CN111353254A - 一种基于有限元强度折减法的边坡支护结构设计方法 - Google Patents

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CN111353254A CN202010255824.9A CN202010255824A CN111353254A CN 111353254 A CN111353254 A CN 111353254A CN 202010255824 A CN202010255824 A CN 202010255824A CN 111353254 A CN111353254 A CN 111353254A
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沈志平
余能彬
陈德茂
杨振杰
朱军
吴斌
付君宜
王鸿
靳颜宁
刘慧�
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Abstract

本发明公开了一种基于有限元强度折减法的边坡支护结构设计方法，它包括：步骤1、确定支护结构形式，确定支护结构尺寸及布置；步骤2、建立支护结构边坡有限元模型，支护结构采用弹性本构的结构单元进行模拟，根据边坡工程安全等级确定边坡安全系数Fs，获得有限元模型中折减后的土体粘聚力c折减和内摩擦角
Figure DDA0002437271840000011
步骤3、对有限元模型进行弹塑性静力分析获得各个支护结构的内力，根据内力进行支护结构设计；解决了现有边坡支护结构设计方法未考虑变形协调以及需要假定外力分布形式的不足。

Description

一种基于有限元强度折减法的边坡支护结构设计方法
技术领域
本发明属于支护结构设计技术，尤其涉及一种基于有限元强度折减法的边坡支护结构设计方法。
背景技术
边坡支护结构设计方法通常采用荷载—结构的设计思路，即先计算出支护结构上的外力如主动土压力、剩余下滑力等，然后将计算所得外力施加在支护结构上进行支护结构内力分析，最后通过所得内力进行支护结构设计。上述过程中有以下3方面的不足：(1)荷载—结构的设计思路没有考虑支护结构与土之间的变形协调，计算获得的支护结构变形并不真实；(2)计算所得外力施加在支护结构时通常需要假定其分布形式，假定的分布形式不一定符合实际分布；(3)对支护结构的嵌岩部分如抗滑桩，也需要假定其嵌岩部分的外力分布形式，该假定分布形式同样不一定符合实际分布。如何解决边坡支护结构设计存在以上不足，是岩土工程中需要解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于有限元强度折减法的边坡支护结构设计方法，以解决现有边坡支护结构设计方法未考虑变形协调以及需要假定外力分布形式等不足。
本发明的技术方案是：
一种基于有限元强度折减法的边坡支护结构设计方法，它包括：
步骤1、确定支护结构形式，确定支护结构尺寸及布置；
步骤2、建立支护结构边坡有限元模型，支护结构采用弹性本构的结构单元进行模拟，根据边坡工程安全等级确定边坡安全系数Fs，获得有限元模型中折减后的土体粘聚力c折减和内摩擦角
Figure BDA0002437271820000021
步骤3、对有限元模型进行弹塑性静力分析获得各个支护结构的内力，根据内力进行支护结构设计。
它还包括步骤4、设计出的支护结构如果无法满足技术要求，则返回步骤1重新确定支护结构形式、尺寸及布置，继续执行步骤2和3直至支护结构设计满足技术要求。
土体粘聚力c折减和内摩擦角
Figure BDA0002437271820000022
的计算公式为：
Figure BDA0002437271820000023
Figure BDA0002437271820000024
式中，c为土体粘聚力；
Figure BDA0002437271820000025
为土体内摩擦角。
本发明有益效果：
本发明将有限元强度折减法引入到边坡支护结构的设计方法中，将边坡土体强度参数按照所需达到的安全系数先行折减，再进行弹塑性静力分析，解决了现有边坡支护结构设计方法未考虑变形协调以及需要假定外力分布形式的不足。
附图说明：
图1为本发明流程示意图；
图2为本发明具体实施方式中支护结构边坡有限元模型图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于有限元强度折减法的边坡支护结构设计方法，它包括：
步骤1、确定支护结构形式，确定支护结构尺寸及布置；
步骤2、建立支护结构边坡有限元模型，支护结构采用弹性本构的结构单元进行模拟，根据边坡工程安全等级确定边坡安全系数Fs，获得有限元模型中折减后的土体粘聚力c折减和内摩擦角
Figure BDA0002437271820000031
步骤3、对有限元模型进行弹塑性静力分析获得各个支护结构的内力，根据内力进行支护结构设计。
它还包括步骤4、设计出的支护结构如果无法满足技术要求，则返回步骤1重新确定支护结构形式、尺寸及布置，继续执行步骤2和3直至支护结构设计满足技术要求。
土体粘聚力c折减和内摩擦角
Figure BDA0002437271820000032
的计算公式为：
Figure BDA0002437271820000033
Figure BDA0002437271820000034
式中，c为土体粘聚力；
Figure BDA0002437271820000035
为土体内摩擦角。
其具体实施过程如下：
步骤一：对某边坡进行支护设计，确定支护结构为两排锚索配合抗滑桩进行支护，初步确定抗滑桩为圆形钢筋混凝土桩，横向间距3m，锚索钻孔孔径为0.15m，横向间距3m，上下两排间距3m，锚固段长度不小于6m。
步骤二：建立支护结构边坡有限元模型如图2所示，支护结构采用弹性本构的结构单元进行模拟，根据边坡工程安全等级确定边坡安全系数Fs＝1.30，土体粘聚力c＝31kPa，内摩擦角
Figure BDA0002437271820000041
通过下列公式获得有限元模型中折减后的土体粘聚力c折减＝23.85，内摩擦角
Figure BDA0002437271820000042
支护结构边坡有限元模型材料参数见表1。
Figure BDA0002437271820000043
Figure BDA0002437271820000044
表1支护结构边坡有限元模型材料参数
Figure BDA0002437271820000045
步骤三：对步骤二中的有限元模型进行弹塑性静力分析，计算得到抗滑桩桩身最大剪力1294kN、桩身最大弯矩2467kN·m、锚索最大轴力2258kN、桩顶水平位移52.4mm。
步骤四：步骤三中的锚索轴力过大，难以进行锚索钢绞线设计，将抗滑桩及锚索横向间距由3m调整为2m，对有限元模型重新进行弹塑性静力分析，此时抗滑桩桩身最大剪力876kN，桩身最大弯矩1746kN·m，锚索最大轴力1499kN，桩顶水平位移50.6mm，根据此时支护结构内力进行设计。

Claims (3)

1.一种基于有限元强度折减法的边坡支护结构设计方法，它包括：
步骤1、确定支护结构形式，确定支护结构尺寸及布置；
步骤2、建立支护结构边坡有限元模型，支护结构采用弹性本构的结构单元进行模拟，根据边坡工程安全等级确定边坡安全系数Fs，获得有限元模型中折减后的土体粘聚力c折减和内摩擦角
Figure FDA0002437271810000013
步骤3、对有限元模型进行弹塑性静力分析获得各个支护结构的内力，根据内力进行支护结构设计。
2.根据权利要求1所述的一种基于有限元强度折减法的边坡支护结构设计方法，其特征在于：它还包括步骤4、设计出的支护结构如果无法满足技术要求，则返回步骤1重新确定支护结构形式、尺寸及布置，继续执行步骤2和3直至支护结构设计满足技术要求。
3.根据权利要求1所述的一种基于有限元强度折减法的边坡支护结构设计方法，其特征在于：
土体粘聚力c折减和内摩擦角
Figure FDA0002437271810000014
的计算公式为：
Figure FDA0002437271810000011
Figure FDA0002437271810000012
式中，c为土体粘聚力；
Figure FDA0002437271810000015
为土体内摩擦角。
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