完整版包裹式加筋边坡破坏机制有限元分析毕业设计文档格式.docx

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毕业设计（论文）中文摘要

题目：

包裹式加筋边坡破坏机制有限元分析

摘要：

包裹式加筋边坡通过向土体中添置柔性筋材增强边坡承载能力，具有造价低廉、施工简便、与边坡绿化紧密结合的优点，近年来在工程中得到了广泛的应用。

但是，受到其受到作用力时的破坏机制仍不明确的影响，设计理论尚不完善，往往都是根据以往的工程经验进行设计。

显然，这样的设计明显的缺乏理论的佐证。

为了完善加筋边坡的设计理论，本文通过plaxis软件建立有限元模型分别讨论了位移加载条件下筋材的间距和埋深对边坡承载能力的影响，通过对众多数据的筛选分析得到了各种参数的合理取值范围，针对工程设计意提出了具一定指导义的建议。

通过对众多数据的分析比较，本文就埋深间距这一参数得出了以下结论：

随着埋深间距的减小，边坡的承载能力大幅提高。

在设计工作中，筋材的埋深间距不宜小于坡高的五分之一也不宜超过1m。

本文就加筋边坡中顶筋和底筋的埋深这两个参数进行分析，得出了以下结论：

从定性的角度而言，顶筋与底筋的埋深对边坡承载能力的影响并不明显。

从定量的角度而言，本文建议顶筋与底筋应埋至荷载中心位置为宜。

通过对加筋边坡中内筋的埋深这一参数进行研究，得出了以下结论：

内筋的埋深与边坡滑动带的位置息息相关，故而本文建议设计人员在确定内筋埋置深度时应根据试验结果中给出的滑动带的位置确定为宜。

关键词：

包裹式加筋边坡有限元破坏机制

毕业设计（论文）外文摘要

Title:

AFiniteElementAnalysisoftheFailureMechanismoftheEncasedReinforcedSlope

Abstract

Thereinforcedslopeofthewrappedtypeisreinforcedbythesoftribinthesoil.Thereinforcedslopeofthewrappedtype,closecombinationwiththeslopegreening.Thewrappedtypereinforcedslopewidelyusedinengineeringinrecentyears.However,thefailuremechanismofthewrappedreinforcementslopeisstillnotclear.Thedesigntheoryofthewrappedreinforcedslopeisnotperfect.Obviously,suchdesignclearlylackstheevidenceoftheory.Inordertoimprovethedesigntheoryofreinforcedslope,inthispaper,theinfluenceofthedistancebetweenthereinforcementmaterialandthedepthoftheloadonthebearingcapacityoftheslopeisdiscussedbythefiniteelementmodelofthePLAXISsoftware.Inthispaper,throughthescreeningandanalysisofthenumerousdata,thereasonablerangeofparametersisobtained,andsomesuggestionsfortheengineeringdesignareproposed.

Throughtheanalysisandcomparisonofthenumerousdata,thispaperdrawsthefollowingconclusionsoftheparametersofthedepthdistance.Fromthequalitativepointofview,withthedecreaseofthedepthoftheburieddepth,thebearingcapacityoftheslopeisgreatlyimproved.Fromthequantitativepointofview,thedepthofthematerialisnotthe15depthoftheslopeandshouldnotexceed1m.

Throughtheanalysisandcomparisonofnumerousdata,thispaperdrawsthefollowingconclusionsofthetwoparametersofthetopdepthandthebottomdepthofthereinforcedslope.Fromaqualitativepointofview,theinfluenceofthedepthofthetopandbottomribsonthebearingcapacityoftheslopeisnotobvious.Fromthequantitativepointofview,thispapersuggeststhatthetopandbottomtendonsshouldbeburiedtotheloadcenterposition.

Throughtheanalysisandcomparisonofnumerousdata,thispaperdrawsthefollowingconclusionsofthedepthoftheinnerribofthereinforcedslope.Tendonswithinthedepthandslopeslidingzonearecloselyrelated,thereforethispapersuggeststodesignindeterminingtheinternalribsthatburieddepthshouldbedeterminedaccordingtothelocationoftheslipzone.

Keywords：

PackagetypeReinforcedslopeFiniteelementDamagemechanism

2筋材间距影响分析8

1引言

1.1研究的背景及意义

很久之前，人类就懂得将自然界中的天然植物如茅草、柳条之类材料埋入土体中来改善土体整体稳定性，这种材料在现在叫做土工合成材料。

众所周知，土体本身具有一定的抗压、抗剪强度，但是无法承受拉力。

但土工合成材料通过土体与筋材之间的摩擦和机械咬合作用，在土体中传递拉应力，分担土体的应力，从而从一定程度上改善了土体的强度和变形能力，提高了构筑物的稳定性。

土工合成材料中所应用的筋材往往廉价易得，筋材埋置的方式相对来说也较为容易，这种种的优势也使得土工合成材料广泛的应用于水利、海港、公路、建筑、铁路、电力、采矿、军工等工程的各个领域，成为了建筑工程中必不可少的重要材料。

土中加筋的理论设想首先由著名的土力学家卡萨格兰德提出，他将高强度的土工膜水平地铺设在软基中，将加筋土问题理想化。

现代加筋土的设计和第一个加筋构筑物是由法国工程师HenriVidal在20世纪60年代提出并实现的，从此利用抗拉材料作为筋材的加筋土技术从经验判断上升到理论设计阶段。

土工合成材料在工程中的作用可概括为过滤、排水、隔离、加筋、防渗和防护作用等六类，如图1.1所示:

a）挡土墙背虑层（过滤作用）b）堤坝排水（排水作用）c）软土加固（隔离作用）

d）加筋陡坡（加筋作用）e）堤坝防渗墙（防渗作用）f）堤岸防护（防护作用）

图1.1土工合成材料在建筑中的应用及发挥的作用

由于加筋土技术的优越性、显著的经济性和广泛的适用性，加筋土技术获得了国内外很多工程技术人员的研究和采用。

许多国家先后制定并颁布了有关加筋土工程的设计、施工规范、标准或指南等，我国交通部早在1991年就制定并颁发了《公路加筋土工程设计规范（JTJ015-91）[1]、《公路加筋土工程施工技术规范》（JTJ035-91）[2]等行业标准，铁道部在《铁路路基支挡结构物设计规范》（TBJ25-90）[3]中加入了加筋土工程的有关条文和内容。

1999年初，国家正式颁发了《土工合成材料应用程》（JTJT239-98）[5]；

水利部制定和颁布《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》（SLT225-98）[6]和《土工合成材料测试规程》（SLT235-99）[7]；

铁道部制定和颁布《铁

正如上文所说的那般，土工合成材料在工程中的应用十分广泛。

国内外众多专家对它的研究也从未停息，具体的国内外研究现状将在下文予以介绍。

1.2国内外的研究现状

自上世纪60年代初法国工程师Vidal提出加筋土概念以来，国内外众多科学家对加筋土的研究便从未间断。

就普遍而言，研究的方法以加筋土边坡模型试验结合数值模拟的方法研究加筋机理，为加筋边坡实际工程的设计提供可靠、有效的理论依据。

试验方式主要包括：

室内模型试验、离心模型试验和现场试验；

数值方法主要包括：

有限元、有限差分和离散元等。

选择研究方法时进行研究的第一步接下来笔者将据不同的研究方法介绍国内外的研究现状。

加筋边坡试验作为针对实际工程适用性和可靠度的具体模型体现，在加筋边坡的加筋机理和设计参数研究等方面具有重要意义。

根据模型尺寸和应力状态等因素分为室内小模型试验、离心模型试验和现场试验。

1.2.1室内模型试验研究现状

徐林荣，华祖焜（1999）[9]他们用纸和纱窗的窗纱代替加筋土边坡中的土工格栅进行试验，通过独特的理论和方法，研究了筋材的埋深，间距，坡角，等参数并对其主要的控制参数进行了分析。

朱湘，黄晓明（2002）[10]通过进行不同的室内模型的对比试验研究了加筋土边坡与没有加筋的边坡之间的应力差距，研究了软土地基条件下的路堤的破坏机制。

证明加筋土边坡中的筋材能够对土体起到很好的限制作用，增强了土体的稳定性。

万剑平（2004）[11]他进行了大量的加筋土边坡的室内模型试验，说明了加筋土边坡中的土工格栅能够极大的提高土体的稳定性。

同时也证明土工格栅主要通过与土体间的摩擦作用与土体结合为一个整体而起作用。

尹志光，魏作安，万玲等（2005）[12]他们进行了细粒尾矿堆坝加筋模型试验。

他们试验对比了加筋模型与没有加筋模型的破坏机理，并分别说明了加筋坝体与没有加筋的坝体破坏特点。

杨庆，季大雪，张克等（2005）[13]他们进行了许多室内的小模型试验研究了研究两种边坡坡比、2种格栅和3种加筋层数共计10种边坡结构在边坡荷载的作用下，对边坡承载能力的影响。

最终得出了一个定性的结论即对于加筋土边坡，筋材的间距越小，埋深越深，强度越大，坡度越小边坡的承载能力就会越强。

王志斌，李亮，邹金锋等（2008）[14]他进行了诸多的大型室内模型试验，研究分析了加筋路堤边坡与没有加筋的路堤边坡之间承载力的差距，着重分析了加筋路堤边坡与没有加筋的路堤边坡的破坏机制和原理。

在他的试验中分析观察了边坡破面的沉降，坡顶的位移以及土体内部的应力等数据。

A.Mustafa,EISawwaf（2007）[15]他进行了诸多室内模型试验，来研究了粘土地基上的加筋砂土边坡的承载性能的相关问题。

他主要研究了筋材的埋深，间距，坡角等情况。

并给出了一系列定量的结论给加筋土边坡的设计工作进一步铺平了道路。

A.K.ChoudharyJ.N.JhaK.S.Gill（2010）[16]他通过室内模型试验研究了粉煤灰加筋边坡与没有加筋的粉煤灰边坡之间的应力差距。

同时他还分析了筋材对边坡的影响，试验工况包括：

单层格栅加筋体的位置和深度、筋材层数、坡顶加载位置、边坡角度和坡顶加载基础宽度等。

通过上述试验分析他给出了一系列定量的结论给加筋土边坡的设计工作进一步铺平了道路。

1.2.2离心模型试验研究现状

张嘎，王爱霞，牟太平等（2007）[17]他通过现场试验和数值分析相结合的研究思路。

提出了一种能够却行离心试验模型中的位移及应力变化的方法，并将该方法应用到了一系列边坡的离心模型试验中。

张嘎，王爱霞，张建民等（2008）[18]他们为了研究加筋边坡中埋置的格栅的作用，进行了自重加载条件下的离心模型试验，并通过一系列的技术和手段记录下了加载过程中土体的变形及应力情况。

并验证了加筋边坡中的土工格栅能够很好的限制土体变形，滑动带的位置也明显的前移。

另外这些土工格栅还使得土体的变形更加均匀增强了土体的稳定性。

贾圣东（2008）[19]他以广东某段告诉公路的扩建工程为依托，通过离心模型试验，并结合数值分析的方法，研究了添置格栅的诸多因素对路堤边坡的稳定性的影响。

A.N.Sommers，B.V.S.Viswanadham（2009）[20]他在离心试验模型中研究加筋边坡在竖向荷载的作用下的破坏特点。

在实验过程中和通过数字成像技术记录了土体的位移变化状况。

实验结果说明土体应力的峰值在荷载的正下方。

B.V.S.Viswanadham，S.Rajesh（2010）[21]，Jian-FengChen，Song-BoYu（2009）[22]利用离心模型试验研究软土地基上的格栅加筋路堤，在试验中监测路堤沉降、土压力和孔隙水压力，加筋路堤在表面自下出现不同程度的裂缝。

B.V.S.Viswanadham，D.Konig（2011）[23]他在这个离心试验模型中采用了不同于荷载加载的加载方式，转而采用使之产生不均匀沉降的加载方式。

试验证明地基的不均匀沉降对于边坡整体的稳定性并无很大的影响，位移的峰值在不均匀沉降处产生。

1.2.3大型现场试验研究现状

王晓鹏，史锋，郭宇楠（2008）[24]针对5种工况的格栅加筋路堤边坡进行现场试验，对各种工况下土压力、格栅应变和路堤沉降进行跟踪观测，并比较分析了格栅应变、土压力和沉降的变化规律，进而研究了加筋层数及加筋类型对路堤结果性能的影响。

杨广庆,周亦涛等（2011）[25]对某高速公路加筋土挡墙水平土压力和土工格栅拉筋位移进行了系统测试。

研究表明，施工期间土工格栅加筋土挡墙墙背土压力随填土高度的增加而增大，其数值均小于理论计算结果，土工格栅拉筋在施工期应变变形较大,工后应变非常小,挡墙下部土工格栅拉筋端部应变随填土高度变化较大，在加筋体锚固区末端存在过渡区，其工程特性逐渐向非加筋体填土过渡。

1.3研究内容

包裹式加筋边坡通过向土体中添置柔性筋材增强边坡承载能力，具有造价低廉、施工简便、与边坡绿化紧密结合的优点，近年来在工程中得到了广泛的应用。

本文通过plaxis有限元软件，对某一包裹式加筋边坡模型的筋材埋置深度，筋材埋置间距等参数进行分析，进而从中得出结论，以期为日后的包裹式加筋边坡设计提供理论的佐证。

1.4研究方法

由于缺乏实验的器材，本课题的研究是通过有限元软件来进行的。

但是，必须承认的是有限元软件模拟加载所得到的实验数据同真实的实验数据相比是存在很大的误差的。

故而，在进行本课题的研究之前，必须对我们的研究方法进行验证，确保实验数据的真实性。

1.4.1模型参数校核

同济大学李飞前辈在其博士论文中详述了一个包裹式加筋边坡的荷载实验过程。

通过有限元软件建立该实验中的模型进行模拟加载，将获得的P-S曲线同论文中给出的曲线进行对照即可。

根据论文中的描述，所要建立的模型是一个斜率为45度的小型边坡，模型整体长度为900mm，整体高度为500mm，左侧留土250mm，右侧留土400mm，下侧留土250mm。

其他数据可由下左图中得出。

根据论文中提到的参数，土的重度16.5kNm3，土的饱和重度为17.5kNm3，土的变形模量30MPa，泊松比0.25，内摩擦角45度。

将上述数据输入即可将有限元软件的计算模型建立完成，如下图1.2和1.3所示。

图1.2某实验模型图图1.3plaxis数值模型

本次模拟加载采用的是位移加载方式，通过规定变形，来读取应力的方式进行数据的获取。

通过加载所获的的数据立图表即可得到由有限元软件模拟加载获得的P-S曲线（图1.4）进而与真实的实验数据建立的P-S曲线（图1.5）进行对照。

图1.4数值模拟结果图1.5试验结果

然而仅仅依靠P-S曲线并不能够完全验证研究方法的正确性，还需要比较两种情况下的位移云图以真正的确认研究方法的正确性。

根据论文中给出的实验数据，选取沉降量为20mm情况下的位移云图进行对照（图1.6和图1.7）。

图1.6数值模拟结果

图1.7试验结果

根据上述四副图片的对照可以很清楚的发现，通过有限元模型模拟加载所获的数据与通过真实实验所获得的数据相差无几，这样也就有力的论证了，本文研究方法的正确性及科学性，为接下来的研究做出了很好的铺垫。

1.4.2研究思路

本文采用了新的筋材埋置方式，众所周知在实际加紧边坡的施工过程中，设计方与施工方往往为了方便起见统一筋材的埋深，使得筋材左边沿与边坡平行。

但是这种方式对我们研究筋材埋深对边坡的影响，并非十分有利。

笔者认为，要研究筋材的埋深必须要保证每根筋材都能在最大程度上发挥作用。

所以本文采用将筋材左端部对齐的方式进行建模,以保证每根筋材的埋深都能从较小值扩大的较为理想的状态。

2筋材间距影响分析

2．1有限元模型建立

在上文中论文模型基础上进行改造建立使用于本次研究的模型。

为了保证变量即筋材的埋置间距相同又由于边坡高度为250mm故而在选择变量大小时只能够选取可以被250整除的间距，故取间距变量分别为25mm，50mm，125mm，同时在建立模型的过程中应注意保持其他各项指标的稳定。

建立模型如图2.1-图2.3。

图2.1间距25mm时的模型

图2.2间距50mm时的模型

图2.3间距125mm时的模型

2．2模拟加载及数据整理

对上述的三个模型分辨进行模拟加载，记录其模型的变形及应力数据建立P-S曲线图表如下（图2.4）所示。

图2.4筋材间距p-s曲线

从图表中不难看出随着间距的减小，边坡的承载能力呈现出很强的规律性，即间距越小承载能力越强。

2.3数值计算结果分析

了解到现象之后我们所要做的就是，从其中发现更深层次的原因。

只有知其然又知其所以然，才能更深层次的了解筋材间距对加筋筋边坡影响。

具体的分析方法我们需要借助的是plaxis软件所计算出的位移云图，以及塑性点的分布图来进行分析。

数据分析过程中得到的位移云图如下（图2.5-2.7）所示。

图2.5间距25mm时的位移云图

图2.6间距50mm时的位移云图

图2.7间距125mm时的位移云图

观察上述位移云图，可以发现当间距为25mm时，边坡滑动带陡峭并且延伸距离很小。

而当间距为50mm时滑动带角度变的平缓并且延伸距离变大，当间距为125mm时滑动带角度变得更为平缓延伸距离更长了，甚至延伸到了加筋土边坡表面。

要分析产生上述现象的成因，首先就必须要了解边坡土本身的条件，从建模初期的参数设置中可以得出边坡土的内摩擦角为34度而边坡本身的坡度为45度，由于内摩擦角远小于边坡本身的坡度，边坡本身承载能力极差，极易进入塑性状态。

而在土中埋置入筋材后可以很明显的提升土体本身的力学性能。

正是因为这样，在进行荷载传递分析时，筋材的作用是分析的重中之重。

外部荷载分布在坡顶距边界75mm-175mm的地方。

根据荷载在土壤中传递的原理，可以想象的到，荷载通过土体向下扩散传递，由于土体本身不能承受拉力，在荷载传递到无筋的位置时，并没有什么存在能够阻止其传递。

但是当荷载传递到有筋材存在的位置时，由于筋材受拉使得荷载必须通过时筋材变形来讲荷载传递下去，这样一部分本该由下层土体承受的荷载被后来埋置进去的筋材消耗掉了。

从另外的意义上说，这中筋材阻止了荷载向下传递的道路。

明白了荷载的传递路径以及筋材消耗荷载的原理，接下来需要分析的就是不同埋置间距之间的差距产生的原因。

从上文中筋材消耗荷载的理解出发，可以很明显的发现当埋置间距越小时，筋材数量增多，而同样的荷载被消耗的次数也相应的增多了，这就是为何筋材埋置的筋材间距越小，位移云图中所表现出的滑动带越陡越短，筋材作用十分明显。

而间距变大的情况下，位移云图所表现出的滑动带越缓越长，筋材作用并不显著。

分析完位移云图的区别，接着便看看在不同的埋置间距对边坡的塑性点分响。

由

软件计算得到的不同埋置间距条件下边坡塑性点分布图如下（图2.8-2.10）所示。

图2.8间距25mm时的塑性点分布

图2.9间距50mm时的塑性点分布

图2.10间距125mm时的塑性点分布

观察上述塑性点分布图，可以很清楚的发现塑性点主要分布在边坡的边界部分，大体的规律是以边界为起点向边坡内部扩散。

这种现象的成因显然是由于边坡边界的部分更容易产生拉力。

通过观察，可以发现向内部扩散的程度不尽相同。

间距为25mm时的边坡塑性点分布面积较小，间距50mm是的边坡塑性点分布面积较之间距25mm时的面积变大了些，而125mm时的塑性点分布面积已经到了一个很大的程度。

也就是说，随着筋材间距的减小，筋材埋置的密度也在不断的增大，这很大程度上增强了加筋边坡的弹性模量，增强了土体抵抗变形的能力。

通过上述分析，可以得出一个定性的结论：

加筋边坡中的筋材埋置间距越小，对边坡的加强作用越好。

但是，这种定性的结论对真正的设计施工工作并没有多大的帮助。

需要进行进一步的分析以得出一个定量的结论。

首先从筋材的节省方面进行讨论，从上文中的出的结论来看，间距越小，对边坡的加强越大。

但一味的减小间距显然是不明智的，会造成很多的筋材浪费也会使得施工的难度大大增加，这就要求对筋材埋深间距的下限做出讨论。

通过上文中的p-s曲线可以发现当埋深间距为25mm时变形30mm时对应的应力达到了550以上，而埋深间距为50mm时变形30mm时对应的应力只有300左右。

结合在实际中的荷载情况，笔者认为当取间距为50mm时边坡的承载能力较为适宜不会出现承载力不足或者材料的浪费问题。

但是50mm对应的坡高为250mm，是坡高的五分之一，因此可以得出结论在确定埋深间距时，筋材的埋深间距不宜大于坡高的五分之一。

另一方面，当坡高很高时为了施工方便埋深的间