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第五章   悬锚式挡土墙有限元分析

1.z-soil.pc2D/3D 有限元程序简介

z-soil.pc2D/3D是由瑞士 Federal   Institute 研制的有限元软件，该软件是专门用于岩土工程二维、三维分析的有限元程序，在世界上许多国家岩土工程分析中尤其是欧洲国家得到广泛的应用。

(1)图形建模：图形输入的方式，类似一个画图的过程，利用 Macro Model 和 FE Model两大模块生成网格模型，并可对模型局部进行细化，从而可以轻轻松松的构建二维、三维有限元计算模型；

(2)自动生成网格：z-soil.pc2D/3D 具有有限元网格全自动产生功能，并且可以对整体和局部的网格进行细化；

(3)单元的选择：z-soil.pc2D/3D 提供了   continuum、continuum for structures、shells、membranes、beams、truss、contact、pile 等十余种单元；

(4)土的本构模型：z-soil.pc2D/3D 提供了 Mohr-Coulomb、Drucker-Prager、Duncan Chang、Cam-Clay、Hss、Cap-Model、Hoek-Brown、Pankine 等多种本构模型；

(5)计算功能：z-soil.pc2D/3D 可进行 Initial   State、Stability、Time   Dependent、Dynamics\Pushover、Eigemodes 分析，同时还可以通过生死单元、施加荷载、改变水位等操作来模拟施工过程，从而更加真实的评估土的应力应变状态；

(6)输出功能：z-soil.pc2D/3D 后处理可以得到各种应力、应变、位移、内力的云图及几何图形曲线。这些图形和曲线可以直接打印输出或转入其他编辑软件。

2.z-soil.pc2D/3D 的优点：

(1)具有非常友好的用户界面，逻辑的交互性输入，自动处理等可以帮助用户轻松建模；自动生成网格模式还可以进行整体和局部细化，使得网格生成更加灵活；

(2)具有强大、先进的本构模型可以精确模拟土的特性，各种本构模型的参数充分结   38合岩土工程实践；

(3)岩土中的很多设计都涉及到结构模型和土中的加筋体。z-soil.pc2D/3D 包含了continuum for structures、membranes、beams、truss、contact、pil 等单元，可以准确模拟结构以及结构-土的相互作用；

(4)考虑孔隙水压力的消散及饱和土体的渗流，可用于分析复杂的渗流问题；

(5)可以进行多步计算，模拟施工步骤，具体分析每步计算中的稳定性和模型变形，并与工程实际相结合，以便发现问题和实时监控。

3.其他有限元软件

(1
通用有限元软件

①Abaqus：Cam-Clay、Duncan-Chang、Cap-Model、Jointed Material

②Adina：Cam-Clay、Duncan-Chang ③Ansys：Nothing、IIdevelopment ④Marc：Cam-Clay

(2
专业岩土工程数值分析软件：

①Plaxis     —3D Tunnel、3DFoundation

②Itasca     —Flac3D、3Dec、pfc3D

③Midas/GTS

4. 举例分析

这里选择 Dawson 等分析的一个匀质土坡作为算例。该算例已被很多学者用很多方法(如 FLAC)等进行了验证性分析，因而该算例的计算结果好坏可以验证 Z-soil.PC2D/3D用于岩土工程的适用性。如图 5.1 所示，有一高 H=10.0m，坡角β=45°的匀质土坡，土体重度 γ=20KN/m3，粘聚力 c=12.38KPa，摩擦角 =20°。若按极限平衡法分析，本算例的土坡稳定安全系数为 1.0。

由以上分析可知，z-soil.pc2D/3D 从各方面指标来说在岩土工程中的适用性强，而   40且分析准确，因此本文采用 z-soil.pc2D/3D 进行分析。

结论与展望

结   论

本文根据目前悬锚式挡土墙的研究现状和实际工程的需要，从理论和解决实际工程的角度出发，利用岩土有限元软件 z-soil.pc2D/3D 对悬锚式挡土墙进行有限元分析。

通过研究得出以下主要结论：

(1)各层填土从左到右，随着挡土墙压力的逐渐消散，水平位移逐渐减小；由于墙背和填土的摩擦作用，靠近墙背处的沉降小，稍远处逐渐变大。拉杆和锚定板布置以后，拉锚结构起着产生抗拔力的作用，使墙体向填土侧移动，改变了填土的受力状态，抗拔力能很大程度上减小填土拉应力分布区域，使得填土的压缩性减小，提高其承载能力。拉锚结构与墙体共同作用形成一个具有支护作用的柔性结构体系，共同承担填土的侧压力并维持本身的稳定，变被动支护为主动支护。

(2)底板长度方向上基底土体的位移逐渐增大，但在最右端基底换填土与地基土的摩擦作用其在边界上的沉降出现反弯。

(3)随着施工的进展，底板的压力和摩擦力都不断的增大，同一工况从左到右两者都是先增大后减小，并且在墙身处出现峰值。踵板上的压力先有减小趋势再增加然后保持平稳，而摩擦力则呈现出先减小再略增大的趋势；随着各工序的逐步进行，拉杆轴力和锚定板土压力的波动是逐渐减小的，由于拉杆与填土之间的粘聚力、摩擦力的作用，使得拉杆轴力明显小于相对应的锚定板的土压力。

(4)墙背上的土压力从上到下随深度增加而逐渐变大，土压力分布应不是平行于墙的，而是出现了土压力的重分布

(5)弯矩**值在墙体底部，三层拉锚结构范围挡土墙墙面一侧受拉，悬臂部分墙背侧受拉。

(6)对悬锚式挡土墙的稳定性采用强度折减法进行分析，得到位移云图、应变云图、位移矢量图，稳定安全系数远大于 1.25，说明悬锚式挡土墙是偏于安全的，这与水平位移的数值也相符，拉锚结构不仅对填土产生加固作用，而且还大幅提高了悬锚式挡土墙的稳定性。

(7)由于三剪统一强度理论考虑了三个主剪应力的共同作用克服了 Mohr-Coulomb 强度理论、双剪统一强度理论的缺陷，使得 Mohr-Coulomb 强度理论、双剪统一强度理论成为它的特例。在相同条件下，三剪统一强度理论计算出来的安全系数比 Mohr-Coulomb 69 强度理论、双剪统一强度理论计算出来的安全系数都要大，则三剪统一强度理论比其他强度理论的适用范围更广、更科学、更能充分发挥材料的强度性能。

展   望

悬锚式挡土墙还有许多问题需要进一步研究，本文的研究成果为实际工程的设计施工提供理论参考与指导作用。鉴于研究对象的复杂性，作者对以后的研究提出几点建议：             

（1）对于一些传统方法无法解决的复杂工程地质和边界条件情况，有限元分析都可以予以考虑，在岩土工程中已显示出强大的生命力。虽然还不能完全真实的模拟现实情况和参数选取复杂等一些问题，至今还没有用有限元法直接对支挡结构进行设计的案例，但作为一种分析方法，有限元无疑是一种非常重要的科研手段，而且随着计算机技术的飞速发展和支挡结构模型的不断完善，在支挡结构分析中，有限元方法将发挥越来越重要的作用。

(2)土是一种非常复杂的材料，想要完全模拟它的特性是非常困难的，我们考虑的重点是针对具体问题找出最合适的方法而不是最全面的方法。

(3)在计算过程中，本文没有考虑时空效应。在空间上，悬锚式挡土墙表现为与土的相互作用，每一步开挖、回填的几何尺寸和挡土墙一部分回填时暴露的时间，都会对挡土墙、填土等产生明显的相关性影响；在时间上，各种状态都会随时间而变化，并且时间变化和空间变化是交织的。因此，在理论上悬锚式挡土墙是要作为一个时空系统来研究的。

(4)三剪统一强度理论仍需要进一步的试验验证，并将其在工程实践中推广应用。

文章来源：《悬锚式挡土墙有限元分析与强度理论应用研究》 作者：陈伟

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