變剛度布樁復合地基變形特性有限元分析

1、第42卷 第4期2010年8月文章編號:1673-8993(2010)04-0005-04Engineeringconstruction工程建設5變剛度布樁復合地基變形特性有限元分析宋小娟,張 蔭(西安建筑科技大學土木工程學院,陜西西安710055)摘 要:以數(shù)值模擬的方法分析研究了變剛度布樁復合地基的沉降影響因素。分別考察了筏板厚度、褥墊層厚度和模量、樁間土模量、樁端土模量變化對變剛度布樁復合地基沉降性狀的影響。關鍵詞:復合地基;變剛度;數(shù)值模擬;沉降中圖分類號:TU473 文獻標識碼:AFiniteelementanalysisofdeformationcharacteristicsofc

2、ompositepilefoundationwithvariablestiffnessSongXiaojuan,ZhangyinAbstract:Thesettlementinfluencingfactorsofcompositepilefoundationwithvariablestiffnesswereanalyzedandstudiedwithnumericalsimulationmethod1Theeffectofraftthickness,cushionthicknessandmodulus,pilesoilmodu2lusandpileendpointsoilmodulusvari

3、ationdeformationmodulusonsettlementcharacteristicsofcompositepilefoundationwithvariablestiffnesswereinvestigatedrespectively1Keywords:compositefoundation;variablestiffness;numericalsimulation;settlement沉降估算可采用規(guī)范方法。而筏下變剛度布樁復合地基的基礎沉降分布、沉降影響范圍、樁土荷載分擔等還有待進一步研究。本文以大型通用有限元軟件ABAQUS為工具,建立筏下變剛度布樁復合地基模型,對其沉降性

4、狀進行計算機仿真分析,并考察相關因素變化對其沉降性狀的影響。1 前 言在高層建筑筏板基礎的地基處理中,常采用CFG樁等剛性樁1。對于上部結構荷載差異較大的結構形式,如框-筒結構,其筏下地基處理可采用變剛度布樁2。即在基礎荷載較大的核心筒區(qū)域,筏下布較密的樁;在基礎荷載較小的區(qū)域稀疏布樁。根據(jù)現(xiàn)有的研究成果,復合地基筏下均勻布樁,其承載力驗算和收稿日期:2010-05-12基金項目:國家/十一五0項目子項(2008BAJ08B011-03)。作者簡介:宋小娟(1982-),女,碩士。2 計算模型及計算方案本文以軟土地區(qū)某商住樓的工程地質資料為基礎。模型在整個筏板基礎下進行變樁距滿堂布樁。以此為基

5、礎,考察相關因素變化時對變剛6工程建設第42卷 第4期的布置見平面圖1。本模型模擬復合地基共有52根樁,采用CFG樁,核心筒區(qū)樁布置較密,往外依次為內區(qū)和邊區(qū)布樁依次漸疏。為了簡化模型的分析計算,建模時將圓截面樁代換為正方形樁,樁長12m。筏板長寬厚為1819m1819m015m。根據(jù)復合地基的作用原理,在筏板與樁頂之間設置一個碎石褥墊層。褥墊層平面大小與筏板相同,厚度為013m。理取實際模型的1/4進行有限元分析計算。為了既滿足計算精度,又節(jié)省計算時間。計算模型土體底部剛性邊界設在離地表面3倍樁長處,X、Y軸側向計算邊界取在離板邊界4B處。模型底部為固定支撐,對稱面上采用對稱支撐,其余周邊為

6、豎向活動支撐,上邊界為自由邊界3。本文采用八節(jié)點的六面體減縮積分單元,即C3D8R單元。本計算模型網(wǎng)格單元總數(shù)為19629個。計算模型網(wǎng)格劃分如圖3所示,樁和筏板的情況見圖4。樁土界面采用面-面摩擦硬接觸,接觸面的摩擦類型為庫倫摩擦。利用*initialconditions進行土體整體初始地應力平衡。在后續(xù)分析步中用*modelchange殺死樁孔位置土單元,并加入樁體。圖1 筏下樁平面布置模型加載時,在筏板基礎上分核心區(qū)、內區(qū)、邊區(qū)、角區(qū)施加大小不同集中荷載,最大總荷載為6000kN。筏板基礎加載點及沉降測試特征點如圖2所示。圖3 有限元網(wǎng)格劃分圖2 筏板基礎加載點及沉降考察特征點分析計算中

7、假定樁體和筏板均為線彈性體;土體為連續(xù)的彈塑性體,且為各向同性體。計算土層簡化為兩層,樁長范圍內的為樁間土層,樁端以下的為樁端土層。具體:CFG樁,變形模量為215510MPa,泊松比為0117;樁間土變形模量為215MPa,泊松比為014,粘聚力為12kPa,內摩擦角為14b;樁端土變形模量為8MPa,泊松比為0135,粘聚力為15kPa,內摩擦角為20b;褥墊層變形模量為200MPa,泊松比為013,粘聚力為0,內摩擦角為3615b;筏板彈性模量為215510MPa,泊松比為0117。,44圖4 筏板、墊層與樁3 數(shù)值模擬結果分析311 筏板厚度變化對變剛度布樁復合地基變形特性的影響201

8、0年8月宋小娟等 變剛度布樁復合地基變形特性有限元分析7影響主要為筏板的厚度和彈性模量。筏板的彈性模量一般變化較小,所以在此主要考察筏板厚度對基礎沉降的影響。數(shù)值計算模擬中其余參數(shù)保持不變,筏板厚度按013m,014m,015m,016m變化。從圖5,圖6可以看出隨著筏板厚度的增加,筏板中心處的總沉降及筏板沉降差均隨之減小,且沉降減小的幅度也不斷減小。筏板厚度增大到一定程度后,減沉效果越來越不明顯。312 褥墊層變化對變剛度布樁復合地基變形特性的影響31211 褥墊層模量變化的影響為了考察褥墊層模量變化對變剛度布樁復合地基沉降性狀的影響,數(shù)值計算中保持模型其他參數(shù)不變,褥墊層模量分別取值100

9、MPa、200MPa、300MPa和400MPa進行模擬。從圖8、圖9中可以看出,隨著褥墊層模量的增大,筏板核心點沉降及差異沉降均隨之減小。當褥墊層模量增大到一定程度后,筏板沉降隨之減小的趨勢放緩。從筏板總沉降的變化來看,褥墊層模量從100MPa增大到400MPa,筏板核心點沉降只減小了不到1mm。這是因為復合地基中就是利用褥墊層模量較小的特點調節(jié)樁土應力比,從而使得樁土共同承圖5筏板厚度變化對筏板核心點沉降的影響擔上部結構傳遞的荷載,所以褥墊層與筏板的模量比較小。從而使得褥墊層模量的變化沒能有效地減低筏板的沉降。圖6 筏板厚度變化對筏板沉降差的影響筏板厚度的變化對筏板中心點下沿深度各點沉降的

10、影響如圖7所示。從圖中可以看出:隨著筏板厚度的增加,樁頂部分土體沉降量有所減小,從而使得筏板中心處沉降有所減小;而樁端以下土體沉降量基本沒有什么變化。圖8 褥墊層模量變化對筏板核心點沉降的影響圖9 褥墊層模量變化對筏板沉降差的影響31212 褥墊層厚度變化的影響數(shù)值計算中保持模型其他參數(shù)不變,褥墊層厚度分別取值100mm、200mm、300mm、400mm和500mm進行模擬。從圖10、圖11中可以看出,褥墊層厚度對筏板核心點沉降及筏板沉降差有所影響。隨圖7 筏板厚度對筏中心區(qū)地基豎向位移的影響,8工程建設第42卷 第4期差均隨之增大。這是因為褥墊層厚度增大后,土應力提高,土應力場的改變導致了

11、位移場的變化,從而使得土的沉降增大。但褥墊層厚度從100mm增大到500mm,筏板核心點總沉降只增大了很小的值。圖13 樁間土模量變化對筏板沉降差的影響圖10褥墊層厚度變化對筏板核心點沉降的影響圖11 褥墊層厚度變化對筏板沉降差的影響圖14 樁端土模量對筏中心區(qū)地基豎向位移的影響313 樁間土變形模量變化對變剛度布樁復合地基變形特性的影響數(shù)值計算中保持模型其他參數(shù)不變,樁間土模量分別取值215MPa、3MPa、4MPa和5MPa進行對比計算分析。從而考量樁間土模量變化對變剛度布樁復合地基沉降性狀的影響。如圖12、圖13所示隨著樁間土模量的增大,筏板核心點沉降及差異沉降隨之顯著減小。由圖14可以

12、得出筏板沉降的變化,主要由樁端附近土體壓縮量的變化而引起。和10MPa進行對比計算分析。從圖15、圖16、圖17中可以看出,隨著樁端土模量的增大,筏板核心點處沉降隨之減小。筏板沉降差的變化也隨著樁端土體模量的增大而減小。筏板沉降的變化主要是由樁端土體壓縮量的變化而引起的,隨著樁端土模量增大樁端地基土壓縮量減小,從而使得筏板基礎沉降隨之減小,而樁間土體的壓縮量沒有太大圖15 樁端土模量變化對筏板核心點沉降的影響圖12 樁間土模量變化對筏板核心點沉降的影響314 樁端土變形模量變化對變剛度布樁復合地基變形特性的影響數(shù)值計算中保持模型其他參數(shù)不變,樁端7圖16 樁端土模量變化對筏板沉降差的影響(下轉

13、第17頁)2010年8月李福如等 基于應變模態(tài)法的簡支橋梁損傷識別研究53117(2)對于一般簡支梁橋,其損傷單元的個數(shù)與其應變模態(tài)差值曲線跳躍峰值出現(xiàn)次數(shù)相同。(3)在本文模擬工況下,反映梁損傷的應變模態(tài)差的階數(shù)并非是固定的,但前5階應變模態(tài)差值曲線中均可以很好的反映出其損傷,驗證了理論方法的可行性。(4)損傷單元處的應變模態(tài)差值曲線跳躍幅值因單元損傷程度的增加而加大,并且在同一損傷程度下,跳躍幅值有隨模態(tài)階數(shù)增大而加劇的趨勢。參考文獻:1 徐麗,易偉建1應變模態(tài)在框架結構節(jié)點損傷診斷中的應用研究J1振動、測試與診斷,2006,26(2):102-10712 顧培英,陳厚群,李同春,鄧昌1用

14、應變模態(tài)技術診斷梁結構的損傷J1地震工程與工程振動,2005,25(4):50-3 顧培英1基于應變模態(tài)技術的結構損傷診斷直接指標法研究R1南京:河海大學博士論文,200614 李德葆1結構動力分析的應變模態(tài)法1機械強度,1990,12(3):56-6115 李德葆,諸葛鴻程,王波1實驗應交模態(tài)分析原理和方法J1清華大學學報,1990,30(2):105-11216 CZangandMImregun1StructuralDamageDetectionUsingArtificialNeuralNetworksandMeasuredFRFDataReducedviaPrincipalCompone

15、ntProjectionJ1JournalofSoundandVibration,20011242(5):813-82717 ZongZhouhong,WangTL1StateoftheArtReportofBridgeHealthMonitoringJ1JournalofFuzhouUniversity(NaturalScience)12002(2)11-29178 郭湘宇,李志譚,郭山國1應變模態(tài)法在結構損傷檢測診斷的研究J1太原科技大學學報,2007,28(1):50-5319 孫建剛,郭巍1基于應變模態(tài)變化率的彎曲薄板結構損傷研究J1哈爾濱工業(yè)大學學報,2007,39(8):1319-13221(上接第8頁)總沉降和筏板的差異沉降均隨之減小,且沉降減小的幅度也不斷減小。筏板厚度增大到一定程度后,減沉效果越來越不明顯。(2)隨著褥墊層模量的增大,筏板核心點沉降隨之減小。當褥墊層模量增大到一定程度后,筏板沉降隨之減小的趨勢不再明顯。(3)隨著褥墊層厚度的增大,筏板核心點沉降隨之增大;筏板沉降差亦隨之增大。(4)隨著樁間土模量的增大,筏板核心點沉降隨之顯著減小;筏板沉降差亦隨之減小。(5)隨著樁端土模量的增大,筏板核心點處沉降隨之減小;筏板沉降差的變化也