搜索復合地基非線性有限元分析
2013-06-10 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
針對梅花形布置的群樁的應力和位移,運用有限元軟件 MSC.Marc 對微群樁復合地基進行非線性接觸分析,找出復合地基一些沉降和應力分布規律。
作者: 王琪*袁新明 來源: e-works
關鍵字: 微群樁 復合地基 MSC.Marc 位移 應力
隨著建筑事業的發展,由于地形、地質條件的限制,許多建筑物不得不建設在軟土地基上。但是軟土地基往往不能滿足上部結構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行了處理,如復合地基等。"復合地基"這一新的概念于六十年代出現于國外,其與天然地基同屬于地基范疇,兩者之間有著內在的聯系,但增強體的存在又使兩者具有本質的區別[1]。近年來,由于地基處理技術的發展,復合地基在土木工程、水利工程中得到越來越廣泛的應用,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和根據。
復合地基可分為三類:柔性樁復合地基、剛性樁復合地基和半剛性樁復合地基,其中剛性樁復合地基為混凝土類樁復合地基。素混凝土剛性短樁復合地基是其中一種有效的地基加固處理方法,其具有獨特的經濟技術優勢,近年來,在我國沿海地區的建筑中得到廣泛的應用,是很有發展前景的一種地基處理方法。目前,復合地基的理論遠遠落后于實踐[2],微群短樁屬于剛性樁,其工作機理與傳統的水泥土攪拌樁、砂石樁不同。微群短樁復合地基的力學特性與一般樁基有著本質的區別,而微型短樁又不同于一般的樁,因此有必要對這類復合地基進行分析研究。
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,在非線性接觸計算中Marc沒有采用傳統的罰函數法,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強項,計算準確可靠。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,以及事先無法預知接觸發生區域的接觸問題,程序能根據物體的運動約束和相互作用自動探測接觸區域,施加約束[3]。本文正是基于Marc較強的接觸算法對群樁與土體進行了非線性接觸分析。
3 計算模型
本文將樁體采取線彈性模型,土本構關系取為劍橋模型,群樁布置見圖 1a。在選取土體的模型時由于選取的范圍較大,因此土體的邊界條件可近似認為與周圍土體固結,即模型兩邊假設為豎向輥軸支座,土體底端假設為固端邊界條件。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系,選用Coulomb觸摩擦模型,摩擦系數取為 0.3。模型荷載有:自重、作用在樁體區域的均勻荷載(500KPa)。幾何網格劃分見圖 1b,有限元計算參數[4]見表 1。
4 有限元接觸結果及分析
4.1 復合地基位移分析
為了說明復合地基對天然地基的沉降與承載能力的改善程度,對天然地基與復合地基分別進行了模擬分析。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 可知經過微樁加固后的復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,復合地基的位移從里向外形成三個接近圓形的沉降區域,沉降在水平面上總體變化比較均勻,其中樁體所在的區域是復合地基沉降最大部分,達到 150mm。圖 5 反映了復合地基在 X=0 平面沉降分布,說明在 Y 方向上,荷載范圍內地基沉降最大,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 反映了復合地基在 Y=0 平面沉降分布,在 X 方向上,最大沉降仍出現在荷載作用的范圍內,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 顯示加固區的樁體和土體的位移是一致的,都為 133 mm~150mm,說明了加固區的地基是共同作用協條變形的。通過以上分析可知,在微群樁所在的區域形成了圓形的最大沉降區,影響深度約為樁長,并且這個區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,因此在施工設計中應該采取一定的措施減小樁體所在區域的沉降,也需要采取措施改善樁體深度范圍內的地基土體的不均勻沉降。總體來說,微群樁復合地基呈整體下沉趨勢,整體上沉降比較均勻;同時樁體與地共同作用協調變形,有利于改善地基的變形特性。
4.2 復合地基應力分析
圖 7 說明天然地基土的應力分布均勻,荷載由整個地基承擔,但是地基應力僅為 3.76×105 Pa;從圖 8 中可知微群樁復合地基中最大應力為 8.621×106Pa,可見微樁加固的復合地基極大的提高了地基的承載能力,效果非常顯著。另外,樁體承擔的應力約為 1.732×106~8.621×106Pa,樁端附近的土體承擔的應力約為 1.732×106 Pa,其余地基承擔的應力只有9.614×103 Pa~8.707×105 Pa,可見 微群樁復合地基中樁體承擔了大部分應力,這是因為樁體和地基土體是協調變形的,所以應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遠大于軟土地基的彈性模量,所以地基應力主要集中于樁體上,使樁體承擔大部分荷載,土體承擔小部分荷載,這有利于充分發揮混凝土的力學性能。另外,可知微群樁復合地基的受力層在樁體加固區,所以微群樁復合地基是不同于群樁基礎的,因此在設計中需要區別對待。
4.3 微群樁力學性能分析
從以上的分析中,可知在微群樁復合地基中,混凝土微樁對復合地基的力學性能的改善起決定作。但是微群樁復合地基的理論尚處于發展中,計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力場與位移場的分布情況進行分析,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 號樁進行分析。從圖 7 可知群樁垂直位移沿深度的分布規律基本是一致的,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行設計時,有必要考慮加強 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 反映了樁應力沿深度變化,其中 1 號與 6 號樁的應力沿深度的先變大,到達樁長3/5 處應力達到最大,值為 10×106Pa,然后又減小;2 號、4 號、7 號樁的變化規律是一致的,先增大,隨后又變小,又增大,達到最大,在樁深的 3/4 處,約為 5.0×106 Pa,最后又減小,其中 4 號、7 號樁的應力分布幾乎一樣。另外,1 號與 6 號樁的應力通長大于其它樁,群樁的 3/4 處往下的應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 號的邊樁應力比較大,最大值發生在約為樁長的 3/5 處,可以考慮在施工中采用強度比較高的混凝土來制作這些位置的樁體;樁端的應力比較小,而樁的中間部位附近的應力比較大,在設計中有必要重點考慮這些部位。另外,邊樁的應力大于中間樁的應力。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,數量級為 10-12Pa,這說明了微群樁復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 結語
運用有限元軟件 MSC.Marc 對微群樁復合地基進行接觸分析,得到了如下一些結論:
(1)通過分析可知,在樁體區域承受均勻 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)在微群樁所在的區域形成了圓形的最大沉降區,影響深度約為樁長。
(3)微群樁復合地基呈整體下沉趨勢,整體上沉降比較均勻;同時樁體與地基共同作用協調變形,有利于改善地基的變形特性;微群樁復合地基的受力層在樁體加固區,復合地基中樁體承擔了大部分應力。
(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力比較大;群樁的中間部位的應力大于底部應力。
(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
[1]王秀麗,白良.基礎工程[M].重慶:重慶大學出版社,2001.
[2]段永輝,肖昭然,張昭.剛性樁、柔性樁復合地基力學性狀三維有限元分析[J].工業建筑,2006,36(2):54~56.
[3]陳火紅.Marc 有限元實例分析教程[M].北京:機械工業出版社,2002.
[4]王麗艷,袁新明.微型樁復合地基沉降和動力特性研究[J].水利學報,2005,36(12):1492~1497.
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