高切坡挡墙整体稳定性和工作性能的数值分析_唐晓松.pdf

第 18 卷增刊 2地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol.182022 年 12 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringDec.2022高切坡挡墙整体稳定性和工作性能的数值分析唐晓松1,2,郑颖人3,陈佳4,董世勇4(1.重庆地质矿产研究院 重庆市地质灾害自动化监测工程技术研究中心,重庆 400042;2.重庆公共运输职业学院 铁道与建筑学院,重庆 402247;3.重庆市地质灾害防治工程研究中心,重庆 400041;4.重庆市三峡库区工作服务中心,重庆 401147)摘要:高切坡支挡工程的健康运营对三峡库区移民迁建区人民的安居乐业和社会的和谐稳定至关重要,目前关于服役期混凝土材料高切坡挡墙运营安全的分析缺少基于力学机制的定量分析方法,为此文章基于数值极限分析方法开展了服役期高切坡挡墙整体稳定性和工作性能的定量分析。首先,采用有限元强度折减法进行了混凝土材料强度衰减过程中高切坡挡墙工程整体稳定性的动态评价。然后,基于数值极限应变法建立的混凝土材料破坏标准,通过数值计算结果直观显示服役期内挡墙结构的易损关键部位和损伤特征。服役期高切坡挡墙整体稳定性和工作性能定量分析方法的提出,可以掌握安全管理的主动权,为其安全评价和监测预警,以及养护管理决策等提供了新思路和新方法。关键词:高切坡挡墙;服役期;整体稳定性;工作性能;数值分析中图分类号:TU432文献标识码:A文章编号:1673-0836(2022)增 2-0910-06Numerical Analysis on Overall Stability and Working Performance of High Cut Slope Retaining WallTang Xiaosong1,2,Zheng Yingren3,Chen Jia4,Dong Shiyong4(1.Chongqing Institute of Geology and Mineral Resources,Chongqing Engineering Research Center of Automatic Monitoring for Geological Hazards,Chongqing 400042,P.R.China;2.Chongqing Vocational College of Public Transportation,College of Railway and Architecture,Chongqing 402247,P.R.China;3.Engineering and Technology Research Center of Geological Hazard Prevention and Treatment,Chongqing 400041,P.R.China;4.Chongqing Water Resources Bureau,Chongqing Three Gorges Reservoir Area Work Service Center,Chongqing 401147,P.R.China)Abstract:The healthy operation of the high cut slope retaining project is crucial to the peoples living and working in the resettlement and construction area of the Three Gorges Reservoir area,as well as the harmony and stability of the society.At present,the analysis of the operation safety of the high cut slope retaining wall of concrete materials during service period lacks quantitative analysis method based on mechanical mechanism.Therefore,based on the numerical limit analysis method,quantitative analysis of overall stability and working performance of high cut slope retaining wall in service period is carried out in the paper.First,the finite element strength reduction method is used to dynamically evaluate the overall stability of high cut slope retaining wall in the process of concrete material strength attenuation.Then,the failure standard of concrete material is established based on the numerical limit strain method.The key vulnerable parts and damage characteristics of retaining wall structure in service period are displayed directly through the numerical calculation results.The quantitative analysis method of 收稿日期:2022-05-03(修改稿)作者简介:唐晓松(1979),男,江苏海门人,博士,正高级工程师,主要从事岩土工程稳定分析及其数值模拟方面的工作。E-mail:hnm97 基金项目:重 庆 市 教 委 科 学 技 术 研 究 项 目(KJZD-K201905801);重 庆 市 技 术 创 新 与 应 用 发 展 专 项 重 点 项 目(cstc2019jscx-tjsb0019)overall stability and working performance of high cut slope retaining wall in service period can master the initiative of safety management,and provide a new idea and method for safety evaluation,monitoring and early warning,and maintenance management decision.Keywords:high cut slope retaining wall;service period;overall stability;working performance;numerical analysis0引言重庆三峡库区高切坡是三峡库区移民迁建中形成的,广泛分布于三峡库区移民迁建城镇中,并大都紧邻企业、机关、学校、医院、住宅以及生命线工程等,高切坡支挡工程的健康运营对移民迁建区人民的安居乐业和社会的和谐稳定至关重要。在三峡重庆库区高切坡防护工程中,混凝土材料挡墙应用十分广泛,且结构形式多样,有重力式、悬臂式和衡重式等多种类型1-2。由于混凝土材料在荷载和环境等因素的共同作用下,其力学性能会随着服役年限的增长逐渐衰减3-5。尽管通过监测预警可以有效防范潜在的安全隐患6-7,但是仍亟需开展服役期高切坡挡墙整体稳定性分析方法的研究,掌握安全管理的主动权。目前,针对服役期高切坡挡墙整体稳定性的分析大都采用层次分析法、神经网络或模糊逻辑等定性或半定性的方法8-10,以建立结构安全等级评价指标体系和分级标准为主要目的,缺少基于力学机制的定量分析方法。为此,本文应用数值极限分析方法进行了服役期混凝土材料高切坡挡墙的整体稳定性和工作性能分析,其中整体稳定性分析采用有限元强度折减法,工作性能分析则是依据数值极限应变法得到的混凝土材料的破坏标准,这两种方法均属于数值极限分析方法。基于数值极限分析方法开展服役期高切坡挡墙的整体稳定性和工作性能的定量分析,为其安全评价和监测预警,以及养护管理决策等提供了新思路和新方法。1数值极限分析方法1.1有限元强度折减法有限元强度折减法在不断降低岩土类材料力学强度参数(黏聚力 c 和内摩擦角)的同时,进行弹塑性数值计算,根据数值计算收敛与否判断防护工程是否达到破坏状态。当数值计算不收敛时,最后一步计算收敛的荷载增量步所对应的强度折减系数,即为强度储备安全系数。同时,根据计算结果可自动生成破坏面。有限元强度折减法既具有数值方法适应性广的优点,又具有极限分析法贴近岩土工程设计且实用的优点,因此在边(滑)坡工程稳定性分析中被广泛应用11-14。1.2有限元极限应变法阿比尔的等15、李世贵等16提出弹塑性材料从弹性阶段进入屈服阶段,然后经过塑性发展至破坏状态,此时材料剪应变达到极限剪应变。通过单轴压缩试验的数值模拟,可以得到极限荷载下材料极限剪应变的数值解,并进行了室内试验验证。这种采用数值分析方法求解岩土类材料极限剪应变,并据此进行破坏状态判断的方法即为数值极限应变法。数值分析时不同有限元软件采用的剪应变假设各自不同,如 ANSYS 采用等效塑性应变,FLAC采用应变偏张量第二不变量,PLAXIS 则采用总偏应变,但这并不影响数值极限应变法的使用,因为在高切坡挡墙整体稳定性和工作性能分析时,某一类材料的极限应变是在同一力学参数条件下采用同一软件计算得到的。2计算参数的确定 2.1混凝土材料抗剪强度参数的确定根据混凝土轴心抗压强度 fc和轴心抗拉强度ft可以得到两个莫尔应力圆,对两个莫尔圆作公切线,基于莫尔 库仑强度理论可以得到混凝土材料抗剪强度参数黏聚力 c 和内摩擦角 为:c=fcft2(1)tan=fc-ft2fcft(2)采用直线代替混凝土材料实际的破坏包络线尽管存在一定误差17-18,但混凝土材料抗剪强度参数的确定不是本文的主要研究内容,实际工程中可通过小直径芯样的剪切试验等方法准确获取。1192022 年增刊 2唐晓松,等:高切坡挡墙整体稳定性和工作性能的数值分析文中数值分析时采用的不同强度等级混凝土材料的抗剪强度参数如表 1 所示。表 1不同强度等级混凝土材料抗剪强度参数Table 1Shear strength parameters of concrete materials with different strength grades抗剪强度参数混凝土强度等级C15C20C25C30C35C40轴心抗压强度 fc/MPa7.29.611.914.316.721.1轴心抗拉强度 ft/MPa0.911.101.271.431.571.71黏聚力 c/MPa1.281.621.942.262.563.00内摩擦角/()50.86 52.60 53.82 54.90 55.91 58.222.2混凝土材料极限应变的确定采用 PLAXIS 有限元数值程序,参考阿比尔的等15的方法计算混凝土材料的极限剪应变,数值模型的尺寸为 150 mm150 mm150 mm 的立方体,底面施加约束,顶面施加竖直向下的均布荷载,不考虑顶面和底面的摩擦。立方体试块有限元网格如图 1 所示。采用表 1 中的混凝土材料抗剪强度参数。图 1立方体试块有限元网格示意图Fig.1Schematic diagram of FEM grid of cubic specimen以 C35 混凝土材料极限剪应变的数值计算为例,取图 1 中顶面四个角点中任一点处的一个四面体单 元,绘 制 该 单 元 的 总 偏 应 变 s-荷 载 步 Mstage 曲线,如图 2 所示。从图 2 可以看出,曲线在Mstage=0.412 荷载步出现拐点,表明该单元经过塑性发展进入了破坏状态,该荷载步对应的最大总偏应变 2.21810-3即为 C35 混凝土材料的极限剪应变,并作为 C35 混凝土材料的破坏标准,此时立方体试块的总应变云图如图 3 所示。图 2总偏应变 s-荷载步Mstage 曲线Fig.2Curve of total deviatoric strain s vs.load steps Mstage图 3C35 混凝土材料极限荷载作用下总偏应变云图Fig.3Nephogram of total deviatoric strain under limit load of concrete采用同样的数值模型和计算方法可以得到不同强度等级混凝土材料的极限剪应变计算结果如表 2 所示。表 2混凝土极限剪应变数值计算结果Table 2Calculation results of limit shear strain of concrete混凝土强度等级C15C20C25C30C35极限剪应变计算值/10-31.661 1.850 2.002 2.1282.2183计算算例采用 PLAXIS 有限元数值程序进行服役期高切坡挡墙整体稳定性和工作性能的数值分析,高切坡坡高 13.5m,分别采用混凝土材料的重力式挡墙和悬臂式挡墙作为支挡结构,挡土墙墙高 7.5 m。考虑初始自重应力的影响,岩土体和支挡结构均采用实体单元和摩尔 库伦本构模型模拟,岩土体物理力学参数如表 3 所示。通过在挡墙墙背和基底设置界面,考虑岩土体和支挡结构的相互作用,其中墙背与土体的摩擦角按建筑边坡工程技术规219地 下 空 间 与 工 程 学 报第 18 卷范(GB503302013)表 6.2.3 挡土墙墙面很粗糙,排水良好的情况取 0.55(为墙后土体内摩擦角),挡土墙基底摩擦系数取 0.5。通过混凝土材料强度等级的降低模拟服役期支挡结构材料的老化。表 3岩土体和支挡结构物理力学参数Tale 3Physico-mechanical parameters of rock and retaining structure材料名称弹性模量/MPa泊松比密度/(kgm-3)摩擦角/()黏聚力c/kPa土体30.00.30210024.026.0软岩13000.25240037.070.03.1悬臂式挡墙悬臂式挡墙计算模型如图 4 所示。采用有限元强度折减法进行整体稳定性评价,当悬臂式挡墙混凝土材料强度等级为 C35 时,防护工程的整体稳定系数为 1.384,并可通过水平位移增量云图直观显示最危险滑动面位置,如图 5 所示。图 4悬臂式挡墙计算模型Fig.4Calculation model of cantilever retaining wall图 5悬臂式挡墙对应的最危险滑动面位置(C35)Fig.5Location of the most dangerous sliding surface corresponding to cantilever retaining wall(C35)通过混凝土材料强度等级的降低模拟其在荷载和环境等因素的共同作用下发生的强度衰减,不同混凝土材料强度等级条件下悬臂式挡墙整体稳定性分析结果如表 4 所示。可以看出,当混凝土材料强度等级降低时,悬臂式挡墙的整体稳定系数也随之减低。如果按安全等级一级永久边坡一般工况下的稳定安全系数大于等于 1.35 的要求19,则混凝土材料强度等级的降低将导致服役期内悬臂式挡墙整体稳定性不满足要求。表 4不同混凝土材料强度等级条件下悬臂式挡墙整体稳定性分析结果Table 4Overall stability analysis results of cantilever retaining wall under different strength grades of concrete materials混凝土强度等级C15C20C25C30C35稳定系数1.253 1.290 1.327 1.3601.384当强度折减系数等于 1.0,即进行正常使用状态对应的弹塑性分析时,可结合前述混凝土材料极限应变的计算结果进行悬臂式挡墙结构工作性能的分析。具体方法是,当悬臂式挡墙结构单元的极限剪应变值达到极限剪应变时,即该单元发生剪切破坏;当多个单元发生剪切破坏时,即形成破坏区域;当破化区域贯通时,即支挡结构局部发生破坏。根据破坏区域的位置和形态可以服役期悬臂式挡墙结构的易损关键部位和损伤特征等进行分析。对于不同混凝土材料强度等级的悬臂式挡墙结构进行弹塑性计算,总应变云图中仅显示大于其对应的极限剪应变的区域,如图 6 所示。从图 6 可以看出,混凝土材料强度等级下降的过程中,悬臂式挡墙在墙后土体土压力作用下,从墙后局部单元的点破坏,到破坏单元增加且相互连接形成破坏区域。同时,破坏区域随着混凝土材料强度等级的降低逐渐扩大。当混凝土材料强度等级将至 C15 时,挡墙前部单元也发生了剪切破坏,如果混凝土材料强度等级进一步降低,破坏区域将贯通,悬臂式挡墙也将发生失稳破坏。通过悬臂式挡墙的总偏应变云图可以直观显示其服役期内的易损关键部位和损伤特征。3.2重力式挡墙重力式挡墙计算模型如图 7 所示。当重力式挡墙混凝土材料强度等级为 C35 时,防护工程的整体稳定系数为 1.410,并可通过水平位移增量云图直观显示最危险滑动面位置,如图 8 所示。不同混凝土材料强度等级条件下重力式挡墙整体稳定性分析结果如表 5 所示。3192022 年增刊 2唐晓松,等:高切坡挡墙整体稳定性和工作性能的数值分析图 6不同强度等级混凝土条件下悬臂式挡墙的总偏应变云图Fig.6Nephogram of total deviating strain of cantilever retaining wall under different strength grades of concrete表 5不同混凝土材料强度等级条件下重力式挡墙整体稳定性分析结果Table 5 Overall stability analysis results of gravity retaining wall under different strength grades of concrete materials混凝土强度等级C15C20C25C30C35稳定系数1.303 1.330 1.382 1.3941.410图 7重力式挡墙计算模型Fig.7Calculation model of gravity retaining wall同样对于不同混凝土材料强度等级的重力式挡墙结构进行弹塑性计算,总应变云图中仅显示大于其对应的极限剪应变的区域,如图 9 所示。从图9 可以看出,对于重力式挡墙结构,其墙趾部位为服役期内的易损关键部位,当混凝土材料强度等级从 C35 降至 C20 时,墙背局部出现了多个单元发生剪切破坏形成的破坏区域。图 8重力式挡墙对应最危险滑动面位置(C35)Fig.8Location of the most dangerous sliding surface corresponding to gravity retaining wall(C35)4结论(1)服役期高切坡挡墙材料力学性能的衰减导致防护工程的整体稳定性下降,采用有限元强度折减法可以对混凝土材料强度衰减过程中高切坡挡墙工程的整体稳定性进行动态评价。(2)服役期高切坡挡墙材料力学性能衰减的过程中,挡墙结构在墙后土体土压力作用下,从单元破坏,到形成破坏区域,且破坏区域逐渐扩大。不同形式的挡墙结构其易损关键部位和损伤发展419地 下 空 间 与 工 程 学 报第 18 卷图 9不同强度等级混凝土条件下重力式支挡结构的总偏应变云图Fig.9Nephogram of total deviating strain of cantilever retaining wall under different strength grades of concrete规律也各不相同。采用数值极限应变法,基于支挡结构混凝土材料的破坏标准,可以直观显示服役期内挡墙结构的易损关键部位和损伤特征。(3)对于服役期的混凝土材料高切坡挡墙,只要获取了混凝土和岩土体的抗剪强度参数,即可进行整体稳定性分析,以及对损伤部位和情况的复核,并对损伤的进一步发展进行预测。由于混凝土抗剪强度参数可通过小直径芯样的剪切试验等方法准确获取,因此基于数值极限分析方法进行服役期高切坡挡墙整体稳定性和工作性能的分析是可行的。参考文献(References)1罗元华,伍法权.三峡水库岩土体高切坡的基本特点与防灾 方 法 J.中 国 地 质 灾 害 与 防 治 学 报,2004,15(增 1):115-118.2冯玉涛,刘强.山区高速公路堆积体高切坡失稳机理及其处治对策J.公路,2019(8):54-58.3杨绿峰,洪斌,余波.混凝土结构耐久性控制区及设计参数的定量分析 J.建 筑 结 构 学 报,2016,37(1):126-134.4罗大明,牛荻涛,苏丽.荷载与环境共同作用下混凝土耐久性研究进展 J.工程力学,2019,36(1):1-14.5郑丹,李鑫鑫.混凝土在持续荷载下的强度J.重庆交通 大 学 学 报(自 然 科 学 版),2015,29(3):190-193.6魏学勇,欧阳祖熙,韩文心.三峡工程万州高切坡变形监测预警研究 J.大地测量与地球动力学,2011,31(增):110-113.7肖云.三峡库区高切坡破坏模式分析及防护对策J.武汉工程大学学报,2013,35(11):1-5.8雷华阳,周骏,贺彩峰.既有线重力式挡土墙综合安全 评 估 方 法 研 究 J.工 程 地 质 学 报,2015,23(4):700-705.9徐乾,杨超.板桩式挡土墙损伤预警研究J.中国安全科学学报,2017,27(11):169-174.10 梁力丹,郑达,巨能攀.基于灰色关联与模糊数学的重力式 挡 土 墙 震 害 评 估 J.工 程 地 质 学 报,2014,22(6):1234-1240.11 郑颖人.岩土数值极限分析方法的发展与应用J.岩石力学与工程学报,2012,31(7):1297-1315.12 Li A J,Merifield R S,Lyamin A V.Limit analysis solutions for 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