土工格栅加固大坝及其加筋结构性能的有限元分析

更新日期:2018-04-27 16:33:41 星期五
摘要:

1 前言
    土工格栅 土体自身具有较低或者几乎没有抗拉强度, 通过在土体内铺设适当的加筋材料, 依靠筋- 土间摩擦和嵌锁咬合作用, 可以传递拉应力并分担土体应力, 增加土体的变形模量, 从而改善土体的强度和变形特性, 达到加固土体及其构筑物的目的。最初法国工程师Vidal 提出了“加筋土”概念, 初步分析并逐步完善加筋理论。随着新型加筋材料的不断涌现,土工合成材料开始在岩土加固工程中得到广泛应用。自上世纪70 年代中期我国对加筋土挡墙进行研究以来, 这种新型结构得以迅速发展, 现已日益广泛地用于城建、高速公路、铁路等工程。对于大量筑坝工程, 由于地质条件复杂, 基础处理难度大, 特别是存在现场适用筑坝的土石料短缺、土石料运距远且单价高, 临建工程量大等技术经济难题, 使得施工难度与成本增大。而加筋挡土墙通过墙面板拉筋及填土的协调作用, 发挥各种材料的优势, 改善了挡土结构的性能, 具有造价低施工简便、占地少、地基适应性强和外观造型美观等优点。本文土工格栅 结合某大坝加高工程实例, 通过在大坝加高工程中引入双面板格栅加筋挡土墙结构, 并对加筋挡土墙结构进行了有限元分析计算, 借助现场实测与有限元计算结果的对比分析, 研究双面板格栅加筋挡土墙的工作特性, 对推动土工合成材料在筑坝工程中的应用具有深远的影响。

2 工程实例介绍
  2.1  地理概况位于中国东北部的辽宁省境内的某水库枢纽一期工程由主坝、副坝、支流整治与改造和泄洪闸等组成, 该水库主要承担重要的防洪保安任务。考虑到大坝干流先期防洪标准偏低, 特别是水库右岸副坝尚难抵御更大洪水,因此亟待加高堤坝并以此提高防洪标准。
  2.2 坝基及加高要求选取右岸副坝某待加高段, 该段总长8942 m,原堤坝为粉质粘土, 顶部宽度为6 m, 顶部高程为51.44 m。经坝顶加高复核, 平均加高高度为1.5 m,设计要求加高后坝顶宽度仍为6 m, 故设计加高部分为垂直坡面, 设计断面为矩形。
  2.3 堤坝加高方案由于受现场土石料短缺、运距远、单价高和施工工作面狭窄等方面的影响, 传统的钢筋混凝土防浪墙和堤坝前加高培厚形成均质土坝的结构型式不易采用。最终设计从安全、经济、施工进度、避免干扰等综合因素考虑, 决定采用加筋挡墙加高坝体。加筋挡土墙通过墙面板拉筋及填土的协调作用, 充分发挥各种材料的优势, 有利于改善挡土结构的性能。
  2.4 加筋材料的选取作为土工合成材料的一种, 土工格栅依靠其特有的孔眼对土的镶嵌与咬合作用, 以其强度高、耐腐蚀、柔性大、能在工厂预制及运输方便等特点而广泛地被用于岩土加固工程中, 尤其在加筋挡土墙中的应用更具优势。因此在该土工布加筑大坝工程中, 加筋材料选定为高密度聚乙烯(HDPE)单向格栅。土工格栅的技术指标。
  2.5 挡土墙面板设计为了满足大坝加高后与原坝顶宽度保持一致的要求, 因而采用与格栅连接的两直立挡土墙面板, 双面挡墙面板间距为6 m。墙面板采用空心混凝土预制模块, 预制尺寸为60 cm×35 cm×30 cm, 底部有两根直径10 mm 插筋, 顶部设有插孔, 将土工格栅直接压在混凝土预制块下, 将插筋插入下层插孔内起连接作用。
3 土工格栅加高大坝的有限元分析法
    有限元数值计算的研究对象为右岸副坝某加高段, 该段总长8942 m, 原堤坝为粉质粘土, 原堤于1991 年竣工, 沉降已趋于稳定, 坝顶加高的加筋挡墙平均高度为1.5 m。回填土采用当地的粉细砂; 双面挡墙面板间距为6 m, 加筋采用3 层单向的高密度聚乙烯(HDPE)土工格栅, 格栅加筋层的垂直间距为0.6 m。由于格栅加筋挡墙的筋材在平整坝基后成片铺设, 其纵向尺寸远大于横向尺寸, 因而用平面应变问题的有限元分析处理是合适的。
  3.1 结构模型及参数特性在模拟回填土时, 非线性的Duncan- Chang 双曲线模型应用最广。由于该模型参数较少, 而且所需参数可以在常规试验下获得, 因此本文采用了非线性Duncan- Chang 双曲线模型来模拟回填土, 回填土单元采用四节点四边形等参单元。该模型采用切线弹模Et 表示土体受剪力和应力相关特性, 其表达式中各参数的物理意义为: c 为土的粘结力; Rt 为破坏比; Φ为土的内摩擦角; k,n 分别为初始模量系数与指数; kb 和m 分别为体积模量系数与指数;σ1 和σ3分别为大、小主应力。土工格栅是一种高强度、高模量的抗拉材料, 复合土工膜 在土体中成层平铺, 因此可以把土工格栅看成是只能受拉、不能受压且只能发生轴向应变的一维线性杆单元。因此格栅采用线弹性的本构关系。土工格栅加筋挡土墙结构墙面板为混凝土面板, 与以前的重力式挡墙相比, 厚度较薄, 主要起支护作用。面板可以采用传统的处理方式, 处理成弯曲梁单元。有限元分析时采用的是两节点梁单元, 本构关系为线弹性的。其单元矩阵的主要参数为梁单元材料的弹性模量Em、单位长度上截面的惯性矩I 及单元长度l。在分析回填土与格栅之间相互作用时, 采用无厚度的Goodman 接触单元来模拟, 筋土之间的应力传递取决于加筋- 土的界面强度。实验证明加筋- 土的界面剪应力和剪切位移呈非线性, 所以界面强度不是常数, 考虑界面单元主要重点是切向的刚度, 而正应力刚度是次要的。因此重点考虑筋材- 土切向的刚度系数。
  3.2 有限元网格划分及模型参数的选取数值分析采用的1.5 m 高的双面土工格栅加筋挡土墙有限元网格剖分及接触细节如图2 所示。加筋共有3 层单向HDPE 土工格栅, 格栅加筋层的垂直间距为0.6m。第一层格栅下面为地基土, 取0.6m厚的坝基土来分析, 考虑到原堤坝竣工后沉降已经趋于稳定, 可视为刚性基础, 格栅上面回填土为坝基现场的粉细砂填土, 其粉细砂的级配曲线如图3 所示, 不均匀系数为1.9。土工格栅的弹性模量为E=1500KN/m; 混凝土面板的弹性模量为Em=45MPa, 且单位长度上截面的面积与惯性矩分别为A=30cm2, I=80cm3。

4 计算结果与分析与路堤、机场跑道等填方工程一样, 大坝加高工程同属于填方工程, 为了模拟施工过程与荷载历史,采用非线性的增量法来模拟填方, 数值计算分3 步进行填筑大坝。为验证有限元分析结果, 通过埋设位移计和钢筋计来现场监测面板侧向位移及其格栅拉力变化.
  4.1 土工格栅加筋层拉力的分布以第一层土工格栅为例, 如图4 所示, 土工格栅的拉应力随着填筑高度的增加而相应增大, 且沿土工格栅全长的分布不均匀, 当填方结束后, 土工格栅最大拉力位置离面层大约为0.6 m 左右。又如图5所示, 不同深度位置上土工格栅受到的拉力有较大差别。其中第一层土工格栅受力最大, 第三层土工格栅受力最小, 各层土工格栅拉力最大值的位置基本位于离双面板大致0.6 m 的地方。另外, 通过对第二层格栅拉力的现场实测数据与有限元计算结果相比, 实测与计算结果比较吻合。
  4.2 墙面板侧向变形的计算与分析本文计算施工完成后挡土墙面板的侧向位移。土工格栅加固大坝及其加筋结构性能的有限元分析将有限元计算值与实测际观测得到的墙面板位移过程。计算结果表明, 两侧面板均发生向外侧的变形, 且墙面板由下往上位移先增大后减少, 面板呈现鼓肚变形。面板顶部位移比底部要大。有限元计算得到的A 侧面板顶部的位移为8.2 mm, B 侧面板顶部位移为7.8mm, 即顶部位移约为(H 为墙高)。由图可见, 施工完成后, 观测得到的面板顶部位移与数值计算所得到的结果基本吻合, 实测值略大于有限元计算值, 可能与施工扰动有关。   4.3 土工格栅加筋层的应变分布为了分析各层土工格栅在填筑完成后的应变分布, 将有限元计算应变结果绘于图7, 各层格栅应变沿全长有相同的变化趋势, 且应变分布沿全长的分布不均匀, 离面板近的地方应变较大, 越靠近中间部位, 应变越小。 格栅最大应变大约为2.5 %, 比工程要求的小于10 %的应变要小很多,因而, 双面板加筋挡土墙中单向土工格栅处于安全稳定的受力状态。

5 结论
    本文对双面板土工格栅加筋挡土墙在某大坝加高工程的应用进行了非线性有限元数值分析, 获得了不同填筑步下和填筑完成后格栅的拉力和应变沿全长的分布情况, 并对墙面板的侧向位移进行了预测分析, 而且计算结果与实测结果相当吻合。实测与有限元结果表明, 双面板加筋挡土墙结构效果良好,有效的解决了筑坝工程中因现场土石料短缺、土石料运距远、材料单价高和临建工程量大等技术经济的难题, 为推动土工合成材料在筑坝工程中的应用有着积极的参考价值和深远的影响。