质量安全监督管理站

    引言

    基于我国目前山区高等级公路引起的高填方涵洞迅速增多的现象,而对于高填方涵洞,尤其是填土高度20m以上的高填方涵洞却无合理的土压力计算方法,从而在高填方涵洞在设计和施工中产生了各种问题,包括给工程造价较大和给涵洞结构带来安全隐患。当高填方填料为具有着特殊工程特性的膨胀土,对涵洞土压力又会有怎样的影响尚无较全面的研究分析,因此,深入研究膨胀土高填方分层填筑时涵洞拱顶竖向土压力,不仅丰富了涵洞理论方面的竖向土压力知识,在我们21 世纪的今天,还对高填方涵洞的工程建设产生十分重要的意义,具有极大的社会和经济价值和意义。

    本文拟通过数值模拟试验,分析膨胀土高填方涵洞土压力的变化规律,并提出相应的计算土压力的理论与方法,使能合理地利用高填方的拱效应,使土压力的设计值与实际受力相近相似,尽量避免对土压力的不精确预算,使涵洞结构更安全可靠,经济合理。

    一、典型压力容器有限元分析

1、膨胀土胀缩性的数值模拟理论

膨胀土在一定水源作用下,土体中各点的含水率随时间变化而改变,称为湿度场,而湿度应力场是指由湿度场引起的应力变化场。膨胀土失水会收缩开裂,吸水膨胀软化的性质,可以视为是在膨胀土体中由于湿度(即水分)变化而引起土体应力和位移变化,这与温度变化引起物体中应力及位移变化存在着一定的相似性,因此对于膨胀土湿度应力场的基本理论思想是:

   (1)膨胀土吸水会发生土体体积膨胀和物性软化的现象,与材料的温度效应,即大部分材料随温度升高会发生物体体积膨胀及物性软化的现象相类似;

   (2)膨胀土在一定的水源作用下,土体内水分会不断扩散,从而使得湿度在一定范围内发生变化,这和在热源作用下物体温度场变化的现象类似;

   (3)温度场变化会引起物体应力和应变场的变化,同样的湿度场的变化会也会导致土体结构内部应力应变场的变化。由此可以看出湿度应力场与温度应力场之间存在着某种可比性与相似性,所以可以尝试根据类似于温度应力场的理论来建立膨胀土体中湿度应力场的概念。

准确地说,土体的矿物成分、内部结构、应力场以及时间的变化都会在一定程度上影响土体湿度场的变化(即水分的变化),从某种层面上可以解释为是湿度场和应力场耦合的结果。因此可以根据温度应力场理论发展、建立一套较完善的基于数学、物理和力学基础的湿度应力场理论,以此来解决膨胀土的遇水作用问题。一般情况下膨胀土吸水后不仅体积膨胀,且土性也会改变:含水量增加时,土体强度会下降,弹性模量会降低,泊松比变大。湿度应力场理论有着高度非线性和高度耦合的控制微分方程,只能求得其数值解。为了简化膨胀土遇水问题的分析过程,可以认为:

   (1)在求解过程中可先求湿度场的变化,再求应力场的变化,即认为湿度场和应力场是准耦台的;

   (2)假定湿度应力场中的应力、应变关系可以用广义虎克定律来反映;

   (3)膨胀土的力学性质在一定含水量范围内是不变的,也就是认为弹性模量E和泊松比μ在这一含水量范围内保持不变,即为常量,湿度场中的应力应变关系近似成线性关系。

    在数值模拟实验中,为简化分析过程视有限元模型视为平面应变问题,根据数值模拟试验的结果,可以发现,随着温度的增加,各尺寸试样的膨胀率均随之变大;在同一温度荷载作用下,模拟试样的尺寸越大,其膨胀率越小;对于同一模拟试样,从试样底部向上其膨胀率逐渐变大,这样便通过温度荷载的变化反映了膨胀土的胀缩性。通过分析可以得到对于是1m*1m模拟试样而言,对其施加1.2º的温度荷载时其膨胀率为10.7%,才能达到某工程所处地界膨胀土的10.7%的膨胀率。

     2、膨胀土高填方涵洞土压力的数值分析

上面的数值试验中已经得到对于1m*1m的模拟试样,施加1.2º 的温度荷载时其膨胀率为10.7% ,因此可以运用微元体理论在有限元模型中将膨胀土填方部分剖分为1m*1m的网格单元,再按以下步骤模拟:

   (1)将热单元转换为相应的结构单元;

   (2)在材料特性中输入膨胀土的材料属性,再加入膨胀系数;

   (3)对填方单元施加1.2º的温度荷载,重力加速度及其他荷载;

   (4)施加边界约束条件;

   (5)求解,并进行后处理工作。

    所建立的有限元模型包含涵洞洞身及基础、填土、边坡和地基,将高填方涵洞作为平面应变问题处理,且地基、边坡及填土均采用理想弹塑性材料模拟,其模拟单元采用平面四节点的Plane42单元,每个单元由4 个节点组成,每节点都有X、Y两个方向的自由度。考虑填土与涵洞、地基及边坡沟槽间的磨擦作用,视涵洞和地基为刚性体,与填土接触的表面为柔性面,可作为目标面,用Targe169和Conta172来定义接触对,这样就在涵洞、地基和填土等不同材料的接触面上使用接触单元,使模拟更加真实合理。

    由于地基、边坡和填土均是散体材料,且用理想弹塑性材料模拟,而这类材料的抗压强度远大于其抗拉强度,故在本数值试验中采用Drucker-Prager 屈服准则来描述该类材料的强度变化。D-P 屈服准则在主应力空间表现为是圆锥面,其光滑的屈服面且没棱角,有利于确定塑性应变的增量方向,其材料只需内摩擦角j、粘聚力c和膨胀角fj等材料参数,且可以通过试验得到,方便进行数值计算,故D-P 屈服准适用于描述岩土类材料的本构。

    3 、结果分析

图2-1涵洞尺寸变化对涵顶上垂直土压力的影响

图2-2 填土高度对涵顶上垂直土压力的影响

2-3 地基刚度对涵顶上垂直土压力的影响

    通过以上数值模拟的结果可以分析出:

   (1)通过分析各种工况下的数值模拟试验的结果可以看出:由于涵洞与填土刚度的差异使得涵顶内土柱与两侧外土柱体产生不均匀沉降,并在涵顶出现垂直土压力集中的现象。

   (2)影响涵洞土压力的因素多种多样,但大多都是引起了涵顶内土柱与涵洞两侧外土柱产生了不均匀沉降差,其不均匀沉降差越大则涵顶垂直土压力越大,土压力集中系数亦越大。

   (3)影响涵顶垂直土压力的各因素分析结果:

    1)在相同填土高度条件下,涵洞胸腔内的土层随涵洞净高增加而加厚变密,涵顶内土柱与涵侧外土柱间的不均匀沉降差也随之增大,涵顶的垂直土压力亦随之变大;当涵洞宽度增加则涵洞的相对刚度变小,涵顶的垂直方向的位移变形却增大,使得涵顶内外土柱体之间的不均匀沉降差变小,即涵顶的垂直土压力随涵洞宽度的增加而减小。因此在涵洞设计时应考虑到涵洞高度与宽度对涵洞结构受力的影响,在满足涵洞使用功能的前提下,尽量减小涵高,使涵洞结构受力更为合理充分。

    2)涵顶的垂直土压力随着填土高度的增加而变大;当填土达到某一高度时,涵洞两侧“胸腔”内的填土逐渐被压实加密,使其与涵顶外土柱间的不均匀沉降差缓慢增加并最终趋于稳定,此时涵顶的垂直土压力变化不大,土压力集中系数的增加速率也减小。

    3)增加地基刚度会引起涵顶垂直土压力及土压力集中系数增大,最后趋于稳定。这主要是由于涵洞地基的不均匀沉降会随着地基刚度的增大而变小,使涵顶内外土柱体之间不均匀沉降差增大,但当涵洞地基刚度增加到一定程度后沉降差基本稳定,涵顶土压力集中系数也将变化不大。

    4)膨胀土遇水会发生一系列的物理化学变化,随着填土表层浸水高度的增加,涵顶的垂直土压力及土压力集中系数也随之增加,最终增加速率变缓而不变。因为膨胀土遇水,不仅会改变土体含水率增加导致土体体积膨胀,更会降低土体的粘聚力、内摩擦角和抗剪强度等性质,且膨胀浸水过程中会产生渗透力,从而使得涵顶上垂直土压力变大。

    二、小结

    膨胀土具有较强的胀缩性,超固结性和显著的裂隙性,另外膨胀土的强风化性及强度衰减性使膨胀土地区得工程常有“逢堑必滑,有堤必塌"之说,且膨胀土的这种破坏作用常具有多次反复性和长期潜在的危害性。本文针对膨胀土高填方涵洞的垂直土压力问题进行研究分析,主要从分析膨胀土的工程特性,在数值模拟试验中利用温度的热胀冷缩原理等效模拟膨胀土的遇水膨胀,通过ANSYS的热-应力耦合功能得到温度变化与膨胀土的膨胀量之间的关系,并运用微元体理论将相对应的温度荷载施加到高填方涵洞的模拟中。分析得出与高填方涵洞垂直土压力相关变化规律。

(本文来源:陕西省土木建筑学会   文径网络设计项目投资中心:刘红娟 尹维维 编辑  刘真 文径 审核)

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