h型抗滑桩的有限元分析
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摘要
膨胀土边坡失稳是膨胀土地区一种最常见的斜坡变形现象,产生的病害对工程建设有着巨大的危害和影响,膨胀土边坡的稳定性分析和整治是岩土工程界最为棘手的问题之一。本文以牧马山膨胀土滑坡为例,采用非线性有限元法,考虑膨胀力等因素的作用。通过计算坡体的应力与应变,分析边坡变形过程和潜在滑动面。
h型抗滑桩能够有效地抑止膨胀土边坡裂隙的扩展和发展,阻止边坡体的变形。自上个世纪70年代首创并应用,从80年代末90年代初,人们认识到地基与基础的相互作用以来,在抗滑桩的设计理论和方法研究中开始注意桩土相互作用的分析和研究,但对h型抗滑桩的研究远不如单桩成熟。
为了研究沉埋式h型抗滑桩在膨胀土边坡加固过程中的受力情况以便取得合理的抗滑桩结构组合尺寸,采用了大型有限元软件ANSYS分析h型抗滑桩加固膨胀土边坡。数值分析及结果表明,沉埋式h型抗滑桩在不同的尺寸参数取值下抗滑桩受力和变形有很大的不同,所以在滑坡治理中要采取不同的抗滑桩尺寸设计参数,为工程和设计优化提供参考。
有限元法的突出优点是适于处理非线性、非均质和复杂边界等问题,应用于本工程的优点在于可以考虑地层特性,局部变形对边坡稳定性的影响,桩、土体的接触效应。本学位论文研究成果对“本工程”有指导意义,对相关工程有参考和借鉴作用。
Expansive soil slope failure is the most common phenomenon of soil slope's deformation in expansive soil area, and its malady will do great harm to engineering. The analysis of expansive soil slope failure is one of the most difficulty problems in geotechnical engineering. This paper takes the engineering of Muma hill expansive soil landside for example, which adopted nonlinear finite element method and considered such factors as expansive force. Slope deformation process and latent slide face are analyzed by calculating the stress and strain of the slope.
H-type anti-slide pile is a way to reinforce the slope of expansive soil, which can effectively restrain crack's expansion and development, as well as stop slope's deformation. h-type anti-slide pile is designed and applied in the 1970s. Since the late 1980s and the early 1990s when people realized the interaction between the foundation and the soil, the design theory and method of anti-slide pile have begun to emphasize on analyzing and studying the effect of the pile and the soil. But the study of the h-type anti-slide pile is less mature than that of the single type anti-slide pile.
The finite element software ANSYS is used to analyze the reinforcement of slope of expansive soil and research the force state of sunken h-type slide-resistant pile in the process of reinforcement of slope of expansive soil, so as to get reasonable slide-resistant structure combination dimension. The numerical analysis and results show that force states of slide-resistant piles are greatly different under different dimension parameter. Therefore, different anti-slide pile dimension parameter should be adopted under slope renovations to provide references for projects and design optimization.
The merit of finite element method is that it is fit for dealing with nonlinear finite element, non-homogeneous and complicated boundary problems, which can consider stratum characteristics, effects of local deformation on slope stability and the contact effect of pile and soil. The research results of this thesis have guiding significance on "this project" and provide references for other relevant projects.
h型抗滑桩能够有效地抑止膨胀土边坡裂隙的扩展和发展,阻止边坡体的变形。自上个世纪70年代首创并应用,从80年代末90年代初,人们认识到地基与基础的相互作用以来,在抗滑桩的设计理论和方法研究中开始注意桩土相互作用的分析和研究,但对h型抗滑桩的研究远不如单桩成熟。
为了研究沉埋式h型抗滑桩在膨胀土边坡加固过程中的受力情况以便取得合理的抗滑桩结构组合尺寸,采用了大型有限元软件ANSYS分析h型抗滑桩加固膨胀土边坡。数值分析及结果表明,沉埋式h型抗滑桩在不同的尺寸参数取值下抗滑桩受力和变形有很大的不同,所以在滑坡治理中要采取不同的抗滑桩尺寸设计参数,为工程和设计优化提供参考。
有限元法的突出优点是适于处理非线性、非均质和复杂边界等问题,应用于本工程的优点在于可以考虑地层特性,局部变形对边坡稳定性的影响,桩、土体的接触效应。本学位论文研究成果对“本工程”有指导意义,对相关工程有参考和借鉴作用。
Expansive soil slope failure is the most common phenomenon of soil slope's deformation in expansive soil area, and its malady will do great harm to engineering. The analysis of expansive soil slope failure is one of the most difficulty problems in geotechnical engineering. This paper takes the engineering of Muma hill expansive soil landside for example, which adopted nonlinear finite element method and considered such factors as expansive force. Slope deformation process and latent slide face are analyzed by calculating the stress and strain of the slope.
H-type anti-slide pile is a way to reinforce the slope of expansive soil, which can effectively restrain crack's expansion and development, as well as stop slope's deformation. h-type anti-slide pile is designed and applied in the 1970s. Since the late 1980s and the early 1990s when people realized the interaction between the foundation and the soil, the design theory and method of anti-slide pile have begun to emphasize on analyzing and studying the effect of the pile and the soil. But the study of the h-type anti-slide pile is less mature than that of the single type anti-slide pile.
The finite element software ANSYS is used to analyze the reinforcement of slope of expansive soil and research the force state of sunken h-type slide-resistant pile in the process of reinforcement of slope of expansive soil, so as to get reasonable slide-resistant structure combination dimension. The numerical analysis and results show that force states of slide-resistant piles are greatly different under different dimension parameter. Therefore, different anti-slide pile dimension parameter should be adopted under slope renovations to provide references for projects and design optimization.
The merit of finite element method is that it is fit for dealing with nonlinear finite element, non-homogeneous and complicated boundary problems, which can consider stratum characteristics, effects of local deformation on slope stability and the contact effect of pile and soil. The research results of this thesis have guiding significance on "this project" and provide references for other relevant projects.
引文
[1]刘良志.非饱和膨胀土边坡稳定分析方法.工程力学[J],2000,(增刊),395-399
[2]Bin Shi,Hongtao Jiang,Zhibin Liu,H.Y.Fang.Engineering geological characteristics of expansive soils in China[J].Engineering Geology,2002,67:63-71.
[3]铁道部第二勘察设计院.抗滑桩设计与计算[M].北京:中国铁道出版社,1983
[4]李海光等.新型支挡结构设计与工程实例[M].北京:人民交通出版社.2004
[5]Holtz W G,Gibba H J.Engineemg properties of expansive clays[J].proceedings ASCE,1954,80
[6]徐伟.西汉高速公路膨胀土边坡加固技术研究[D].长安大学研究生硕士学位论文,2006
[7]李妥德,赵中秀.矿碴复合料改良膨胀土的工程性质[J].岩土工程学报,1993,15(5)
[8]李秉生,韩会增,唐永富.用判别分析方法进行膨胀土路堑边坡稳定分析与设计[J].西南交通大学学报,1988,(70)
[9]廖济川,陶太江.膨胀土工程特性对开挖边坡稳定性的影响[J].工程勘察,1994,(4)
[10]李伟.非饱和膨胀土边坡稳定性渐进破坏极限平衡分析方法[J].路基工程,2000,(90)
[11]秦禄生,郑健龙.膨胀土路基边坡雨季失稳破坏机理的应力应变分析[J].中国公路学报,2001,14(1)
[12]杨和平,郑健龙.云南楚大公路膨胀土的土性试验研究[J].中国公路学报,2002,15(1)
[13]徐伟.西汉高速公路膨胀土边坡加固技术研究[D].长安大学研究生硕士学位论文,2006
[14]闵顺南.徐凤鹤.施溶溪椅式抗滑桩墙的研究[A].滑坡文集(第三集)[C].中国铁道出版社,1982
[15]徐凤鹤.王金生.罗依溪抗滑刚架桩的设计与施工[A].滑坡文集(第六集)[C]. 中国铁道出版社,1988
[16]蒋楚生.椅式抗滑桩的内力计算[J],路基工程,2004,112(1):57-59.
[17]徐良德.项瑛等.排架桩与双排单桩对比模型试验[A].滑坡文集(第六集)[c].中国铁道出版社,1988
[18]闵顺南.袁建国.悬臂式刚架抗滑桩试验研究[A].滑坡文集(第七集)[C].中国铁道出版社,1990
[19]何颐华等.双排护坡桩试验与计算的研究[J].建筑结构学报,1996,17(2).
[20]郑刚.李欣.刘畅等.考虑桩土相互作用的双排桩分析[J].建筑结构学报,2004,25(1):99-106.
[21]吴道忠等.排架抗滑桩设计总结[A].滑坡文集(第三集)[C].中国铁道出版社,1982
[22]赵海玲.h形抗滑桩的变形性状研究[D].四川大学硕士学位论文,2005
[23]马青力.h型桩板墙桩土相互作用数值分析[D].成都理工大学硕士学位论文,2006
[24]成都双流维也纳森林公园滑坡勘察报告.四川省地勘院,2004.7
[25]郑颖人.赵尚毅.用有限元强度折减法求边(滑)坡支挡结构的内力[J].岩石力学与工程学报,2004,23(20):3552-3558.
[26]Griffiths D V,Lane P A.Slope stability analysis by finite elements [J].Geotechnique,1999,49(3):387-403
[27]郑颖人,赵尚毅,张鲁渝.有限元强度折减法在岩坡和土坡中的应用[[A].见:中国岩石力学与工程学会.中国岩石力学与工程学会第七次学术大会论文集[C].[s.1.]:[s.n.],2002,39-41.
[28]赵尚毅,郑颖人,时卫民等.用有限元强度折减法求边坡稳定安全系数[J].岩土工程学报,2002,24(3):343-346
[29]朱伯芳.有限单元法原理与应用(第二版)[M].北京:中国水利水电出版社.1998
[30]Clough R W.The finite elemellt method in Plane stress analysis.Proc.Znd ASCE Conference on Electronic ComPutation.Pittsburgh,PA.,345-378,SePt.
[31]Ansys非线性分析指南[M].Ansys中国分公司,2000
[32]王德人.非线性方程组解法与最优方法[M].北京:人民教育出版社,1979
[33]华东水利学院,土工原理与计算(上册)[M].北京:水利出版社,1980
[34].毕继红,王晖.工程弹塑性力学[M].天津:天津大学出版社,2003
[35]李亚智,赵美英,万小朋.有限元法基础与程序设计[M].北京:科学出版社,2004
[36]王勖成.有限单元法[M].北京:清华大学出版社,2003
[37]郝文化等.ANSYS土木工程应用实例[M].北京:中国水利水电出版社.2005
[38]王丽晋,顾理生,任志国.ANSYS实体建模与直接建模方法比较[J].国防交通工程与技术.2005,(4)
[39]李皓月,周田朋,刘相新.ANSYS工程计算应用教程[M].北京:中国铁道出版社2003
[40]中华人民共和国国家标准《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2002);
[41]中华人民共和国国家标准《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2001);
[42]中华人民共和国行业标准《铁路路基支挡结构设计规范》(TB 10025-2001)。
[43]韩春秀,董羽蕙.用ANSYS软件分析不同岩土工程问题的若干思考[J].四川建筑科学研究.2007,33(1)
[44]李婉.南宁地区软岩嵌岩桩的ANSYS计算机模拟[D].广西大学研究生硕士学位论2001
[45]任重.ANSYS实用分析教程[M].北京:北京大学出版社,2003
[46]博嘉科技编著.有限元分析软件—ANSYS融会与贯通[M].北京:中国水利水电出版社,2002
[47]龚曙光.ANSYS基础应用及范例解析[M].北京:机械工业出版社,2003
[48]谭波,杨和平.有限元强度折减法在膨胀土路堑滑坡分析中的应用[J].公路.2006,(4)
[49]张奕淦.用ANSYS分析钢筋混凝土梁的应力[J].广东科技,2005,(7)
[50]富海鹰,何昌荣,陈群.预应力锚拉式桩板墙的二维有限元计算[J].西南交通大学学报,2003,38(4)
[51]许春兰.抗滑桩桩基性状的研究分析[D].广西大学研究生硕士学位论文,2001
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[39]李皓月,周田朋,刘相新.ANSYS工程计算应用教程[M].北京:中国铁道出版社2003
[40]中华人民共和国国家标准《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2002);
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[42]中华人民共和国行业标准《铁路路基支挡结构设计规范》(TB 10025-2001)。
[43]韩春秀,董羽蕙.用ANSYS软件分析不同岩土工程问题的若干思考[J].四川建筑科学研究.2007,33(1)
[44]李婉.南宁地区软岩嵌岩桩的ANSYS计算机模拟[D].广西大学研究生硕士学位论2001
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[46]博嘉科技编著.有限元分析软件—ANSYS融会与贯通[M].北京:中国水利水电出版社,2002
[47]龚曙光.ANSYS基础应用及范例解析[M].北京:机械工业出版社,2003
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[51]许春兰.抗滑桩桩基性状的研究分析[D].广西大学研究生硕士学位论文,2001