蒼梧縣城區(qū)防洪排澇工程樁基礎(chǔ)非線性有限元分析

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簡(jiǎn)介： 介紹采用ANSYS有限元分析軟件分析蒼梧縣城區(qū)防洪堤邊坡及樁基整體穩(wěn)定性。
關(guān)鍵字：非線性 有限元分析 樁基礎(chǔ) 穩(wěn)定性

1、前言

　　蒼梧縣城（龍圩鎮(zhèn)）位于廣西東部、珠江流域西江水系的潯江與下小河交匯處，距梧州市約12Km。城區(qū)防洪堤全長(zhǎng)約4.5Km，堤基處于一級(jí)階地前沿緣15m高程線附近，階地岸坡曲折，坡度變化較大，地勢(shì)相對(duì)較為挾窄。防洪堤基礎(chǔ)巖土共分七層，在某些地段有缺失，自上而下的覆蓋層分別為①人工填土，②褐灰色粉質(zhì)粘土，③黃色粘土，④灰黑色粉質(zhì)粘土，⑤砂卵石層，⑥花崗巖殘坡積層，⑦花崗巖。我們根據(jù)地質(zhì)部門(mén)提供的巖土力學(xué)參數(shù)，應(yīng)用圓弧法對(duì)岸坡穩(wěn)定進(jìn)行了大量的計(jì)算工作，分析結(jié)果表明，在未采取任何工程措施情況下，不少堤段的岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)小于1，計(jì)算的結(jié)果為不穩(wěn)定。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)采用擋水結(jié)構(gòu)加抗滑樁工程措施。鑒于目前對(duì)抗滑樁的穩(wěn)定計(jì)算尚未有成熟的計(jì)算方法[1]。本文介紹應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件，對(duì)樁與土的相互作用進(jìn)行有限元分析，以判定防洪堤的穩(wěn)定性。

　　2、計(jì)算資料

　　主要計(jì)算資料有：

　　a) 選取最危險(xiǎn)滑動(dòng)堤段斷面，斷面的土層及結(jié)構(gòu)如圖1。

　　b) 土層及樁的物理力學(xué)性能參數(shù)（表一）

　　表一土層及樁的物理力學(xué)性能參數(shù)表

參數(shù)土層E（MPa）μ（kN/m3）（kN/m3）C（kPa）φ（度）①4.20.0917.014.56.06.5②5.00.1518.7214.314.511.5③7.30.319.315.126.015.5④5.120.218.914.811.510.0花崗巖26000.622.022.0  混凝土260000.16725.025.0  

　　樁基相關(guān)參數(shù)表

巖土名稱類別①填土②粉質(zhì)粘土③粘土④粉質(zhì)粘土弱風(fēng)化花崗巖人孔工挖樁樁周土摩擦力qs915302070樁端土承載力qp  1600 5500

　　圖1分析模型剖面圖

　　c).結(jié)構(gòu)荷載

　　(1)結(jié)構(gòu)及土體自重；

　　(2)路面活動(dòng)荷載6.86kPa；

　　(3)水壓力（計(jì)算到最高洪水及最低洪水位）；

　　(4)上部結(jié)構(gòu)傳到樁臺(tái)的力（表二）。

　　表二上部結(jié)構(gòu)傳到樁臺(tái)的力

工況M（kN.m）V（kN）H（kN）洪水期16532134472972退水期18858173613340　　3、計(jì)算范圍及簡(jiǎn)化

　　a)計(jì)算范圍：以擋水結(jié)構(gòu)中心線為基準(zhǔn)，向河床方向取24.7m，向街道方向取25.3m，地基深度取至-8.9m高程。

　　b)不考慮滲透動(dòng)水壓力，在浸潤(rùn)線以上取地基土的濕容重γ濕，浸潤(rùn)線以下取飽和容重。

　　c)邊界條件：左右邊界水平約束，下端固定。

　　4、力學(xué)模型

　　a).土與樁共同作用下的非線性有限元分析

　　本報(bào)告旨在對(duì)樁與土的共同作用的力學(xué)性能進(jìn)行分析，必須考慮土的非線性及邊坡的滑移可能出現(xiàn)的大變形，因此對(duì)防洪堤進(jìn)行非線性分析時(shí)要考慮土材料的非線性及幾何非線性。采用Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則。該準(zhǔn)則對(duì)庫(kù)侖——莫爾準(zhǔn)則予以近似，由此來(lái)修正Von Mises屈服準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則適用于混凝土、巖石、土壤等材料。相應(yīng)的等效應(yīng)力的表達(dá)式為：

　　=3+[

　　其中：{S}為偏應(yīng)力，[M]為Mises準(zhǔn)則中的[M]，

　　=，Φ為內(nèi)摩擦角；

　　材料的屈服參數(shù)定義為：

　　其中： C為粘聚力。

　　為了使計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際變形，進(jìn)行有限元分析時(shí)，在土和樁之間采用雙彈簧接觸單元以反映樁與土的相互作用，樁和土分別剖分為6節(jié)點(diǎn)三角形單元。計(jì)算過(guò)程中逐級(jí)加載，按照Newton-Raphson迭代算法和線性搜索技術(shù)以保證計(jì)算的收斂性。

　　b).平面應(yīng)變分析模型

　　為了得到較為精確的平面問(wèn)題的解，對(duì)每根樁的剛度進(jìn)行等效簡(jiǎn)化，把原來(lái)圓截面樁等效為同厚的矩形截面樁，則等效后轉(zhuǎn)化為等截面的柱體（圖2），可以按平面應(yīng)變問(wèn)題來(lái)分析。設(shè)原來(lái)樁的彈性模量E0，慣性矩為I0，等效后分別為E1，I1；則

　　圖2樁剛度沿長(zhǎng)度等效簡(jiǎn)化圖

　　E0I0=E1I1

　　=

　　則等效后樁的等效彈性模量為：E1=0.147E0

　　5、計(jì)算結(jié)果分析

　　(a)樁的典型截面應(yīng)力

　　圖3 樁的典型截面位置圖

　　樁的典型截面位置（圖3），及其截面應(yīng)力值見(jiàn)表三：

　　表三樁的典型截面應(yīng)力表（單位：MPa）

應(yīng)力值截面σy（左）σy（右）τxy（左）τxy（右）1-1退水期2.9027-4.6677-0.0573-0.7059洪水期2.1940-4.4994-0.0167-0.71122-2退水期-2.01340.8256-0.0025-0.0684洪水期-2.20480.73480.0008-0.06403-3退水期0.3232-3.0957-0.65700.3767洪水期0.1970-3.3777-0.75100.42424-4退水期-0.4359-0.91070.0340-0.1262洪水期-0.39340.1205-0.0473-0.01275-5退水期–0.6657-0.32990.0294-0.0055洪水期-0.4578-0.01130.0340-0.00046-6退水期-1.1262-1.2001-0.50410.2860洪水期-0.6029-0.9209-0.34560.1725

　　注：正應(yīng)力以拉為正；剪應(yīng)力以使截面產(chǎn)生順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為正。

　　從表三中可得出，樁最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在外樁（遠(yuǎn)離河床側(cè)）的1-1截面的左側(cè)，退水期為2.9027MPa，已經(jīng)超出混凝土的抗拉強(qiáng)度，洪水期為2.1940 MPa。

　　內(nèi)樁絕大部分處于受壓狀態(tài)，只有在洪水期4-4截面右側(cè)才出現(xiàn)拉應(yīng)力，僅為0.1205MPa。

　　b).樁的典型截面內(nèi)力

　　樁的典型截面內(nèi)力值見(jiàn)表四

　　表四樁的典型截面內(nèi)力表

內(nèi)力值截面M（kN.m）N（kN）Q（kN）1-1退水期370.95-691.88-299.17洪水期327.98-903.72-285.342-2退水期-139.11-465.62-27.79洪水期-144.04-576.24-24.773-3退水期167.53-1086.82-109.88洪水期175.16-1246.83-128.114-4退水期23.27-527.87-36.14洪水期-25.18-106.98-23.525-5退水期-16.45-390.289.37洪水期-21.88-183.8913.176-6退水期3.62-911.91-85.50洪水期15.58-597.33-67.86

　　注：M以樁左側(cè)受拉為正，N以受拉為正，Q以使截面產(chǎn)生順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為正

　　從表四中可得出，樁最大彎距出現(xiàn)在外樁（遠(yuǎn)離河床側(cè)）1-1截面上，退水期為370.95kN.m，洪水期為327.98 kN.m；最大軸力出現(xiàn)在3-3截面, 退水期為1086.82kN，洪水期為1246.83kN; 最大剪力出現(xiàn)在1-1截面, 退水期為299.17kN，洪水期為285.34kN。內(nèi)樁（靠近河床側(cè)）的內(nèi)力值相對(duì)于外樁很小。根據(jù)《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)手冊(cè)》、《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算的最大內(nèi)力為：M0=-476.8KN.m，N0=1707KN，Q0=345KN。與電算結(jié)果接近。

　　6、結(jié)束語(yǔ)

　　本項(xiàng)目對(duì)蒼梧縣城區(qū)防洪排澇工程1+373.5剖面（采用圓弧法計(jì)算較危險(xiǎn)截面）堤段進(jìn)行了比較深入、全面的平面非線性有限元分析，對(duì)樁及土的變形及應(yīng)力、內(nèi)力有了詳細(xì)的了解，結(jié)果表明，外樁的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在退水期，為2.903MPa，在樁的頂處，最大彎矩和最大剪力亦出現(xiàn)在此處，分別為370.95kN.m和299.17kN；內(nèi)樁僅在洪水期才出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大值為0.1205 MPa，也出現(xiàn)在樁頂處，其它時(shí)候內(nèi)樁均處于受壓狀態(tài)，無(wú)論在洪水期還是在退水期，外樁的應(yīng)力都比內(nèi)樁的大，且退水期比洪水期更為危險(xiǎn)。說(shuō)明被動(dòng)土壓力是結(jié)構(gòu)的主要荷載，并且說(shuō)明，所設(shè)計(jì)施工的防洪堤安全可靠，所提供土的力學(xué)性能指標(biāo)過(guò)低。建議以退水期外樁的受力狀態(tài)及手算結(jié)果為設(shè)計(jì)依據(jù)，內(nèi)樁的配筋或截面的尺寸可適當(dāng)降低。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] 王年香被動(dòng)樁與土體相互作用研究綜述[J]，南京水利科學(xué)研究院水利水運(yùn)科學(xué)研究第三期69~74頁(yè) 2000年9月

　　[作者簡(jiǎn)介]黃文威（1964-），男，廣西藤縣人，廣西梧州水利電力設(shè)計(jì)院高級(jí)工程師，主要從事水利電力工程設(shè)計(jì)及技術(shù)管理工作；

　　黎桂升（1972-），男，廣西昭平縣人，賀州市水利電力局工程師，學(xué)士，在職研究生，主要從事水利電力工程建設(shè)管理工作；