摘要:将有限元软件应用在地基基础设计领域。
关键词:数值模拟技术;有限元软件;基础设计;对比分析
Application of Finite Element Software Composite Foundation
Zhang Yu
(Zhejiang Electric Power Construction CO.Ltd.,Ningbo315010,China)
Abstract:The finite element software used in foundation design.
Keywords:Numerical simulation technology;Finite element software; Foundation design;Comparison analysis
数值模拟技术是人们在现代数学、力学理论的基础上,借助于计算机技术来获得满足工程要求的数值近似解的方法,而随着计算机的发展数值模拟技术在工程中得到越来越广泛的应用。本文借助于大型有限元软件ANSYS完成了地基基础设计参数变化对其沉降量等情况的影响模拟,望能对地基基础设计和施工工作起到一定的参考作用。
一、工程概况及地基基础设计情况
某国家石油储备基地原油储罐为立式圆筒形钢质浮顶罐,高22m,直径80m,单罐容积为10×104m3。设计地基基础如下:CFG桩桩长为30m,桩径为550mm,桩间距为2.0m,褥垫层的厚度为50cm,桩身材料强度等级为C15,采用正方形布桩,布桩数1485根。
二、有限元模型的建立及计算参数
(一)模型建立
在进行有限元分析前,需要从实体模型中抽象出有限元分析对象。整个油罐基础范围内桩数多达一千多根,将整个实体基础作为有限元分析对象显然不可能,也没有必要。在充分考虑对称性和桩土受力性状后取出基础的一部分作为初步分析对象,其平面图如图1所示。其中S代表桩间距,R代表油罐中心至环墙外缘的距离,黑圈代表桩体。
利用上述简化后的对象进行有限元分析需要建立三维有限元模型,势必会造成网格划分后单元数目过多和计算时间过长,影响分析的效率,于是在此对象的基础上进一步进行了简化,利用面积等效原则简化后的平面图如图2所示。图中的参数意义同上文,黑色小方块的面积与桩截面面积相同。通过如此的简化后,可以建立二维的有限元模型进行分析,有限元分析对象如图3所示。
(二)计算参数
有限元计算中采用8节点二维平面轴对称单元(Plane82),桩土均假设为线弹性模型,不考虑桩土之间的接触。
1.有限元对象的几何参数。
=41.0m;水平方向总长度60.0m;竖直方向总深度为75.0m;
在对象两侧施加水平方向的约束,在底端施加全约束。
2.刚性桩复合地基几何计算参数及土力学参数。
线荷载大小: =250kPa;
垫层(碎石、级配砂石): =500mm; =30MPa; =0.25;
桩: =30m(讨论值为:22m、26m、34m);
=550mm(讨论值为:471mm、512mm、585mm);
=2.00m(讨论值为:1.77m、2.31m、2.73m);
= Mpa; =0.16667;
上层土(实值): =2.3Mpa; =0.4;
下层土1(实值): =5.5Mpa; =0.35;
下层土2(实值): =10Mpa; =0.3;
为探讨桩体参数对沉降的影响,以上括号内的值按照桩身材料总用量相等的原则选取,其余值为基本常量,其中土的压缩模量采用加权平均模量值,在有限元计算中将压缩模量转换为变形模量进行计算。
三、计算结果分析
(一)有限元沉降计算及对比
在上述所建模型及参数的基础上,通过有限元计算可知,在未加固地基上施加同样大的荷载,中心沉降量有2.4m多(如图4所示),难以满足正常使用的要求,因此有必要进行地基加固处理。用有限元方法计算刚性桩复合地基所得的沉降量如下表所示:
上表中各方法计算所得沉降值均未进行沉降经验系数修正。总体而言,三种方法在罐心处的沉降计算值较为接近,在罐边处差异较大。对有限单元法由于模型在水平方向所取宽度有限,在一定程度上约束了罐边的沉降量;应力修正法由于忽略了增强体的存在,故计算值较实际值会偏大。图5为有限元方法计算所得的沉降图,图中变形量跟图4一样均放大4倍。
(二)沉降及桩土应力分析
图6及图7为计算模型中某两根桩及桩间土在深度方向的沉降变化曲线。
从此两图可以看出,在30m的深度范围内(即加固区),桩及桩间土的沉降变化都很小;在大于30m的深度范围(即下卧层),沉降发生较大的变化。这说明刚性桩复合地基的沉降变形主要发生在下卧层,在加固区的沉降相对较小。
对这两幅图进一步比较可以发现,图7中沉降变化曲线在地表及加固区和下卧层的分界处呈圆弧变化,产生此变化的主要原因是由于桩的变形模量远大于土的变形模量,且假设桩、土、垫层均为线弹性体,导致垫层和下卧层顶在桩和桩间土的部位产生变形差,在实际工程中,可反映为桩在顶部及端部分别发生了刺入变形,同时引起桩间土体受到较大压缩变形。
图8为同一深度条件下,沿水平方向的桩土沉降关系图。该图反映的结论与图7有相似之处。图中共有5条曲线:最上一条曲线为垫层底部(即桩顶)的沉降变化图,曲线圆弧凹进的最低点为布桩的位置,桩及桩间土产生较大的沉降差主要是因为桩土变形模量相差较大,在实体工程中反映为桩顶向上刺入垫层,同时桩间土受到压缩的缘故;由上往下第二条曲线为接近桩顶某一深度处的沉降变化线,可以看到,桩及桩间土的沉降差大大减弱,且此减弱过程相对较快;到达一定深度后,桩及桩间土的沉降差已经消失,如图中第三条平滑曲线所示;在距桩端附近深度处,平滑的圆弧线又开始出现凹凸变形,即沉降差,且凹凸方向刚好与最上两条曲线相反;到了桩端处,沉降差达到最大,在工程中主要反映为桩端刺入下卧层。
图9为有限元软件计算所得桩顶附近桩与土中的应力数值,由该图可得,桩土应力比约为36左右。
(三)桩体参数变化对沉降的影响分析
探讨桩体参数与沉降的关系有利于明确桩体参数中沉降的主控因素,对于复合地基的优化设计有着十分重要的意义。以下在桩身材料总用量相等情况下桩体参数变化后对沉降的影响分析均为定性的分析,因此不考虑其承载力、施工等因素的影响。
1.桩径 和桩间距 不变,桩长 的变化值为:22m、26m、30m、34m。
通过有限元计算所得沉降随桩长 的变化曲线如图10所示。
2.桩间距 和桩长 不变,桩径 的变化值为:471mm、512mm、550mm、585mm。
通过有限元计算所得沉降随桩径 的变化曲线如图11所示。
3.桩径 和桩长 不变,桩间距 的变化值为:1.77m、2.00m、2.31m、2.73m。
通过有限元计算所得沉降随桩间距 的变化曲线如图12所示。
从上图可以看出,沉降随着桩长的增大而减小,随桩径的增大而减小,随桩间距的增大而增大。
图13为桩身材料用量变化量相同情况下,桩体参数对沉降的影响效应。从该图可以看出,桩长对沉降的影响最为明显,桩间距次之,桩径对沉降的影响较弱。因此,在桩身材料用量相同的情况下,增加桩长能够有效的降低沉降量,改善地基的特性,而桩间距及桩径的变化对沉降量的影响较小。
(四)桩体参数变化对桩土应力比的影响分析
复合地基中桩体和桩间土共同直接承担上部结构通过基础或垫层传递的荷载是复合地基的一个基本特征。通常将桩顶平均应力与桩间土平均应力之比称为桩土应力比,它是反映复合地基工作状态的一个重要参数。桩土应力比的影响因素很多,对桩土应力比的精确计算是很困难的,此外对桩土应力比的现场测试也是很困难的。因此桩土应力比一般适合于作定性的分析,很难用它进行量化设计。
图14与图15为有限元计算所得桩土应力比与桩长及桩径(置换率)的关系,从图中可以看出桩土应力比随着桩长的增加而增加,随着桩径(置换率)的增加而减小。
参考文献:
[1]基础工程.中国建筑工业出版社,2003
[2]建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)
个人简介:张羽,2005年毕业于浙江大学土木工程系,现从事于浙江省电力建设有限公司,负责土建专业有关技术工作。