復(fù)合地基非線性有限元分析

2013-06-10  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

針對梅花形布置的群樁的應(yīng)力和位移,運(yùn)用有限元軟件 MSC.Marc 對微群樁復(fù)合地基進(jìn)行非線性接觸分析,找出復(fù)合地基一些沉降和應(yīng)力分布規(guī)律。

作者: 王琪*袁新明 來源: e-works
關(guān)鍵字: 微群樁 復(fù)合地基 MSC.Marc 位移 應(yīng)力

隨著建筑事業(yè)的發(fā)展,由于地形、地質(zhì)條件的限制,許多建筑物不得不建設(shè)在軟土地基上。但是軟土地基往往不能滿足上部結(jié)構(gòu)對地基承載力和沉降要求,為了提高地基的承載力和降低建筑物的沉降,工程界采取不同的措施對地基進(jìn)行了處理,如復(fù)合地基等。"復(fù)合地基"這一新的概念于六十年代出現(xiàn)于國外,其與天然地基同屬于地基范疇,兩者之間有著內(nèi)在的聯(lián)系,但增強(qiáng)體的存在又使兩者具有本質(zhì)的區(qū)別[1]。近年來,由于地基處理技術(shù)的發(fā)展,復(fù)合地基在土木工程、水利工程中得到越來越廣泛的應(yīng)用,其已成為很多地基處理方法的理論分析及公式建立的基礎(chǔ)和根據(jù)。
   
復(fù)合地基可分為三類:柔性樁復(fù)合地基、剛性樁復(fù)合地基和半剛性樁復(fù)合地基,其中剛性樁復(fù)合地基為混凝土類樁復(fù)合地基。素混凝土剛性短樁復(fù)合地基是其中一種有效的地基加固處理方法,其具有獨(dú)特的經(jīng)濟(jì)技術(shù)優(yōu)勢,近年來,在我國沿海地區(qū)的建筑中得到廣泛的應(yīng)用,是很有發(fā)展前景的一種地基處理方法。目前,復(fù)合地基的理論遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于實(shí)踐[2],微群短樁屬于剛性樁,其工作機(jī)理與傳統(tǒng)的水泥土攪拌樁、砂石樁不同。微群短樁復(fù)合地基的力學(xué)特性與一般樁基有著本質(zhì)的區(qū)別,而微型短樁又不同于一般的樁,因此有必要對這類復(fù)合地基進(jìn)行分析研究。
   
    2 MSC.Marc 非線性接觸功能簡介
   
Marc接觸分析提供了邊界條件高度非線性的接觸算法,在非線性接觸計(jì)算中Marc沒有采用傳統(tǒng)的罰函數(shù)法,而是利用探測接觸的方法來判定接觸, Marc程序的接觸算法是與眾不同的,自動接觸判斷是Marc強(qiáng)項(xiàng),計(jì)算準(zhǔn)確可靠。Marc提供的接觸算法有:間隙單元、非線性彈簧和接觸迭代算法。接觸迭代算法是直接施加約束的接觸算法,是解決所有接觸問題的通用方法,特別對大面積接觸,以及事先無法預(yù)知接觸發(fā)生區(qū)域的接觸問題,程序能根據(jù)物體的運(yùn)動約束和相互作用自動探測接觸區(qū)域,施加約束[3]。本文正是基于Marc較強(qiáng)的接觸算法對群樁與土體進(jìn)行了非線性接觸分析。
   

    3 計(jì)算模型
   
本文將樁體采取線彈性模型,土本構(gòu)關(guān)系取為劍橋模型,群樁布置見圖 1a。在選取土體的模型時(shí)由于選取的范圍較大,因此土體的邊界條件可近似認(rèn)為與周圍土體固結(jié),即模型兩邊假設(shè)為豎向輥軸支座,土體底端假設(shè)為固端邊界條件。模型采用 3D-solid7 單元,其中樁體 260 個單元,地基土體 9646 個單元,考慮樁土之間的接觸關(guān)系,選用Coulomb觸摩擦模型,摩擦系數(shù)取為 0.3。模型荷載有:自重、作用在樁體區(qū)域的均勻荷載(500KPa)。幾何網(wǎng)格劃分見圖 1b,有限元計(jì)算參數(shù)[4]見表 1。
   

4 有限元接觸結(jié)果及分析
   
    4.1 復(fù)合地基位移分析
   
為了說明復(fù)合地基對天然地基的沉降與承載能力的改善程度,對天然地基與復(fù)合地基分別進(jìn)行了模擬分析。從圖 2可看出,沒有加固的天然地基土體壓縮變形明顯,最大沉降為197mm;從圖 5、圖 6 可知經(jīng)過微樁加固后的復(fù)合地基豎向位移明顯小于天然地基,最大沉降為 150.2mm,可見微樁對地基沉降的減小效果十分顯著, 約為 25%。
   

從圖 3 與圖 4 中可知微群樁復(fù)合地基的位移在垂直方向上減小過程比較均勻,同一高度地基位移大致相等;在水平方向上,以 7 號樁為原點(diǎn),復(fù)合地基的位移從里向外形成三個接近圓形的沉降區(qū)域,沉降在水平面上總體變化比較均勻,其中樁體所在的區(qū)域是復(fù)合地基沉降最大部分,達(dá)到 150mm。圖 5 反映了復(fù)合地基在 X=0 平面沉降分布,說明在 Y 方向上,荷載范圍內(nèi)地基沉降最大,影響長度約為群樁的分布長度,最大沉降影響深度大約為樁體深度,靠近樁體的土體在同一高程上垂直位移相差比較大;隨著深度的加深,同一高程的地基垂直位移大致相等。圖 6 反映了復(fù)合地基在 Y=0 平面沉降分布,在 X 方向上,最大沉降仍出現(xiàn)在荷載作用的范圍內(nèi),影響寬度略大于群樁分布寬度,影響深度略小于樁體長度,在其它范圍內(nèi)同一高程的土體垂直位移大致相同。另外,圖 5 和圖 6 顯示加固區(qū)的樁體和土體的位移是一致的,都為 133 mm~150mm,說明了加固區(qū)的地基是共同作用協(xié)條變形的。通過以上分析可知,在微群樁所在的區(qū)域形成了圓形的最大沉降區(qū),影響深度約為樁長,并且這個區(qū)域的附近的地基土體在 X 和 Y 方向的垂直位移相差比較大,可能形成不均勻沉降,因此在施工設(shè)計(jì)中應(yīng)該采取一定的措施減小樁體所在區(qū)域的沉降,也需要采取措施改善樁體深度范圍內(nèi)的地基土體的不均勻沉降?？傮w來說,微群樁復(fù)合地基呈整體下沉趨勢,整體上沉降比較均勻;同時(shí)樁體與地共同作用協(xié)調(diào)變形,有利于改善地基的變形特性。

4.2 復(fù)合地基應(yīng)力分析
   
圖 7 說明天然地基土的應(yīng)力分布均勻,荷載由整個地基承擔(dān),但是地基應(yīng)力僅為 3.76×105 Pa;從圖 8 中可知微群樁復(fù)合地基中最大應(yīng)力為 8.621×106Pa,可見微樁加固的復(fù)合地基極大的提高了地基的承載能力,效果非常顯著。另外,樁體承擔(dān)的應(yīng)力約為 1.732×106~8.621×106Pa,樁端附近的土體承擔(dān)的應(yīng)力約為 1.732×106 Pa,其余地基承擔(dān)的應(yīng)力只有9.614×103 Pa~8.707×105 Pa,可見 微群樁復(fù)合地基中樁體承擔(dān)了大部分應(yīng)力,這是因?yàn)闃扼w和地基土體是協(xié)調(diào)變形的,所以應(yīng)力按照地基材料彈性模量分配的,而混凝土樁體的彈性模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于軟土地基的彈性模量,所以地基應(yīng)力主要集中于樁體上,使樁體承擔(dān)大部分荷載,土體承擔(dān)小部分荷載,這有利于充分發(fā)揮混凝土的力學(xué)性能。另外,可知微群樁復(fù)合地基的受力層在樁體加固區(qū),所以微群樁復(fù)合地基是不同于群樁基礎(chǔ)的,因此在設(shè)計(jì)中需要區(qū)別對待。
   
    4.3 微群樁力學(xué)性能分析
   
從以上的分析中,可知在微群樁復(fù)合地基中,混凝土微樁對復(fù)合地基的力學(xué)性能的改善起決定作。但是微群樁復(fù)合地基的理論尚處于發(fā)展中,計(jì)算理論還不是太成熟,以下對微群樁每個樁體在荷載作用下的應(yīng)力場與位移場的分布情況進(jìn)行分析,由于梅花形布置,樁的位置和荷載具有對稱性,因此主要對 1 號、2 號、4 號、6 號、7 號樁進(jìn)行分析。從圖 7 可知群樁垂直位移沿深度的分布規(guī)律基本是一致的,從上到下是逐步減小的,但變化的幅度很小。4 號樁的變化規(guī)律略不同于其它樁體,它的位移先減小,在深度 0.4m 處又變大,最后減小。其中,1 號樁的垂直變形最小,而 7 號樁的垂直位移最大。因此,對梅花形布置的微群樁進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),有必要考慮加強(qiáng) 7 號樁位置的樁的剛度;由于混凝土微樁是剛性的,長度比較短,垂直位移沿樁長變化不大,這與樁基的樁體位移變化規(guī)律不一樣;對于處于梅花形 4號樁位置的樁,需要考慮沿樁身的位移突變的影響。
   

圖 8 反映了樁應(yīng)力沿深度變化,其中 1 號與 6 號樁的應(yīng)力沿深度的先變大,到達(dá)樁長3/5 處應(yīng)力達(dá)到最大,值為 10×106Pa,然后又減小;2 號、4 號、7 號樁的變化規(guī)律是一致的,先增大,隨后又變小,又增大,達(dá)到最大,在樁深的 3/4 處,約為 5.0×106 Pa,最后又減小,其中 4 號、7 號樁的應(yīng)力分布幾乎一樣。另外,1 號與 6 號樁的應(yīng)力通長大于其它樁,群樁的 3/4 處往下的應(yīng)力大小和分布幾乎是一樣的。通過分析可知,微群樁位置 1 號與 6 號的邊樁應(yīng)力比較大,最大值發(fā)生在約為樁長的 3/5 處,可以考慮在施工中采用強(qiáng)度比較高的混凝土來制作這些位置的樁體;樁端的應(yīng)力比較小,而樁的中間部位附近的應(yīng)力比較大,在設(shè)計(jì)中有必要重點(diǎn)考慮這些部位。另外,邊樁的應(yīng)力大于中間樁的應(yīng)力。圖 9 反映了樁身摩阻力分布,群樁的摩阻力分布形式幾乎是一致的,但是摩阻力的值卻很小,數(shù)量級為 10-12Pa,這說明了微群樁復(fù)合地基上部荷載不是通過摩阻力傳遞的,而是基本是通過樁身傳遞,微樁是承受上部荷載的主體。
   

    5 結(jié)語
   
運(yùn)用有限元軟件 MSC.Marc 對微群樁復(fù)合地基進(jìn)行接觸分析,得到了如下一些結(jié)論:
   
(1)通過分析可知,在樁體區(qū)域承受均勻 500KPa 的荷載情況下,微群樁顯著地減小了天然地基的沉降,約為 25%;并且顯著地提高了地基的承載力。
(2)在微群樁所在的區(qū)域形成了圓形的最大沉降區(qū),影響深度約為樁長。
(3)微群樁復(fù)合地基呈整體下沉趨勢,整體上沉降比較均勻;同時(shí)樁體與地基共同作用協(xié)調(diào)變形,有利于改善地基的變形特性;微群樁復(fù)合地基的受力層在樁體加固區(qū),復(fù)合地基中樁體承擔(dān)了大部分應(yīng)力。
(4)對于梅花形布置的微樁群來說,7 號樁位置的樁的垂直位移比較大;復(fù)合地基垂直位移沿樁長變化不大,這與樁基的樁體位移變化規(guī)律不一樣。
(5)對于梅花形布置的微樁群,1 號與 6 號樁位置的邊界樁體應(yīng)力比較大;群樁的中間部位的應(yīng)力大于底部應(yīng)力。
(6)群樁的摩阻力分布形式幾乎是一致的,但是摩阻力的值卻很小;這說明了微群樁復(fù)合地基上部荷載基本是通過樁身傳遞,微樁是承受上部荷載的主體。
   
    6 參考文獻(xiàn)
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[4]王麗艷,袁新明.微型樁復(fù)合地基沉降和動力特性研究[J].水利學(xué)報(bào),2005,36(12):1492~1497.

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