大型群樁軟土共同作用性狀研究

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1、第七屆全國現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會大型群樁一軟土共同作用性狀研究黃昊明(杭州市錢江新城建設(shè)管理委員會．杭州M0016)摘要：阻某水閘工程為對象，對大型群樁與軟土地基共同作用性狀進(jìn)行了研究。土體的本構(gòu)模型采用能夠較好反映土體非線性特性的Drucker—prager理想彈塑性模型，利用接觸單元模擬樁與土體之問相對滑動，選用標(biāo)準(zhǔn)的庫侖摩擦模型，并用ANSYs軟件進(jìn)行計(jì)算。分析表明：樁披承臺內(nèi)產(chǎn)生最大應(yīng)力發(fā)生在樁端部，且樁沿樁身的應(yīng)力變化不大：承臺項(xiàng)面的應(yīng)力較小，底面與樁連接處的應(yīng)力與桂身的應(yīng)力基奉相同。土體的晟大戍力發(fā)生在樁的端部與

2、土體接觸處。樁的軸力呈現(xiàn)中間樁最大，角部樁次之，側(cè)邊樁最小。通過本文的分析基車掌握r群樁、軟土和承臺的受力和變形狀況。關(guān)鍵詞：大型群樁，軟土地基，共同作用，性狀研究一、引言’某大閘的規(guī)模為8×12m，為一座中型水閘，配套開挖河道約830m，江面寬約166m。同時交通部門的杭甬大運(yùn)河須在此建一個船閘以便船只的通航，其標(biāo)準(zhǔn)為500T級。為了對建在軟土地基上的水閘工程有較系統(tǒng)全面的了解，為類似工程的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)，本文對軟土地基水閘結(jié)構(gòu)的分析方法、受力特性和優(yōu)化方案進(jìn)行研究。在水閘設(shè)計(jì)中，對軟土地基的處理多采用樁基。但由于樁土作

3、用的復(fù)雜性．獲得解析解十分困難?。本文利用大型有限元ANsYs軟件，建立樁土相互作用的三維有限元一接觸面單元的非線性數(shù)值模型，采用接觸單元模擬樁與樁側(cè)土體之間共同作用情況，對豎向荷載作用下的群樁與土的相互作用機(jī)理進(jìn)行分析與探討，通過對該大閘樁基工程的深入分析研究，得出樁一土一承臺共同作用的受力性狀。二、群樁一土一承臺共同作用的分析原理和方法●群樁的受力變形特性要求考慮樁一土的相互作用，其影響凼素甚多，如土的性質(zhì)、樁間距、樁長、樁的布置等。要尋找某種方法將這一系列因素部考慮進(jìn)去是困難的，也正因?yàn)槿绱?，目前關(guān)于群樁受力變形特性的

4、研究仍是方興未艾。本文采用三維有隅元分析，利用面一面接觸單元考慮十體與樁基交界面的狀態(tài)非線性，合理模擬樁與樁周土間復(fù)雜的相互作用，可對樁基的受力變形特性、群樁與土的相互作用機(jī)理進(jìn)行分析和探討4“。其中土體的本構(gòu)模型采用能夠較好反映土體非線性特性的Drucker—prager琿想彈塑性模型。模型屈服面F的表達(dá)式為：。r，]；F_3Ba。+l；{s)7[M㈧卜n，=o(1)18366fcos西Q=——=。—————=—～’√3(3一sin≯){。?！?；(a。+a：+a。)(3)工業(yè)建筑2007蠟刊第七屆全國現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討

5、會‘式中：Ⅱ。為平均應(yīng)力或靜水壓力；B為材料常數(shù)；礦為內(nèi)摩擦角：{5】偏應(yīng)力向量；【M】為系數(shù)矩陣d．，為材料屈服強(qiáng)度；c為凝聚力。Drucker—prager理想彈塑性模型使用Druckerprager屈服準(zhǔn)則，此屈服準(zhǔn)則對Mohr—couloⅢb準(zhǔn)則給予近似，以此來修正vonmses屈服準(zhǔn)則，即在vonMises表達(dá)式中包含一個附加項(xiàng)。其屈服面不隨著材料的逐漸屈服而改變，然而其屈服強(qiáng)度隨著側(cè)壓力(靜水應(yīng)力)的增加而相應(yīng)增加，其塑性行為被假定為理想彈塑性。在模擬士體材料的彈塑性性質(zhì)時，這種屈服條件得到廣泛的應(yīng)用。．在對承臺

6、旌加豎向荷載后，如果樁基與土體之間沒有產(chǎn)生明顯的相對滑動，那就可以認(rèn)為二者之間變形是協(xié)調(diào)的。但一般情況下，由于這兩種材料性質(zhì)相差較遠(yuǎn)，在一定的受力條件下有可能在其接觸面上產(chǎn)生錯動滑移或開裂。對此，采用一種特殊的力學(xué)模型，即接觸單元”1．它是覆蓋在分析模型接觸面之上的一層單元。一’一般情況下，當(dāng)一種軟材料和～種硬材料接觸時，可以粟用有限元法提供的剛體一柔體的面一面接觸單元來模擬，選用剛體一柔體的接觸單元來模擬樁土交界面的非線性，其中，剛性面被當(dāng)作“目標(biāo)”面，在通用有限元軟件ANsYs中，可利用TARGEl70單元來模擬，柔性體

7、的表面被當(dāng)作“接觸”面，用c0NTAl74來模擬01。接觸單元能較好地模擬樁土共同作用，對基礎(chǔ)工程理論的研究起到了極大的推動作用?！邢拊治鲋袔靵瞿Σ聊Ｐ投x了一個極限剪應(yīng)力氣。，計(jì)算公式如下式吒唧=∥P+C(5)式中：f。為極限剪應(yīng)力；∥為摩擦系數(shù)；P為法向接觸壓力：c為摩擦凝聚力。oANsYs程序提供了standard，rou曲，noseparation抽0兀ded等幾種摩擦類型。本文選取了standard(標(biāo)準(zhǔn))摩擦模型。在標(biāo)準(zhǔn)的庫侖摩擦模型中，兩個接觸面在開始滑動之前，在它們的界面上會有達(dá)到某一大小的剪應(yīng)力產(chǎn)生，這

8、種狀態(tài)稱作粘合狀態(tài)(stick)“1；庫侖摩擦模型定義了一個等效剪應(yīng)力，一旦剪度力超過此值后，兩個表面之間將開始滑動，這種狀態(tài)稱作滑動狀態(tài)(sliding)?。粘合／滑動計(jì)算決定什么時候一個點(diǎn)從粘合狀態(tài)到滑動狀態(tài)或從滑動狀態(tài)到粘合狀態(tài)，摩擦系數(shù)可以是任一非負(fù)值。三、某水閘群樁一軟土及承臺共