土工格栅(Geogrid)加固软土地基的堤坝---两种模拟方法比较

1 引言

在【地基土中土工格栅的模拟(Geogrid)】中讨论了使用Geogrid改善地基土的性能。为了进一步检验Geogrid所起的作用,下面分析了一个堤坝的加固,分别使用Plaxis 2D和Phase2进行了模拟,同时也比较了二者在模型设置以及计算结果方面的差异。


2 堤坝模型

这个堤坝模型由两层土组成,上层为Sand Fill, 下层为Soft Clay,显然上层的强度比下层高,为了改善土的性能,在两层的分界面使用Geogrid进行加固。首先分析没有加固时的稳定性,然后分析加固后的稳定性。

土工格栅(Geogrid)加固软土地基的堤坝---两种模拟方法比较的图1

3 Plaxis 2D模拟

当输入土层材料参数时,为了最大程度地与Phase 2的计算作比较,在"Initial" ko设置时,采用了"Manual" 选项,设置ko为1,即土体处于静水压力状态。下面分三种情形进行分析:

(1) 在没有支护的情况下,最大位移量是0.088m。下图所示的是位移云图和最大剪应变图。计算的安全系数为1.244。

土工格栅(Geogrid)加固软土地基的堤坝---两种模拟方法比较的图2

(2) 安装Geogrid但不设置界面,这相当于Geogrid与土紧密粘合在一起,不发生滑动或分离。在这种情况下,最大位移量0.012m,计算的安全系数是1.265。可以看出,安装Geogrid有效地阻止了土层的位移,安全系数得到了提高。剪应变图显示出剪切带被Geogrid分割开,没有形成贯通的剪切带。

土工格栅(Geogrid)加固软土地基的堤坝---两种模拟方法比较的图3

(3) 安装Geogrid同时设置界面,即考虑了土-结构的相互作用,在这种情况下,最大位移量0.019m计算的安全系数是1.268,其结果与不设置界面时差不多。

土工格栅(Geogrid)加固软土地基的堤坝---两种模拟方法比较的图4


4 Phase 2 

使用相同的模型和参数,在Phase 2下运行。分两种情形:

(1) 不进行支护。在这种情形下,最大位移量是0.009m,这个数值比上面计算的位移值小很多,不过,就像以前多次讨论过的一样,使用强度折减方法计算出来的位移不真实,特别时Plaxis计算的位移;计算的安全系数为1.26这个数值与上面计算的1.244差不多相同。不同软件的算法、网格划分等因素都影响着计算结果。不过总的来说,结果大致相同。可以比较二者的位移云图和最大剪应变图。

土工格栅(Geogrid)加固软土地基的堤坝---两种模拟方法比较的图5


(2) 安装Geogrid但不设置界面, 为了与Plaxis的结果比较,在此Geogrid使用了弹性模型,计算出的最大位移量是0.03m, 这个数值与上面计算的最大位移量0.012m基本上接近,计算的安全系数为1.48,比上面计算的安全系数1.265稍微高一些。

土工格栅(Geogrid)加固软土地基的堤坝---两种模拟方法比较的图6


(3) 如果Geogrid使用塑性模型,即设置抗拉强度60kN/m, 得到的安全系数为1.44,比使用弹性模型小了一些,最大位移量为0.011m。当SRF=1.75时,可以发现Geogrid发生了屈服破坏,即在下图这些红色区域Geogrid所受的力超过了抗拉强度60kN/m。

土工格栅(Geogrid)加固软土地基的堤坝---两种模拟方法比较的图7

5 结束语 

通过比较Plaxis 2D和Phase2的计算结果,可以看出最明显的差异是当安装Geogrid后Phase 2计算的安全系数比Plaxis 2D计算的安全系数高。这种差异由许多因素引起,对一个特定的问题来说,很难确切地指出哪一个因素占主导地位。不过,宏观上讲,主要是由于Plaxis使用的安全分析(Safety Analysis)算法引起的,在Plaxis中,当计算安全系数时,不考虑界面和结构元的残余强度,而且应力状态时从初始阶段开始计算的,这可能是导致安全系数低的主要原因。

土工格栅土工结构堤坝

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