塑料土工格栅加筋土挡墙动力有限元分析
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摘要
首先，本文介绍了土工加筋技术的广阔应用前景和塑料土工格栅加筋土挡墙的优越工程特性，系统分析研究了加筋土及加筋土挡墙的工作机理和计算设计理论，总结了国内外在加筋土支挡结构动力行为特性方面的研究成果，提出研究地震作用下塑料土工格栅加筋土挡墙动力行为特性的必要性和采用有限元时程分析方法研究塑料土工格栅加筋土挡墙的优越性。
然后，根据设计的塑料土工格栅加筋土挡墙实验模型，采用有限元时程分析方法分析了地震作用下模型加筋土挡墙的非线性动力行为特性，有限元分析结果揭示了模型加筋土挡墙的一些动力行为规律，为下一步深入进行塑料土工格栅加筋土挡墙模型实验研究奠定了基础。
最后，根据有限元分析结果，提出土工格栅加筋土挡墙中加筋材最大拉力点的连线，即潜在滑裂面的形状基本不受地震作用力的影响，由地震引起的水平地震荷载可简化为一附加在滑动楔体上的水平惯性力，由各层加筋材按与其锚固长度成正比的关系分担，在此基础上提出了一种计算土工格栅加筋土挡墙中加筋材动拉力的简化方法。
本文提出的有限元方法分析土工格栅加筋土挡墙动力行为的方法及其结果，一旦得到下一步模型实验证实，将对制定土工格栅加筋土挡墙设计规范地震荷载部分有一定的参考价值。
In this thesis, firstly, the engineer advantage of Geogrid Reinforced Earth walls is introduced, and the working mechanism and the calculation method of Geogrid Reinforced Earth wall are analysed. Recent developments on Reinforced Earth walls under seismic excitation in our country and on the world are presented. The necessity of researching Geogrid Reinforced Earth wall under seismic excitation and the advantage of researching Geogrid Reinforced Earth walls with Seismic Finite Element Analysis Method are proposed.
Secondly, a small scale Geogrid Reinforced Earth wall experimental model is designed, and its nonlinear seismic behavior under seismic excitation is analysed by Seismic Finite Element Analysis Method. The analysis results discover some seismic response laws of Geogrid Reinforced Earth wall under seismic excitation. It is a good base of deeply researching Geogrid Reinforced Earth wall under earthquake.
Finally, According to the analysis results of small scale Geogrid Reinforced Earth wall model by Seismic Finite Element Analysis Method, the author proposes that the maximum stress points line, i. e. potential collapse face, keep unchanged in shape regardless of the magnitude of vibration, the horizontal earthquake force can be simply considered as a horizontal inertia of the collapse wedge, and the seismic stress increment is distributed among the different layers of geogrid proportional to their resistant lengths. Furthermore, a simple method of calculating the seismic stress increment of the different geogrid reinforced layers is concluded and recommended based on this idea.
The method of Finite Element Analysis for Geogrid Reinforced Earth walls and the conclusions (got by Finite Element Analysis) are referable to the preparation for design specification of Geogrid Reinforced Earth walls subjected to seismic loadings.
然后，根据设计的塑料土工格栅加筋土挡墙实验模型，采用有限元时程分析方法分析了地震作用下模型加筋土挡墙的非线性动力行为特性，有限元分析结果揭示了模型加筋土挡墙的一些动力行为规律，为下一步深入进行塑料土工格栅加筋土挡墙模型实验研究奠定了基础。
最后，根据有限元分析结果，提出土工格栅加筋土挡墙中加筋材最大拉力点的连线，即潜在滑裂面的形状基本不受地震作用力的影响，由地震引起的水平地震荷载可简化为一附加在滑动楔体上的水平惯性力，由各层加筋材按与其锚固长度成正比的关系分担，在此基础上提出了一种计算土工格栅加筋土挡墙中加筋材动拉力的简化方法。
本文提出的有限元方法分析土工格栅加筋土挡墙动力行为的方法及其结果，一旦得到下一步模型实验证实，将对制定土工格栅加筋土挡墙设计规范地震荷载部分有一定的参考价值。
In this thesis, firstly, the engineer advantage of Geogrid Reinforced Earth walls is introduced, and the working mechanism and the calculation method of Geogrid Reinforced Earth wall are analysed. Recent developments on Reinforced Earth walls under seismic excitation in our country and on the world are presented. The necessity of researching Geogrid Reinforced Earth wall under seismic excitation and the advantage of researching Geogrid Reinforced Earth walls with Seismic Finite Element Analysis Method are proposed.
Secondly, a small scale Geogrid Reinforced Earth wall experimental model is designed, and its nonlinear seismic behavior under seismic excitation is analysed by Seismic Finite Element Analysis Method. The analysis results discover some seismic response laws of Geogrid Reinforced Earth wall under seismic excitation. It is a good base of deeply researching Geogrid Reinforced Earth wall under earthquake.
Finally, According to the analysis results of small scale Geogrid Reinforced Earth wall model by Seismic Finite Element Analysis Method, the author proposes that the maximum stress points line, i. e. potential collapse face, keep unchanged in shape regardless of the magnitude of vibration, the horizontal earthquake force can be simply considered as a horizontal inertia of the collapse wedge, and the seismic stress increment is distributed among the different layers of geogrid proportional to their resistant lengths. Furthermore, a simple method of calculating the seismic stress increment of the different geogrid reinforced layers is concluded and recommended based on this idea.
The method of Finite Element Analysis for Geogrid Reinforced Earth walls and the conclusions (got by Finite Element Analysis) are referable to the preparation for design specification of Geogrid Reinforced Earth walls subjected to seismic loadings.
引文
[ 1 ] Pierre Segrestin&Michel J.Bastic. "Seismic Design of RE retaining walls-the Contribution of FEA ". International Geotechnical Symposium on Theory and Practice of Earth Reinforcement. FuKuoKa,Japan, 5-7,Oct. 1988．
[2] Gregory N. Richardson and Kenneth L. Lee, "Seismic Design of Reinforced Earth Walls", Journal of the Geotechnical Engineering Division, P1 67, GT2, Feb. 1975
[3] Gregory N. Richardson and Kenneth L. Lee, "Seismic Testing of Reinforced Earth Walls", Journal of the Geotechnical Engineering Division, P.1, GT1, Jan.1977
[4] J. C. Chang, "Finite Element Analysis of Reinforced Earth Walls", Journal of the Geotechnical Engineering Division, P711-724,GT7, July. 1977
[5] H. Bolton Seed, John Lysmer, "Soil-Structure Interaction Analyses For Seismic Response", Journal of the Geotechnical Engineering Division, P439, GT5, May. 1975
[6] Bourdeau,P.L., Han,M.E. and Holty,R.D.. "Soil-Fabric Interaction-A Analytical Model". Second International Conference on Geotextiles. Las,Vegas,U.S.A. ,1982
[7] Andrawes,K.L. and Mcgocun,A. , Wilson Fahmy,R.F. and Mashhour,M.M.. "The Finite Element Method of Analysis Applied to Soil-Geotextiles Systems". Second International Conference on Geotextiles. Las,Vegas,U.S.A. ,1982 .
[8] Gryczmanski,M. and Sekouski,J.. "A Composite Theory Application for Analysis of Stresses in a Subsoil Reinforced by Geotextiles". Third International Conference on Geotextiles. Vienna, Austria, 1986．
[9] Mahmound,F.F. and Mashhour,M.M.. "An Elastoplastic Finite Element for the Analysis of Soil-Geotextiles Systems ". Third International Conference on Geotextiles. Vienna, Austria, 1986 .
[ 10] Zhong Chun Ouyang. "26m Height Reinforced Soil Quaywall Design and Full Scale Test ". International Geotechnical Symposium on Theory and Practice of Earth Reinforcement. FuKuoKa,Japan,1988． P599-644．
[11] Kutara, K. . "Deformation Analysis of Geotextiles In Soils Using the Finite Element Method". Geotextiles and Geomembranes . 1986(4) , P191-205 .
[12] Collios,A.,"Experiments on soil Reinforcement Designed Against Pull-out".The use of Geotextiles for soil Improvement,ASCE National Convention Portland, Oregon, pp.75-87(1980)
[13] Miyamori,T.,"Friction Characteristics of Non-Woven Fabrics",Third international Conference on Geotextiles,Vol.3,Vienna,Austria,pp.
[14] Gregory N. Richardson and Kenneth L. Lee, "QUAD-4,A computer program for evaluating the seismic response of soil-structures by varible damping finite element procedure", Califonia Univercity, PB-229,424,NTIS.
[15] Juran,I.,Knochenmus,G.,Acar, Y.B.,and Armen,A., "Pull-out Response of Geotextiles and Geogrid",Geosynthetics for Soil Improvement,Geotechnical Special Publication No. 18,New York,pp.92-111(1998)
[16] 加筋土挡墙设计与施工手册[M]．国铁结构物设计事务所，日本．
[17] 干田吕平．加筋土挡墙设计施工指南(草案)[M]．土木研究所，日本，1981．
[18] 金应春．地震作用下加筋土挡墙内部稳定性计算[M]．全国第三次加筋土学术会议论文集，中国，1990．
[19] 介玉新，李广信．纤维加筋土的新算法[J]．工程力学，1999,Vol.16No.3,P81-89．
[20] 孙钧，迟景魁，曹正康，施建勇．新型土工材料与工程整治[M]．北京：中国建筑工业出版，1998．1-12．
[21] 赵川，塑料土工格栅加筋碎石土强度及其应力应变特性的试验研究[M]．硕士论文．昆明：云南工业大学，1998．
[22] 王俊林．土工织物加筋土三轴试验研究[J]．首届全国岩土力学与工程青年工作者学术讨论会论文集，杭州：1992．235-238
[23] 钱家欢，殷宗泽．土工原理与计算[M]．北京：中国水利水电出版社，1996．44-105．
[24] 龚晓南，叶黔元，徐日庆．工程材料本构方程[M]．北京：中国建筑工业出版社，1995．63-68
[25] 朱伯芳．有限元法原理与应用[M]．中国水利水电出版社，1998，10，第二版．
[26] 研究报告．水土保持用聚酯编织物加筋材料开发与辅导[M]，台湾工业技术研究院，1995．6．
[27] 研究报告，公路织物挡土墙的性能及应用研究[M]，昆明理工大学,2000年12月．
[28] 喻泽红，张起森．土工网与土相互作用机理的有限元分析[J]．岩土工程学报，1997(3)，P76～82．
[29] 王钊．土工织物加筋土坡的分析和模型试验[J]．第二届全国土工合成材料学术会议论文选集．1990，P289～295
[30] 石名磊，姚代禄．加筋土支挡结构数值分析研究[J]．重庆交通学院学报，1994，Vol.13 no.4，p78～83．
[31] 张耀魁．土工格栅在加筋陡边坡路堤方面的应用[J]．第二届全国土工合成材料学术会议论文选集，1990，P361～365．
[32] 刘祖德，陆士强、王钊．土工织物加筋陡坡的极限平衡设计[J]．第二届全国土工合成材料学术会议论文选集，1990．P283～288．
[33] 陆士强，王钊，刘祖德．土工合成材料应用原理[M]．水利电力出版社，1994．
[34] 马时冬，王吉力．加筋砂的三轴试验和小型载荷试验[J]．地基处理Vol.3(2)，1992年，P17-24．
[35] 李咸亨，陈舜田等．柔性加劲材拉出行为之完全非线性有限元分析[J]．岩土工程学报，Vol.18(6).P10-17．
[36] 陈环，邓卫东．土工织物加筋堤坝的非线性有限元分析[J]．第二届全国土工合成材料学术会议论文选集，1990．P289～295．
[37] 陈荣河，李怡先．地工织物与土壤互制作用之初步研究[J]．第五届大地工程研讨会论文集，福隆，19-27(1993)
[38] 李佳川，陈禄生．加筋土挡墙的有限元分析[M]．第四界全国岩土力学数值分析与解析方法讨论会论文集，1991．4．泰安．
[39] 保华富，周亦唐等．聚合物土工格栅加筋碎土试验研究[J]．岩土工程学报，Vo.l21.No.2,1999年3月．
[40] 王铁儒，魏新江，土工织物垫层变形的双参数法分析[J]，第二届全国土工合成材料学术会议论文选集，1990，P329～336．
[41] 王正宏，扎卡尼亚．网片加筋土工程性质试验研究[J]．第二届全国土工合成材料学术会议论文选集，1990年，P419～423．
[42] 王正宏，包承纲、李广信．土工合成材料的加筋作用及其分析计算[J]．地基处理Vol.3(1)．1992年，P1-10．
[43] 李广信，魏弋峰，土工织物在土中沿不同角度的拉拔试验及加筋土的稳定分析[J]．地基处理Vol.3(1)．1992年，P51-61．
[44] R.C.Gomes,E.M.Palmeira,D.Lanz. 加筋墙模型在不同荷载条件下的破坏与变形机理[J]．地基处理Vol.6(2)．1995年，P44-54．
[45] 刘吉福．高路堤复合地基稳定性分析[J]．浙江大学硕士学位论文，1996年．
[46] 周虎鑫，陈荣生．《机场高填方填筑体变形有限元分析》[J]．地基处理Vol.8(1)．1997年，P27-33．
[47] 郑颖人，龚晓南．岩土塑性力学基础[M]．中国建筑工业出版社，1989年．
[48] 章根德．土的本构模型及其工程应用[M]．科学出版社，1995年．
[49] 徐日庆，龚晓南、曾国熙．土的应力应变本构关系[J]．西安公路学院学报Vol.13(3)，1993年，P46-50．
[50] 王松涛，曹资，现代地震设计方法[M]．中国建筑工业出版社，1997，6．
[51] 殷宗泽．加筋土堤的变形与稳定[J]第一届全国计算岩土力学研讨会论文集，1985年，P295-301．
[52] 马存明．土工格栅加筋材拉出特性的实验研究及其有限元分析[M]．昆明理工大学硕士论文，2001，6．
[53] 朱百里、沈珠江．计算土力学[M]．上海科学技术出版社，1990年．
[54] 钱家欢．土力学[M]．河海大学出版社，1988年．
[55] 高大钊．土力学可靠性原理[M]．中国建筑工业出版社，1989．
[56] 高宏兴．软土地基加固[M]．上海科学技术出版社，1990年．
[57] 黄文熙．土的工程性质[M]．水利电力出版社，1983年．
[58] 蒋彭年．土的本构关系[M]．科学出版社，1982年．
[59] 陈仲颐，周景星，王洪瑾．土力学[M]．清华大学出版社，1994年．
[60] 陈肇元，崔京浩．土钉支护技术在深基坑工程中的应用[M]，中国建筑工业出版社，1997，8．
[61] 宋雅桐，朱继澄．满足规范设计谱的人造地震波及若干结构反应[M]．建筑结构学报，1983，3．
[62] 廖振鹏，魏颖．设计地震加速度的合成[J]．地震工程与工程振动，1988，1．
[63] 王亚勇．结构抗震设计时程分析法中地震波的选择[J]．工程抗震，1988，4．
[64] 宋雅桐．人造地震波的研究[J]，南京工学院学报，1980，2．
[2] Gregory N. Richardson and Kenneth L. Lee, "Seismic Design of Reinforced Earth Walls", Journal of the Geotechnical Engineering Division, P1 67, GT2, Feb. 1975
[3] Gregory N. Richardson and Kenneth L. Lee, "Seismic Testing of Reinforced Earth Walls", Journal of the Geotechnical Engineering Division, P.1, GT1, Jan.1977
[4] J. C. Chang, "Finite Element Analysis of Reinforced Earth Walls", Journal of the Geotechnical Engineering Division, P711-724,GT7, July. 1977
[5] H. Bolton Seed, John Lysmer, "Soil-Structure Interaction Analyses For Seismic Response", Journal of the Geotechnical Engineering Division, P439, GT5, May. 1975
[6] Bourdeau,P.L., Han,M.E. and Holty,R.D.. "Soil-Fabric Interaction-A Analytical Model". Second International Conference on Geotextiles. Las,Vegas,U.S.A. ,1982
[7] Andrawes,K.L. and Mcgocun,A. , Wilson Fahmy,R.F. and Mashhour,M.M.. "The Finite Element Method of Analysis Applied to Soil-Geotextiles Systems". Second International Conference on Geotextiles. Las,Vegas,U.S.A. ,1982 .
[8] Gryczmanski,M. and Sekouski,J.. "A Composite Theory Application for Analysis of Stresses in a Subsoil Reinforced by Geotextiles". Third International Conference on Geotextiles. Vienna, Austria, 1986．
[9] Mahmound,F.F. and Mashhour,M.M.. "An Elastoplastic Finite Element for the Analysis of Soil-Geotextiles Systems ". Third International Conference on Geotextiles. Vienna, Austria, 1986 .
[ 10] Zhong Chun Ouyang. "26m Height Reinforced Soil Quaywall Design and Full Scale Test ". International Geotechnical Symposium on Theory and Practice of Earth Reinforcement. FuKuoKa,Japan,1988． P599-644．
[11] Kutara, K. . "Deformation Analysis of Geotextiles In Soils Using the Finite Element Method". Geotextiles and Geomembranes . 1986(4) , P191-205 .
[12] Collios,A.,"Experiments on soil Reinforcement Designed Against Pull-out".The use of Geotextiles for soil Improvement,ASCE National Convention Portland, Oregon, pp.75-87(1980)
[13] Miyamori,T.,"Friction Characteristics of Non-Woven Fabrics",Third international Conference on Geotextiles,Vol.3,Vienna,Austria,pp.
[14] Gregory N. Richardson and Kenneth L. Lee, "QUAD-4,A computer program for evaluating the seismic response of soil-structures by varible damping finite element procedure", Califonia Univercity, PB-229,424,NTIS.
[15] Juran,I.,Knochenmus,G.,Acar, Y.B.,and Armen,A., "Pull-out Response of Geotextiles and Geogrid",Geosynthetics for Soil Improvement,Geotechnical Special Publication No. 18,New York,pp.92-111(1998)
[16] 加筋土挡墙设计与施工手册[M]．国铁结构物设计事务所，日本．
[17] 干田吕平．加筋土挡墙设计施工指南(草案)[M]．土木研究所，日本，1981．
[18] 金应春．地震作用下加筋土挡墙内部稳定性计算[M]．全国第三次加筋土学术会议论文集，中国，1990．
[19] 介玉新，李广信．纤维加筋土的新算法[J]．工程力学，1999,Vol.16No.3,P81-89．
[20] 孙钧，迟景魁，曹正康，施建勇．新型土工材料与工程整治[M]．北京：中国建筑工业出版，1998．1-12．
[21] 赵川，塑料土工格栅加筋碎石土强度及其应力应变特性的试验研究[M]．硕士论文．昆明：云南工业大学，1998．
[22] 王俊林．土工织物加筋土三轴试验研究[J]．首届全国岩土力学与工程青年工作者学术讨论会论文集，杭州：1992．235-238
[23] 钱家欢，殷宗泽．土工原理与计算[M]．北京：中国水利水电出版社，1996．44-105．
[24] 龚晓南，叶黔元，徐日庆．工程材料本构方程[M]．北京：中国建筑工业出版社，1995．63-68
[25] 朱伯芳．有限元法原理与应用[M]．中国水利水电出版社，1998，10，第二版．
[26] 研究报告．水土保持用聚酯编织物加筋材料开发与辅导[M]，台湾工业技术研究院，1995．6．
[27] 研究报告，公路织物挡土墙的性能及应用研究[M]，昆明理工大学,2000年12月．
[28] 喻泽红，张起森．土工网与土相互作用机理的有限元分析[J]．岩土工程学报，1997(3)，P76～82．
[29] 王钊．土工织物加筋土坡的分析和模型试验[J]．第二届全国土工合成材料学术会议论文选集．1990，P289～295
[30] 石名磊，姚代禄．加筋土支挡结构数值分析研究[J]．重庆交通学院学报，1994，Vol.13 no.4，p78～83．
[31] 张耀魁．土工格栅在加筋陡边坡路堤方面的应用[J]．第二届全国土工合成材料学术会议论文选集，1990，P361～365．
[32] 刘祖德，陆士强、王钊．土工织物加筋陡坡的极限平衡设计[J]．第二届全国土工合成材料学术会议论文选集，1990．P283～288．
[33] 陆士强，王钊，刘祖德．土工合成材料应用原理[M]．水利电力出版社，1994．
[34] 马时冬，王吉力．加筋砂的三轴试验和小型载荷试验[J]．地基处理Vol.3(2)，1992年，P17-24．
[35] 李咸亨，陈舜田等．柔性加劲材拉出行为之完全非线性有限元分析[J]．岩土工程学报，Vol.18(6).P10-17．
[36] 陈环，邓卫东．土工织物加筋堤坝的非线性有限元分析[J]．第二届全国土工合成材料学术会议论文选集，1990．P289～295．
[37] 陈荣河，李怡先．地工织物与土壤互制作用之初步研究[J]．第五届大地工程研讨会论文集，福隆，19-27(1993)
[38] 李佳川，陈禄生．加筋土挡墙的有限元分析[M]．第四界全国岩土力学数值分析与解析方法讨论会论文集，1991．4．泰安．
[39] 保华富，周亦唐等．聚合物土工格栅加筋碎土试验研究[J]．岩土工程学报，Vo.l21.No.2,1999年3月．
[40] 王铁儒，魏新江，土工织物垫层变形的双参数法分析[J]，第二届全国土工合成材料学术会议论文选集，1990，P329～336．
[41] 王正宏，扎卡尼亚．网片加筋土工程性质试验研究[J]．第二届全国土工合成材料学术会议论文选集，1990年，P419～423．
[42] 王正宏，包承纲、李广信．土工合成材料的加筋作用及其分析计算[J]．地基处理Vol.3(1)．1992年，P1-10．
[43] 李广信，魏弋峰，土工织物在土中沿不同角度的拉拔试验及加筋土的稳定分析[J]．地基处理Vol.3(1)．1992年，P51-61．
[44] R.C.Gomes,E.M.Palmeira,D.Lanz. 加筋墙模型在不同荷载条件下的破坏与变形机理[J]．地基处理Vol.6(2)．1995年，P44-54．
[45] 刘吉福．高路堤复合地基稳定性分析[J]．浙江大学硕士学位论文，1996年．
[46] 周虎鑫，陈荣生．《机场高填方填筑体变形有限元分析》[J]．地基处理Vol.8(1)．1997年，P27-33．
[47] 郑颖人，龚晓南．岩土塑性力学基础[M]．中国建筑工业出版社，1989年．
[48] 章根德．土的本构模型及其工程应用[M]．科学出版社，1995年．
[49] 徐日庆，龚晓南、曾国熙．土的应力应变本构关系[J]．西安公路学院学报Vol.13(3)，1993年，P46-50．
[50] 王松涛，曹资，现代地震设计方法[M]．中国建筑工业出版社，1997，6．
[51] 殷宗泽．加筋土堤的变形与稳定[J]第一届全国计算岩土力学研讨会论文集，1985年，P295-301．
[52] 马存明．土工格栅加筋材拉出特性的实验研究及其有限元分析[M]．昆明理工大学硕士论文，2001，6．
[53] 朱百里、沈珠江．计算土力学[M]．上海科学技术出版社，1990年．
[54] 钱家欢．土力学[M]．河海大学出版社，1988年．
[55] 高大钊．土力学可靠性原理[M]．中国建筑工业出版社，1989．
[56] 高宏兴．软土地基加固[M]．上海科学技术出版社，1990年．
[57] 黄文熙．土的工程性质[M]．水利电力出版社，1983年．
[58] 蒋彭年．土的本构关系[M]．科学出版社，1982年．
[59] 陈仲颐，周景星，王洪瑾．土力学[M]．清华大学出版社，1994年．
[60] 陈肇元，崔京浩．土钉支护技术在深基坑工程中的应用[M]，中国建筑工业出版社，1997，8．
[61] 宋雅桐，朱继澄．满足规范设计谱的人造地震波及若干结构反应[M]．建筑结构学报，1983，3．
[62] 廖振鹏，魏颖．设计地震加速度的合成[J]．地震工程与工程振动，1988，1．
[63] 王亚勇．结构抗震设计时程分析法中地震波的选择[J]．工程抗震，1988，4．
[64] 宋雅桐．人造地震波的研究[J]，南京工学院学报，1980，2．