土工合成材料加筋路堤的非线性有限元分析
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摘要
土坡稳定分析是土力学的经典课题。并且，随着土工合成材料在道路工程中的广泛应用，加筋土坡的稳定分析成为一个重要研究课题。目前，在工程实践中大多采用极限平衡法，但极限平衡法不考虑土体的应力—应变关系以及加筋对土体中应力分布的改变，因此临界滑动面上的应力状态与实际不符。
本文采用非线性有限元方法来分析加筋土坡的应力场和位移场，并将有限元计算应力结果用来确定临界滑动面和相应的安全系数。土体的本构关系采用Duncan-Chang模型，土工合成材料看作是一种不能受压只能受拉且抗弯刚度为零的柔性材料，筋土之间设置接触面，接触面单元采用Goodman单元。土坡稳定安全系数定义为滑动面上抗剪强度与剪应力的比值，临界滑动面的搜索采用动态规划法。
本文利用有限元方法分析了不同地基土坡在不同位置加筋对应力场、位移场、临界滑动面和安全系数的影响。在有限元分析基础上的稳定分析方法，由于模拟了土体的应力—应变特征和土坡的填筑过程，明显优于极限平衡法。
The field of soil mechanics is a classical topic. With the using of geosynthetics, the stability analysis of geosynthetics reinforcement slope becomes more important. The analysis of slope stability in engineering practice has been made dominantly with Total Stress Analysis methods up to nowadays, but as a matter of fact in most cases the state of stress on critical slip surface is not in agreement with that of real ones, as the Total Stress Analysis methods only consider the integral unit stress of soil mass, take no account of the distributing of stress and the relationship between stress and strain.
In this paper, the nonlinear finite element method is to be used to analyses the stresses field and displacements field of geosynthetics reinforcement slope, and the result that calculated by the finite element method program is used to search the critical slip surface and decided the safety factor. Duncan-Chang nonlinear numerical model and Goodman interface elements are used in this program. The safety factor is determined by the ratio of the summed shear to the summed shear stress along the critical slip surface. The dynamic programming method is adopted in searching for the critical slip surface of a slope.
The stresses and displacements field of various geosynthetics reinforcement slopes are analyzed in this paper. It is this result that indicates that the advantages of these tow methods based on finite element technique to limit equilibrium methods is quite obvious, as the finite element method rather than traditional limit equilibrium method can simulate the behavior of stress and strain of soils and the processes of slope formation and /or excavations.
本文采用非线性有限元方法来分析加筋土坡的应力场和位移场，并将有限元计算应力结果用来确定临界滑动面和相应的安全系数。土体的本构关系采用Duncan-Chang模型，土工合成材料看作是一种不能受压只能受拉且抗弯刚度为零的柔性材料，筋土之间设置接触面，接触面单元采用Goodman单元。土坡稳定安全系数定义为滑动面上抗剪强度与剪应力的比值，临界滑动面的搜索采用动态规划法。
本文利用有限元方法分析了不同地基土坡在不同位置加筋对应力场、位移场、临界滑动面和安全系数的影响。在有限元分析基础上的稳定分析方法，由于模拟了土体的应力—应变特征和土坡的填筑过程，明显优于极限平衡法。
The field of soil mechanics is a classical topic. With the using of geosynthetics, the stability analysis of geosynthetics reinforcement slope becomes more important. The analysis of slope stability in engineering practice has been made dominantly with Total Stress Analysis methods up to nowadays, but as a matter of fact in most cases the state of stress on critical slip surface is not in agreement with that of real ones, as the Total Stress Analysis methods only consider the integral unit stress of soil mass, take no account of the distributing of stress and the relationship between stress and strain.
In this paper, the nonlinear finite element method is to be used to analyses the stresses field and displacements field of geosynthetics reinforcement slope, and the result that calculated by the finite element method program is used to search the critical slip surface and decided the safety factor. Duncan-Chang nonlinear numerical model and Goodman interface elements are used in this program. The safety factor is determined by the ratio of the summed shear to the summed shear stress along the critical slip surface. The dynamic programming method is adopted in searching for the critical slip surface of a slope.
The stresses and displacements field of various geosynthetics reinforcement slopes are analyzed in this paper. It is this result that indicates that the advantages of these tow methods based on finite element technique to limit equilibrium methods is quite obvious, as the finite element method rather than traditional limit equilibrium method can simulate the behavior of stress and strain of soils and the processes of slope formation and /or excavations.
引文
【1】钱家欢、殷宗泽；《土工原理与计算》；1996，第二版，中国水利水电出版社。
【2】钱家欢、殷宗泽；《土工数值分析》；1991，第一版，中国铁道出版社。
【3】张学言；《岩土塑性力学》；1993，人民交通出版社。
【4】欧阳仲春；《现代土工加筋技术》；1990, 人民交通出版社.。
【5】朱百里、沈珠江等编著；《计算土力学》；1990，上海科学技术出版社。
【6】陈慧远；《土石坝有限元分析》；1988，河海大学出版社。
【7】罗定安；《工程结构数值分析方法与程序设计》；1995，第一版，天津大学出版社。
【8】G.哥得赫著；张清，张弥译；《有限元法在岩土力学中的应用》；1983，铁道出版社。
【9】王勖成、邵敏编著；《有限单元法基本原理和数值方法》；1997，清华大学出版社。
【10】C.S.德赛，J.T.克里斯琴主编，卢世深等译，《岩土工程数值方法》；1989，中国建筑工业出版社。
【11】Zou J Z，Williams D J，Xiong W L；Search for critical slipe surface based on finite element method；Canadian Ceotech J，1995，32(1):233～246.
【12】王钊主编；《国外土工合成材料的应用研究》；2002，现代知识出版社。
【13】《土工合成材料工程应用手册》编写委员会；《土工合成材料工程应用手册》（第二版）；2000，中国建筑工业出版社。
【14】陈祖煜；《土质边坡稳定分析—原理·方法·程序》；2003，中国水利水电出版社。
【15】吴育华、杜纲编著；《管理科学基础》；2001，天津大学出版社。
【16】罗伯特等著，陈伟其等译；《动态规划原理》；1984，清华大学出版社。
【17】刘光中编著，《动态规划理论及应用》,1991，成都科技大学出版社。
【18】江见鲸编著；《土建工程常用程序选编》；水利电力出版社，1987。
【19】陈祖煜、邵长明；最优化方法在确定边坡最小安全系数方面的应用；岩土工程学报，1988，4：1～13。
【20】顾小鲁等主编；《地基与基础》（第二版）；1993，中国建筑工业出
版社。
【21】曹文贵、颜荣贵；边坡非圆临界滑动面确定之动态规划法研究；岩石力学与工程学报；1995，4：320～328。
【22】曹平；边坡最危险滑动面的自动搜索；铜业工程，2001，No.3：8～11.
【23】D.K Paul & Satish Kumar；Stability analysis of slope with building loads；Soil Dynamics and Earthquake Engineering(16):395～405,1997.
【24】谭晓慧；边坡稳定可靠度分析方法的探讨；重庆大学学报，2001，24(6)：40～44。
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【47】邓卫东；《土工织物加筋软基路堤的试验与计算分析》；1989，天津大学硕士论文。
【48】秦丰；《土工合成材料加筋软基路堤的有限元分析》；2000，天津大学硕士论文。
【49】史恒通；《复杂土坡的稳定性的非有限元分析》；1998，天津大学硕士论文。
【50】姚爱国，I.M.Smith；加筋土挡土墙边坡的稳定性分析；煤田地质与勘探，2003，31(2)：42～44。
【51】江志安；《考虑地基土体固结的边坡稳定分析》；2003，天津大学硕士论文。
【52】朱维新、徐光明、刘守华；加筋土结构的性状及破坏机理；《全国第四届土工合成材料学术会议论文集》；1996，5，中国土工合成材料工程协会。
【53】Duncan. State of the art: Limit equilibrium and Finite-Element analysis of slope[J], Journal of Geotechnical Engineering. Vol.122,
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【54】Abdallah I H,Waleed F H,sarada K S.Glodal search method for locating general slip surface using Monte Carlo Techniques , J.of Geotech .and Geoenviro.Engng., ASCE , 2001, vol. 127:688～698
【55】丰定祥，吴家秀，葛修润；边坡稳定性分析中几个问题的探讨，岩土工程学报, 1990.5, 12(3):1～9
【56】陈洪江，杨书遂；土工合成材科在大港海堤中的应用，全国策三届土工合成材科学术会议论文选集，1992，131～136。
【2】钱家欢、殷宗泽；《土工数值分析》；1991，第一版，中国铁道出版社。
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【4】欧阳仲春；《现代土工加筋技术》；1990, 人民交通出版社.。
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【53】Duncan. State of the art: Limit equilibrium and Finite-Element analysis of slope[J], Journal of Geotechnical Engineering. Vol.122,
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【55】丰定祥，吴家秀，葛修润；边坡稳定性分析中几个问题的探讨，岩土工程学报, 1990.5, 12(3):1～9
【56】陈洪江，杨书遂；土工合成材科在大港海堤中的应用，全国策三届土工合成材科学术会议论文选集，1992，131～136。