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:TU433文献标识码:A:1009—7716(2010)06—0208—03O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,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:2010—03—05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.0—500-1000-1500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+Ⅳ2n+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:IIbmo2f\dx'~If4)''.'''..'.''''''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=Ⅳ.e,+Ⅳ--(dw__)+Ⅳ:e+:()口rⅡr将式(3)代人式(5),可得:c5土层厚/m度/g密.c度m-3~含1水%,=Ⅳe+.(dw,,,e.+Ⅳ2e+(dw,)(6)式中:le是梁单元的长度.忽略轴向变形,梁单元任意一点的曲率可以表示为:(dZlVlle0le卜UlW1(dwldx1',(dw/dx)=】{...