Применение конститутивной модели повреждений к анализу устойчивости сваи-откоса
Цзянь-Хун Цзян 1,2, Си-Лун Хуан 2*, Сяо-Жуй Шу 1, Сяо Нин 1, Ян Цюй 3 и Вэй-Линь Сюн 2
- 1 Shandong Provincial Communications Planning and Design Institute Group Co., Ltd., Цзинань, Китай
- 2 Кафедра геотехнической инженерии, Школа гражданского строительства, Юго-Западный университет Цзяотун, Чэнду, Китай
- 3 Школа транспорта Цилу, Шаньдунский университет, Цзинань, Китай
В традиционном численном моделировании сваи рассматривались как упругие материалы. Эластичная свая не отражала бы инженерные повреждения сваи, что привело бы к неправильной оценке усиливающего эффекта свай на склонах. Конкретная цель этого исследования заключалась в том, чтобы предложить определяющую модель повреждения для замены традиционной упругой определяющей модели в численном анализе устойчивости сваи-откоса. В этом исследовании свая была смоделирована с помощью определяющей модели повреждения, которая может отражать пластическую деформацию сваи. Факторы положения сваи и коэффициента армирования на запас прочности откоса (FOS) исследуются методом конечных разностей с использованием FLAC3D. Боковое смещение, изгибающий момент, поперечная сила и давление грунта сбалансированно-армированных свай используются для изучения различий между моделями разрушения и упругими конститутивными моделями. Результаты показали, что FOS с учетом конститутивной модели повреждения может быть меньше, примерно на 15% меньше, чем с учетом эластичной конститутивной модели при определенных условиях. Кроме того, разница между двумя результатами оценки внутренней силы одной и той же сваи может достигать около 30 %. Было замечено, что упругая конститутивная модель будет переоценивать эффект армирования сваи на склоне, что вызовет потенциальную угрозу безопасности при проектировании. Это исследование обеспечивает реалистичную конститутивную модель повреждения для проектирования и оценки свай, стабилизирующих склон.
Введение
Из-за сложных географических и геоморфологических условий в Китае большое количество естественных склонов. Кроме того, многие инженерные уклоны вызваны проектами добычи полезных ископаемых, строительства автомагистралей, метро, железных дорог и гидроэнергетики в Китае (Chen et al., 2016). Оползневая катастрофа на неустойчивых склонах является одной из самых серьезных проблем в геотехнической инженерии (Bai et al., 2022). Для укрепления откосов разработано значительное количество технологий (Bai et al., 2021). Сан и др. (2010) указали, что дренажные туннели вносят значительный вклад в борьбу с оползнями из-за падения уровня подземных вод. Обширные исследования показали, что естественную устойчивость откосов можно значительно повысить с помощью различных технологий армирования, включая анкерные сваи, консольные сваи, предварительно напряженные анкерные тросы, анкерные болты, предварительное уплотнение цементным раствором и дренажные отверстия в дне (Rahardjo et al., 2003). ; Jiang et al., 2015; Bai et al., 2019; Yan et al., 2019; Zheng et al., 2019; Chen et al., 2021; Xu and Xuang, 2021). За последние 30 лет мы стали свидетелями все более быстрого развития откосов, армированных сваями. Исследователи рассматривали армирование сваями как жизненно важную технологию стабилизации откосов, такую как преимущество более низкой стоимости, ограниченного использования земли и высокой адаптируемости в инженерии (Lin et al., 2018; Qu et al., 2018; Huang et al., 2020). ).
Последние тенденции в математике и информатике привели к распространению исследований по численной оценке устойчивости свайно-армированных откосов. Большинство исследователей исследовали взаимодействие сваи и грунта под действием поперечной нагрузки с помощью программного обеспечения для анализа методом конечных элементов, такого как FLEX 3D (Martin and Chen, 2005), ABAQUS (Gu et al., 2014) и ANSYS (Bakri et al., 2014). Cai и Ugai (2000) использовали трехмерный метод конечных элементов для снижения прочности на упругопластический сдвиг, чтобы продемонстрировать, что сваю следует устанавливать в середине склона. Одно исследование Jeong et al. (2003) показали, что оценка откосов, армированных сваями, более консервативна при несвязанном анализе, чем при совместном анализе. Ченг и Джеремик (2009) представили полностью связанную динамическую формулу конечных элементов почва-вода для моделирования реакции свай в разжижаемом грунте. Сейсмическое смещение армированного сваями склона было исследовано с помощью трехмерного предельного анализа (He et al., 2015a). Стабилизированные сваями откосы под поверхностной нагрузкой были всесторонне проанализированы методом конечных разностей (Sharafi and Sojoodi, 2016). Многие недавние исследования показали, что численное моделирование может заменить эксперименты для получения точного решения (Henke, 2010; He et al., 2015b; Jamsawang et al., 2015).
Механизм разрушения сваи при боковой нагрузке сложен из-за взаимодействия многих факторов. Различные исследования оценивали влияние жесткости грунта, материала свай, диаметра свай, положения свай, расстояния между сваями, типа нагрузки и уклона откоса на устойчивость откоса (Won et al., 2005; Ashour and Ardalan, 2012; He et al., 2015c; Кавита и др., 2016). Очень важно предсказать точное взаимодействие между сваями и грунтом, а также коэффициент безопасности откосов, армированных сваями. В последнее время упоминаются два механизма разрушения сваи с поперечной нагрузкой. Свая рассматривалась как упругий или жесткий материал при первом механизме разрушения. При таком допущении можно создать достаточно большую противоскользящую силу, не вызывая разрушения сваи. Кроме того, поведение разрушения грунта можно моделировать с помощью режимов течения и коротких свай (Poulos, 1995). Разрушение сваи считалось еще одним механизмом отказа. Когда максимальное растягивающее напряжение сваи достигает предела прочности, пластическая деформация и растрескивание сваи приведут к потере устойчивости откоса. При проектировании откосов, армированных сваями, нельзя игнорировать разрушение свай. Однако для упрощения расчетов многие недавние исследователи считали сваи упругими твердыми телами при анализе устойчивости свая-откос с помощью численного моделирования (Won et al., 2005; Hassen et al., 2009; Lin et al., 2018). . Упругая свая, без учета разрушения, переоценила бы неустойчивость откоса. Кроме того, упругая конститутивная модель не точно указывала на влияние свай с разным коэффициентом армирования на устойчивость откоса. Сваи с разной степенью армирования моделировались как упругие сваи с разной жесткостью при моделировании. Однако жесткость свай внесла небольшой вклад в устойчивость склона (Lee et al., 1995). Прочность на растяжение значительно зависит от коэффициента армирования. Поэтому более реалистично и точно использовать конститутивную модель, которая может отражать предел прочности при растяжении и разрушение сваи для оценки уклона, армированного сваей.
В последние годы возрос интерес к численному моделированию разрушения свай. Комодромос и др. (2009) представили трехмерный нелинейный анализ для оценки влияния растрескивания бетона на реакцию свай при боковой нагрузке. В исследовании Ларссона и соавт. (2012) продемонстрировали, что модель пластичности разрушения бетона позволяет смоделировать развитие разрушения известково-цементных колонн с поперечной нагрузкой. Япаж и др. (2015) предложили конститутивную модель, связанную с деформационным размягчением, для объяснения зависящего от времени разрушения глубокой насыпи, армированной колоннами из цементных растворов. Чжэн и др. (2019) предложили модель пластичности при повреждении для описания поведения бетонных свай при разупрочнении, которая подтвердила, что модель пластичности при повреждении точно соответствует экспериментальным результатам испытания на трехточечный изгиб (рис. 1). Кроме того, Дай и соавт. (2022) разработали усовершенствованную модель пластичности при повреждении для имитации деградации изгибающего момента свай, стабилизирующих откос, из-за растрескивания и разрушения бетона.
Рисунок 1. Нагрузка (P) – кривая смещения из Zheng et al. (2018).
Основной целью данного исследования является установление нового подхода к анализу устойчивости сваи-откоса с учетом определяющей модели повреждения. Рисунок 2 иллюстрирует схемы анализа устойчивости откосов в текущем исследовании. Конечный другой метод, в котором рассчитывается FOS свайно-армированного откоса, был выполнен с помощью программного обеспечения FLAC3D. Свая моделировалась с помощью упругой определяющей модели и определяющей модели повреждения. Влияние положения сваи и коэффициента армирования на коэффициент безопасности склона было подробно исследовано в этом исследовании. Кроме того, реакции уравновешивающей сваи были предсказаны с помощью различных конститутивных моделей. Все результаты, полученные из определяющей модели повреждения, сравнивались с результатами, рассчитанными по упругой определяющей модели в этом исследовании. В текущем исследовании была введена определяющая модель повреждения вместо традиционной упругой модели при анализе устойчивости откоса, армированного сваями. В этом исследовании реакция свай на боковое движение грунта может стать новой точкой отсчета при проектировании и применении армирующих свай для повышения устойчивости откосов.
Рисунок 2. Схематическое изображение анализа устойчивости откосов.
Методология и теория
Конститутивное моделирование повреждений свай
Конститутивная модель повреждения может отражать разрушение и дробление свай при горизонтальном нагружении, что недоступно для традиционной упругой модели. Коэффициенты армирования свай представлены разной прочностью на растяжение. Железобетонная свая подвергается необратимому растрескиванию, когда достигает критического состояния. Конструктивная модель повреждения имитирует разрушение сваи при снижении прочности на растяжение и прочности на сдвиг. Для имитации образования трещин прочность на растяжение и модуль упругости перпендикулярно трещине устанавливаются равными нулю, когда растягивающее напряжение в зоне превышает предел прочности бетона на растяжение (Cedolin et al., 1982; Comodromos et al., 2009). ).
Кроме того, будет снижена сдвиговая прочность свай из-за перераспределения касательного напряжения по трещинам. Бетонная поверхность, пересекаемая арматурным стержнем в свае, будет подвергаться сдвиговому смещению, когда произойдет оползень. Локальное увеличение ширины трещины произойдет из-за деформации выступающих неровностей при сдвиговом смещении (Maekawa and Qureshi, 1997). Боковая дилатансия приводит к силе отрыва, на которую реагируют арматурные стержни, которая уравновешивается сжимающей силой, действующей на бетон возле стержня (Мурсия-Делсо и Бенсон Шинг, 2016). Основываясь на вышеупомянутом явлении, Тассиос и Винцелеу (1987) предложили феноменологическую модель для описания взаимосвязи между нормальными сжимающими напряжениями и напряжением в стали:
где σc – нормальное сжимающее напряжение, действующее на поверхность раздела, σs – напряжение стали, а ρ – процент армирования.
Ожидается значительная дилатансия, когда трещины в армированных сваях возникают из-за блокировки выступающих заполнителей (Millard and Johnson, 1984). Значительная дилатансия вызывает высокие растягивающие напряжения в стержнях. Именно из-за этой характеристики дилатансии сопротивление трению арматурного стержня является очевидной частью общего сопротивления сдвигу на границе трещин (Harries et al., 2012). Для получения прочности на сдвиг в армированной свае применяется модель, установленная Тассиосом и Винцелеу (1987).
где тфр,макс — максимальное напряжение сдвига из-за трения, μ — коэффициент трения, σс, макс. – максимальное нормальное сжимающее напряжение, действующее на поверхность раздела. тфр,макс рассматривается как прочность на сдвиг в численном анализе. Вышеупомянутая конститутивная модель повреждения была закодирована в FLAC3D с помощью языка программирования FISH.
Модель свайно-армированного откоса
На рис. 3 показана трехмерная конечно-разностная вычислительная модель откосов, армированных сваями. Идеализированный склон высотой (H) длиной 10 м и длиной (L) 15 м моделируется с помощью программного обеспечения FLAC3D. Коренная порода находится на 15 м ниже поверхности земли в виде жесткого основания. Конститутивное моделирование повреждений моделирует сваю диаметром 1 м. Lx – горизонтальное расстояние от подошвы склона до сваи. Следовательно, соотношение между Lx и L (Lx/L) может быть представлен местом установки сваи. Элементы интерфейса в FLAC3D применяются для определения границы раздела между сваей и грунтом, а также жесткости (kn) можно определить следующим образом (Итаска, 2006):
в котором K объемные модули, G – модули сдвига, а ΔZмин — минимальная ширина смежной зоны в нормальном направлении. В текущем исследовании механические параметры были получены от Cai and Ugai (2000). Механические параметры грунта и сваи приведены в табл. 1.
Устойчивость откосов, армированных укороченными сваями
Сваи широко используются в качестве средства стабилизации откосов. В этой статье представлена новая инженерная технология усеченных свай, которая отличается от традиционных свай. Предлагается упрощенный численный метод анализа устойчивости откосов, укрепленных укороченными сваями, основанный на методе снижения прочности на сдвиг. Влияющие факторы, такие как диаметр сваи, расстояние между сваями, глубина усечения и наличие слабого слоя, систематически исследуются с практической точки зрения. Результаты показывают, что существует оптимальное соотношение между глубиной усечения и длиной сваи над поверхностью скольжения, ниже которого поведение усечения не влияет на устойчивость свайного откоса. Это оптимальное соотношение больше для склонов, укрепленных более гибкими сваями и сваями с большим шагом. Кроме того, усеченные сваи больше подходят для откосов с тонким слабым слоем, чем однородные откосы. В практической инженерии сваи можно разумно обрезать, обеспечивая при этом эффект армирования. Усеченную часть свай можно заполнить окружающим грунтом и уплотнить, чтобы снизить затраты за счет использования меньшего количества материалов.
1. Введение
Использование свай для стабилизации активных оползней и в качестве превентивной меры на устойчивых откосах считается надежным и эффективным методом и успешно реализовано в ряде приложений за последние несколько десятилетий, например, [1-7]. Традиционная стабилизирующая свая обычно имеет полную длину, а головка сваи выступает за пределы поверхности склона, поперечное сечение которого варьируется от круглого до прямоугольного [8].
Стабилизация неустойчивых откосов сваями осложняется факторами, влияющими на работу свай в условиях нагружения армирования откосов, и факторами, контролирующими влияние свай на общую устойчивость откосов. В современной практике проектирования откосов, армированных сваями, часто используются методы предельного равновесия, в которых взаимодействие грунта и сваи не учитывается, а предполагается, что сваи обеспечивают только дополнительное сопротивление скольжению. Ито и Мацуи [3] проанализировали развитие боковых сил на стабилизирующих сваях, когда грунт вынужден продавливаться между сваями. Ито и др. [9, 10] впоследствии разработали методику проектирования свайно-армированного откоса на основе этого подхода. Poulos [5] представил подход к оценке давления на одиночные сваи, в котором используется модифицированный метод граничных элементов для изучения реакции пассивных свай, в котором решение, включающее нелинейные элементы интерфейса грунт-свая, может представлять реакцию упрочнения или размягчения до к достижению предельного состояния. Ямагами и др. В работе [11] сообщается о другом методе предельно-равновесного расчета откосов с одним рядом свай. Метод допускает наличие двух разных критических поверхностей скольжения для двух скользящих свай, а силы, действующие на стабилизирующие сваи, оцениваются на основе заданной критической поверхности скольжения, где задан коэффициент запаса прочности для обеспечения устойчивости откоса. Недавно Лян и соавт. [7] предложили методику расчета устойчивости неустойчивого откоса с помощью ряда равноотстоящих друг от друга пробуренных стволов, в котором метод анализа устойчивости откоса на основе предельного равновесия был модифицирован для включения эффекта выгиба, вызванного буровым валом, через полуэмпирическую передачу нагрузки. фактор. В целом способность методов предельного равновесия определять устойчивость откосов, укрепленных сваями, может быть поставлена под сомнение, поскольку взаимодействие грунта и сваи четко не учитывается.
Чтобы лучше моделировать фактический механизм разрушения, были быстро разработаны численные методы, включая метод конечных элементов и метод конечных разностей, которые становятся все более популярными для анализа откосов свай на основе метода снижения прочности на сдвиг. Чоу [12] представил численную модель, в которой сваи моделируются с использованием балочных элементов, а грунт моделируется с помощью гибридного метода анализа теории упругости. Цай и Угай [13] рассмотрели влияние стабилизирующих свай на устойчивость склона с помощью трехмерного (3D) анализа методом конечных элементов (МКЭ) с использованием метода снижения прочности на сдвиг. Было проанализировано влияние расстояния между сваями, состояния оголовка сваи, жесткости на изгиб и положения свай на коэффициент безопасности, а положение критической поверхности скольжения было определено по максимальному усилию сдвига свай. Вей и Ченг [14] показали, что расположение максимальной поперечной силы не обязательно является расположением критической поверхности скольжения для свайного склона, а критическая поверхность скольжения для свайного склона определяется скоростью деформации сдвига. Одним из основных преимуществ метода снижения прочности на сдвиг является то, что критическая поверхность скольжения находится автоматически и нет необходимости заранее задавать форму поверхности скольжения (например, круглую, логарифмическую или кусочно-линейную). Самое главное, численные методы автоматически удовлетворяют поступательному и вращательному равновесию, и характеристики поведения сваи могут быть получены одновременно.
Усложнение вопросов свайно-стабилизированных откосов, включая прогнозирование распределения нагрузки вдоль свай, связано с влиянием типа грунта, размера и расстояния между сваями, ориентацией свай, усечением свай и т. д. [15, 16]. Большинство предыдущих исследований были сосредоточены на реакции откосов, укрепленных обычными полноразмерными сваями, а также на влияющих факторах. Однако с точки зрения рационального нагружения сваи, если плечо момента, на которое действует нагрузка, соответствующим образом укорочено при неизменном положении сваи, скользящая нагрузка, действующая на стабилизирующую сваю, будет уменьшена. Поэтому стабилизирующая свая с усеченной на определенной глубине под поверхностью склона головкой более экономична и рациональна, чем обычная полноразмерная свая. Насколько известно автору, влияние усечения на устойчивость свайно-армированных откосов систематически никогда не рассматривалось. В данном исследовании систематически анализируется устойчивость откосов, укрепленных усеченными сваями. Предлагается упрощенный численный метод анализа устойчивости откосов, укрепленных укороченными сваями, основанный на методе снижения прочности на сдвиг. Кроме того, с практической точки зрения также систематически исследуются такие влиятельные факторы, как диаметр сваи, расстояние между сваями, глубина усечения и наличие слабого слоя.
2. Определение проблемы и методология
2.1. Определение проблемы
Постановка задачи представлена на рис. 1. Из рис. 1(а) видно, что обычная стабилизирующая свая обычно имеет полную длину, а головка сваи выступает за пределы поверхности склона. Для усеченных свай (см. рис. 1(б)) оголовки свай усекаются на определенной глубине ниже поверхности склона, в отличие от традиционных стабилизирующих свай. Ключом к стабилизации откосов с помощью свай является контроль скользящей массы. Следовательно, как только деформация поверхности скольжения соответствующим образом ограничена, деформация скользящей массы, которая лежит на поверхности скольжения и движется вдоль нее, может быть ограничена в значительной степени. Для этого предлагается усеченная стабилизирующая свая. Деформация скользящей массы вокруг оголовка сваи частично ограничена, что позволяет в определенной степени снять нагрузку от скользящей массы над оголовком сваи. Таким образом, соответствующая сила скольжения действует не полностью на сваи, и можно уменьшить нагрузку на сваи. Кроме того, укороченная стабилизирующая свая имеет меньшую стоимость за счет меньшей длины и меньшей нагрузки.
(a) Обычные стабилизирующие сваи (полная длина)
(b) Усеченные сваи
(a) Обычные стабилизирующие сваи (полная длина)
(b) Усеченные сваи
Глубина усечения определяется выражением
а глубина критической поверхности скольжения обозначается
на рисунке 1(б). Чтобы максимально использовать преимущества усеченных свай, ключевым параметром является глубина усечения. Если слишком мало, то рациональная мощность свай не может быть полностью достигнута; если оно слишком велико, может произойти скольжение эстакады по оголовку сваи, что снизит устойчивость армированного откоса. В интересах общности глубина усечения будет выражаться в безразмерной форме , где
2.2. Модель материалов
В этом исследовании грунтовый материал склона моделируется упругой, идеально пластичной моделью. Уступчивость описывается составным критерием Мора-Кулона с отсечкой напряжения, как показано на рисунке 2 [17].
