测斜管对土质边坡变形和稳定性的影响分析

1、测斜管对土质边坡变形和稳定性的影响分析 208科技研究城市道桥与防洪 2010年 6月第 6期 测斜管对土质边坡变形和稳定性的影响分析 曾丽萍 ,陈建斌,杨卫星（武汉市政工程设计研究院有限责任公司 ,湖北武汉 430023） 摘要:该文结合某土质边坡监测试验所用 PVC 材质测斜管 ,测求了该管的基本力 学参数 ,利用有限元法的分析手段 ,分析 和评价了有无测斜管以及不同抗弯刚度的测斜管对土质边坡变形和稳定性的影 响程度.认为:PVC 材质测斜管对土质边坡 的稳定性和变形影响较小 ;影响测斜管的水平位移的关键参数是抗弯刚度 EI,抗弯 刚度越大 ,其水平变位就越小 ;影响测斜 管的竖向变形的关

2、键参数是弹性模量 E,即 E越大,其竖向变形就越小 ;PVC 材质测 斜管对土体变形的影响范围仅为 3D（D 为测斜管外径 ）,且测斜管的抗弯刚度远小于对边坡变形产生影响的抗弯刚度.故在边坡变形和稳定性的分析中可以不予考 虑测斜管的影响 .关键词:边坡监测试验 ;测斜管;抗弯刚度;有限元法 中图分类号 :TU433 文献标识码 :A 文章编号 :10097716（2010）060208 03 O 引言 在土工构筑物变形监测中一般采用 PVC 材 料的测斜管 ,该种材料柔性好 ,可以保证埋人土 中的管材与周围土体变形协调 .但由于边坡往往 发生浅层坍塌破坏 ,上部土层与下层发生较大的 位移错动

3、,故管一土问刚度的差异势必会对滑动 体的变形有一定的阻挡作用 ,主要表现在抑制了 边坡变形量和提高了边坡稳定性 ,但是这种阻挡 作用到底有多大的程度 ,是否对边坡的整体稳定 性产生相当大的影响 ,仍还值得探讨 . 为此,本文结合某土质边坡监测试验所埋设 的测斜管 ,测求了该管的基本力学参数 ,利用有限 元法的分析手段 ,分析和评价了有无测斜管以及 不同抗弯刚度的测斜管对土质边坡变形和稳定性 的影响程度 .1 测斜管的单轴压缩试验 评价材料的变形性能最直接的参数就是弹性 模量,在材料力学中一般采用单轴压缩试验来测 求 .下面简要介绍测斜管的单轴压缩试验的过程网 . 试件取自某土质边坡现场试验口忻

4、用的测斜管 . 该管为 PVC 材质 ,外径 D=70mm,内径 d=60mm,截 面积 A=I.02e 一 3m,截面惯性距 Ix=Iy=5.42e 一 7m, 长度为 16cm.单轴压缩试验是在室内台秤式高压固结仪上 进行的.试验环境 :室温 17.5,相对湿度 50%. 先将试件放在台秤的台面上 ,用螺旋千斤顶操作 轭梁来对试件施加荷载 ,荷载量由秤杆控制 . 在加 收稿日期 :20100305 作者简介 :曾丽萍 （1968 一）女,湖北武汉人 ,高级工程师 ,从事 结构工程设计工作 .载过程中 ,测斜管的轴向应变和径向应变是采用电 阻式应变片测量 ,应变片采用半桥接法 ,并设有温 度

5、补偿片 ,经过初始校正后 ,可由电荷静态应变仪 直接测读应变值 .试验单级加载量设为 576kPa,当 加载到 5739kPa 后,再分级卸载 ,并读取卸载时每级荷载下测斜管的变形 ,见图 1 所示.从图 1 可 见,测斜管在 0 5739kPa范围内保持了比较好 的线弹性行为 .根据弹性模量公式 :(A 占)(1)式中,E 为弹性模量 ;F 为当前荷载 ;为应 变 .可以求得每根测斜管的弹性模量 ,即:E= 4.38GPa;测斜管的抗弯刚度 2.37kN/m. 0500-1000-1500轴向应变 /ue图 1 轴向力一轴向应变关系图2测斜管在有限元中的实现 土体中结构单元的模拟通常是采用杆

6、单元和 梁单元来模拟的 ,边坡监测试验所用测斜管力学 形状可采用梁单元来模拟 ,即可以考虑单元的侧 向变形和弯曲变形 ,见图 2 所示.仁 s 二=工 Ez 二 =丁一r=lr=2图 2 梁单元示意图咖咖咖咖 o765432 尽辑2010年 6 月第 6期城市道桥与防洪科技研究 下面介绍梁单元在有限元模拟中的表达式 : w=Nl0+1(_ da)l+2n+2(da)2(2)dr 口 r式中:N,是节点 i 的 He咖 ite 插值函数 .N=(2+r)(1 一 r)/4,N2=(2 一 r)(1+r)/4, (1+r)(1-r)/4N2=(1 一 r)(1+r)/4的水平变形 ,测斜管分别布设

7、在边坡的变形的关 键部位,共 5根,管底均嵌入土体不动层 ,具体见 图 3 所示.边坡场地的工程地质条件见表 1 所列. 设梁的弯曲刚度为 ,长度为 Z,则弯曲应变 能为:IIbmo2 f dxIf4).图 3 边坡计算模型及其单元划分图 (单位 :ITI)对于两结点单元 ,可以采用三阶 Hermite插值表 1 边坡场地的工程地质条件汇总表 函数 ,则单元的侧向位移可以表示如下 :e.e+-(dw )+:e+:()口 r r 将式(3)代人式 (5),可得: c5 土层厚/m/g密.c度m-3含1水%,e+(dw,e.+ 2e+(dw)(6)式中:le 是梁单元的长度 .忽略轴向变形 ,梁单

8、元任意一点的曲率可以 表示为 :(dZlVlle0le 卜UlW1(dwldx1(dw/dx)=】口(7)式中 :】为梁单元的应变矩阵 , 口为结点位 移变量,为结点轴向位移 ,r是局部坐标 . 联合式 (4)和式(7),梁单元的应变能可以表 示为:1JaBlrCBI.J=JayByCB.(8)0 1式中 :C=,则梁单元的刚度矩阵 : r=fBrCBIdr-13 边坡几何模型(9)3.1 现场边坡概况某土质边坡 31 地处丘陵地段 ,边坡坡高为 2.6 m,坡度为 21.采用 PVC 材质的测斜管监测边坡 10.5 根植土 1.99l4.715.911.50.3113620.75 粘土,可塑

9、 1.9725.223.26.20.315313O.60 粘土,可塑 1.8932.848.74.0O.36111940.35 粘土硬塑状 1.9726.626.95.20.36261950.6 强风化泥岩 2.1319.618.16300.2855383.2 边坡位移边界条件 根据边坡工程地质条件以及现场监测结果来 看【 ,边坡在深度方向上的变形主要发生在 (1) (4)层 ,下部的强风化泥岩为不动下卧基岩层 , 也是 测斜管的持力层 ;在水平方向上 ,可以将坡脚平台 以外约 35m 至坡顶平台以外 2.5m范围内的边 坡作为脱离体 ,坡脚边界为固定边界 .由于边坡处 于丘陵地形中的坡脚地段

10、 ,坡顶边界不可避免地受 到上部土体水平下滑推力的作用而发生变形 ,因而 在该边界上设定一个水平位移边界函数来描述这过程,从现场边坡的变形监测 f51可知,2005年 6 月 3 日至 2005 年 6 月 10 日之间的边坡侧向变形 量是最大的 .因而计算中选取该段时间内的边界位 移来描述这一过程 ,具体见图 4 所示 .将每天的位 移量当作一个荷载步施加于边界之上 ,一共 8 步 .0.070.06蠢 0.050【割眷 0.03o.020.0l020056120056 320O56.52005卅 20056_92005611 时间图 4 边坡坡顶外侧水平位移边界函数图示 210科技研究城市

11、道桥与防洪 2010年 6月第 6期3.3 边坡初始应力条件 边坡的初始应力场取为自重应力作用下的重 力场,其数量级是与各土层的重度以及上覆土层 的厚度等有关的 .3.4 计算参数的选取 边坡的变形计算采用 Geoslope1中 Sigma/w来 完成的 ,求解安全稳定性的方法为有限元法 ,由 Slope/w 来完成的 .边坡的计算模型以及单元划分 见图 3,仅对其做平面应变问题分析 ,划分单元数为 476,结点数为 487.边坡土体的本构模型采用 理想弹塑性模型 ,采用 MohrCoulumb 强度破坏 准则.4计算结果分析4.1 边坡安全系数和变形 计算所得边坡的水平位移场见图 5 所示,

12、竖 向变形见图 6 所示 ,边坡的稳定安全系数在有无 测斜管条件下均为 5.0.由此可见 ,边坡的侧向变 形在有无埋设测斜管条件下基本是一致的 ,而且 计算所得的安全系数没有差异 .这说明在当前边 界条件下 ,测斜管对边坡的侧向变形和稳定性没 有太大的影响 .但是由于有测斜管的存在 ,使得测 斜管周边一定范围内 （估计为 3 倍管径）的垂直变 形要小于没有测斜管的变形 ,而且还隔断了周边 的垂直变形的传递 . 无测斜管时边坡水平位移云图 h有测斜管时边坡水平位移云图 图 5 边坡水平位移云图4.2 变刚度条件下边坡变形情况 以该边坡为分析对象 ,分析在变化测斜管刚 度 EI, 弹性模量 E 和

13、惯性距 I 条件下坡顶处测斜 管的变形情况 .抗弯刚度 EI 变化范围为实测测斜 管肼=2.37kN/m 的 1,10,100,1000和 10000 倍 ,弹性模量变化范围为实测测斜管 E=4.38GPa 的 1,10 和 100 倍,将各种变动参数条件下计算所 得测斜管的水平位移和竖向位移沿深度的变化绘 a.无测斜管时边坡水平位移云图 b.有测斜管时边坡水平位移云图 图 6 边坡竖向变形云图人图 7和图 8中.从图中可见,影响测斜管的侧向 位移的关键参数是抗弯刚度 EI.这从式 （6）中可见斑 ,即随着抗弯刚度的增大 ,在外力作用下测斜 管的侧向位移是降低的 ,特别是抗弯刚度超过原数 值的

14、 1000 以上,侧向位移的抑制作用非常明显 , 而且在相同抗弯刚度条件下 ,测斜管弹性模量的变 化对侧向变形影响不大 .这说明弹性模量对边坡的 水平变位的影响程度 ,主要取决于桩的抗弯刚度 . 抗弯刚度越大 ,桩的水平变位就越小 ,因而在惯性 矩保持不变的情况下 ,高弹模的桩会抑制边坡水平 变形 ;对于测斜管的竖向变形而言 ,影响它的关键 参数是弹性模量 E,即 E 越大,测斜管的竖向变形 就越小 ,而抗弯刚度对竖向变形的影响程度并不明 显,即在相同 E 条件下,抗弯刚度越大 ,竖向变形 就会加大 .这是因为测斜管除了竖向压缩之外 ,由 于侧向变形也会导致一定的竖向变形 ,抗弯刚度越 大 ,

15、侧向变形也越大 ,竖向变形也自然增大 ,但是其 影响范围有限 ,仅为 3D（D 为测斜管外径 ）. X 方向位移 ,n Oo.OOSO.O10.0150.O2O.O2S 图 7 可变抗弯刚度条件下测斜管的水平位移图 （下转第 226 页） O:,:nOOO 226开拓眼界城市道桥与防洪 2010年 6月第 6期 会环境 ,生活水平等因素影响而形成的饮 ,食茶叶 的传统习俗 ,其中的 火燎茶 ,凉拌茶 ,腌酸 茶 等习俗便是原始 ,古朴的食茶习俗的遗留 .在 旅游资源的开发过程中 ,务必将这些民族的茶道 演绎 ,饮茶方式与旅游景点有机结合起来 ,塑造茶 文化旅游健康形象 .2.5 打造精品茶文化

16、旅游线路 旅游线路的合理开发是旅游业发展的关键要 素 .现代游客的欣赏品味和要求越来越高 ,因此需 要对西双版纳茶文化旅游产品进行科学设计 ,凸 显特色 ,以增加其吸引力 ,提高游客兴趣 .首先绿 色环保生态游 .以具有一定规模 ,分布集中 ,种类 齐全的茶叶生态园或茶叶生产基地作为基础 ,发 展西双版纳茶文化旅游 .其次茶文化景观游 ,以茶 马古道遗迹为依托 ,科学组合旅游资源 ,开发多条 文化旅游线路 .同时将各民族风格迥异的茶俗和 茶文化相结合 ,提高旅游产品的多样性和趣味性 , 提高旅游产品和线路的知名度 .同时推出茶乡寻 根访祖游 ,茶文化学习考察游 ,健康养生游 ,茶节 庆游等各种

17、形式的茶文化旅游 .总之 ,以市场为导 向,与时俱进 ,根据游客的要求不断调整和挖掘出 （上接第 210 页）0. l0Y 方向位移 ma.lo.OO图 8 可变抗弯刚度条件下测斜管的垂亘位移图 （注:图 7,图 8中EI 单位:N/m;E 单位:Pa.） 综上所述 ,现场埋设的测斜管的抗弯刚度为 2.37 kN/m2,弹性模量为 4.38GPa,远小于计算中对变形产 生影响的抗弯刚度和弹性模量 .因而边坡监测所用测 斜管对其稳定性和变形影响不大 ,尤其是水平变形 , 故在边坡变形和稳定分析中可不考虑测斜管的存在 5 结语本文在某土质边坡现场试验的基础之上 ,结 令游客满意的茶文化旅游线路和产

18、品 .3 结语 茶是中国传统文化的载体 ,因此 ,以茶为媒发 展茶文化旅游 ,一方面可以继承和发扬中国的传 统文化 ,另一方面可以促进我国旅游业的发展 .游 客在旅游活动中 ,寓教于游 ,陶冶情操 .普洱茶是 西双版纳人民的骄傲 ,也是这片土地的骄傲 ,进一 步开发普洱茶文化旅游也将为西双版纳的旅游业 带来新的发展空间 .因此西双版纳应充分利用全 国茶文化快速发展的趋势 ,办特色 ,创品牌,造精 品,将西双版纳茶文化旅游打造成独具风情的精 品旅游线路 .参考文献 【1阔红杰.云南普洱茶 MI.昆明:云南科技出版社 ,2004. 【2刘修明 .茶与茶文化基础知识【 M.北京:中国劳动社会保障出 版社,2003.【3陆世军.云南县域经济发展研究【 J】.云南民族大学 ,2005（增）. 【4】黄桂枢 .云南普洱茶史与茶文化略考 A 】.中国普洱茶文化研 究中国普洱茶国际学术研讨会论文集【 c】.1994.【5】杨桂华主编 .旅游资源学【 M】.