软土地基水闸桩土承台共同作用的沉降分析及检测

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1、软土地基水闸桩土承台共同作用的沉降分析及检测摘要：利用数值模拟的方法，分析了软土地基上所建立的水闸工程下部桩土承台共同作用的受力性能，并根据龚帕兹曲线对基础的沉降量进行了预测。采用理想弹塑性模型和Drucker-prager屈服准则对土体进行了分析，土体与桩基交界面的非线性状态采用面-面接触单元进行考虑，对桩土承台30个月的沉降变形进行了分析计算，并与工程检测的数值进行了对比分析。结果表明，预测值与检测值误差不超过5%，沉降预测结果可为监测该水闸工程日后的工作性能提供参考依据。中国8/vie　　关键词：软土地基有限元法接触单元沉降预测　　中图分类号：TV22

2、文献标识码：A：1672-3791（2017）03（a）-0077-04　　某水坝大闸工程为一座中型水闸，总长为96m，从结构上可分为8段，同时须在此建一个船闸以便船只的通航，船闸为500T级，为了使来往的船只能够顺利通过，需开挖河道约830m，江面宽约166m。该大坝所在的区域土质较差为软土，在对大坝施工后易出现地基不稳定的问题，因此，为保证该水坝的安全与稳定性，控制水闸工程的下部桩土以及承台共同工作的沉降位移等问题显得尤为重要。为了全面系统的估算结构的可靠性，保障大坝的安全稳定，该文利用数值模拟的方法，通过有限元软件ANSYS建立模型，对桩土以及承台共同

3、工作的沉降位移进行了深入研究，并与工程检测数值进行了对比。　　1桩土承台共同作用的有限元计算　　1.1水闸工程基本参数　　余姚市姚江蜀山水闸（水坝大闸实景如图1所示）基础采用41根直径800mm的钻孔灌注桩基础，C25钢筋混凝土，桩长42.5m，承台厚度为1.6m。考虑承台上建筑物的自重、固定设备重和人群荷载等竖向荷载，其上部竖向荷载取值10kN/m2，同时针对桩土相互作用的问题，模型建立时土体取为85m的高度，从上部到下部依次为淤泥质粘土层22m、粉质粘土3m、粉砂1m、粉质粘土20m、粉砂岩，其中桩端以下土体为42.5m，而淤泥质粘土层、粉质粘土、粉砂是

4、与群桩相互作用的土层。　　1.2数值计算模型　　在对水闸进行建模的过程中首先建立一跨的模型，桩上承台尺寸28m×16m，桩周围土体计算范围沿承台两侧分别扩展56m和32m，桩底以下取42.5m的土体。桩、承台和土体的单元类型经过分析对比后，采用SOLID45的等参单元，考虑到桩端与桩侧附近土体受力状况比较复杂，因此，网格划分时进行了加密。桩和土之间通过设置TARGE170和CONTA174接触面单元，来模拟桩土二者之间的错动滑移。在桩端处加设了一层横向接触面单元，以避免接触单元在桩端处终止。有限元模型共划分为23170个单元，3599个节点，并在模型的侧向、

5、底面施加了法向约束作为边界条件。整体网格划分如图2所示，桩与承台网格划分如图3所示。　　工程实践中，桩和土两种材料的弹性模量相差很大，在荷载作用下，桩一般处于弹性阶段，而其周边的土容易达到塑性状态。因此，针对桩土相互作用的特殊性，桩采用弹性材料[1，2]，土体采用Drucker-prager理想弹塑性模型，从而保证模型的准确性。　　采用Drucker-prager理想弹塑性模型的屈服准则去逼近Mohr-coulomb准则，进一步实现Von-Mises屈服准则的修正[3]。该准则的屈服面不随着材料的逐渐屈服而改变，没有强化准则，而屈服强度随着侧压力的增加呈现出

6、递增的趋势，其塑性行为被假定为理想弹塑性（如图4所示）。　　针对所建立的三维模型进行分析计算，对承台施加竖向荷载后，在进行分析时，如果桩基与土体之间没有产生明显的相对滑动，则二者之间变形是协调的。但实际的计算过程中，由于这两种材料性质相差较远，在一定的受力条件下二者的接触面上，一般都会出现错动滑移或开裂现象。因此，需采用接触单元[4]来对二者之间的相互作用进行模拟。　　在数值模拟分析过程中，当一种软材料和一种硬材料接触时，可以采用刚体-柔体的面-面接触单元进行交界处的模拟，其中，刚性面被当作“目标”面，可利用TARGE170单元来模拟，柔性体的表面被当作“接

7、触”面，用CONTA174来模拟[5]，因此，对于桩土交界面的非线性模拟完全可以采用这种模型实现。　　1.3计算结果与分析　　图5、图6分别给出了整体及桩与承台的变形云图。从图中可以看出，模型中位于土与桩连接的承台的中部位置达到的最大变形约为0.9673cm，而承台其余部分的位移由中间向边缘逐渐减小，但与中间部分的变形相差不大，总体看桩端部的变形很小，其对应土体的最大变形位置与桩及承台相同数值模拟的方法进行模拟的沉降量与实际土体的沉降量具有一致性。　　2沉降预测　　2.1龚帕兹曲线　　桩基在上部荷载加载过程中的沉降可以分为4个阶段。　　（1）发生阶段。在加载

8、的一开始，土体处于弹性状态，随着荷载的增加，测点的沉