土工数值方法分析加筋边坡等土体稳定问题的研究

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土坡稳定分析是土力学的经典课题。建立在极限平衡理论基础上的极限平衡法是工程上最早采用和最广泛应用的稳定性分析方法,人们对之已积累了丰富可靠的经验,但这一方面也存在需要进一步研究和完善的问题。目前随着我国公路建设规模的扩大,经常要在软土地基上修筑路堤。排水固结法和土工格栅加筋是处理堤坝软基的行之有效的方法。但目前土工合成材料加筋加固的机理还不十分明确,理论研究仍落后于工程实践。本文严格按照工程力学概念和土体极限平衡原理,推导了土体破坏时满足静力平衡条件和土体屈服条件的力的平衡方程和力矩平衡方程,进而讨论了极限平衡问题的解题方法。给出了均质土坡稳定、加筋边坡和地基破坏的承载力计算公式的一般分析方法。对于对数螺旋型滑动面,验证了安全系数的精确计算公式。给出了土体应力场破坏的力学概念并推导了方程式,并运用水平条分法和平面—对数螺旋面组合滑动面讨论了土压力计算。由于极限平衡理论在分析土体稳定问题时假设土体为刚性体或刚塑性体,不能给出土体的变形。本文又采用弹塑性有限元方法对一加筋路堤进行分析,土体采用Mohr-Coulomb模型,土工格栅采用弹性模型,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,并在土与加筋材料的接触面处设置了接触面单元,以模拟土与加筋材料的相互作用特性。通过对比路堤在加筋和不加筋两种情况下的沉降大小、不均匀沉降的分布、侧向位移以及土体中的应力水平,指出了加筋能够减小路堤的沉降量、不均匀沉降和侧向位移,提高整体稳定性,减少路堤的变形发展。并分析讨论了筋材的模量和土与土工格栅界面摩擦系数对加筋效果的影响。采用弹塑性有限元方法分析研究了土工格栅与桩基础联合加固软土地基以及塑料排水板和土工格栅加筋加固软基的效果和机理,分析对比了不使用排水板和使用排水板两种情况下软基中超静孔隙水压力的消散程度,地基沉降量,从而计算出不同时刻地基土的固结度,从而指出了塑料排水板能够加速路基的固结,缩短软土层的压缩排水时间,提高路基的抗剪强度。计算结果和相应的结论对工程设计、施工有一定的参考价值。
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