CN106021664B - 串珠状岩溶对桩基受力变形影响的分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种串珠状岩溶对桩基受力变形影响的分析方法，步骤是A、选取有限元数值仿真软件；B、根据现场地质调研，建立轴对称二维几何模型；C、网格划分，选取本构模型，设定边界条件和材料参数；D、在桩基与地层间增设接触单元；E、杀死桩基材料单元，模拟地层在重力作用下的应力状态和沉降变形；F、激活桩基材料单元，模拟桩基施工；G、施加桩基顶部荷载，模拟外荷载作用；H、将溶洞内充填物弹性模量进行折减，模拟溶洞内松软填充物在扰动后二次固结沉降过程；I、通过后处理程序，获得地层与桩基的应力变形结果。方法易行，操作简便，计算高效，满足了岩溶地区桩基设计与施工，对于岩溶地区建筑物桩基的设计与施工具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及建筑与土木工程计算分析技术领域，尤其涉及一种串珠状岩溶对桩基受力变形影响的分析方法，它适用于串珠状溶洞对大型桥梁桩基的受力变形影响规律的研究。
背景技术
随着的工程建设规模越来越大，岩溶对建筑物的危害也越来越引起人们的重视。岩溶的发育破坏了岩石的完整性，大幅度降低了岩石的稳定性和强度，在振动及附加荷载等其它因素作用下，可能导致溶洞顶板坍塌，地基突然下沉，引起结构物的损坏，从而造成重大的损失。
岩溶地区桥桩基础稳定性评价一个十分复杂的问题，在工程界也得到越来越多的关注。在岩溶区进行桥梁建设，选择合理的桩型和桩基持力层，是设计的关键所在。根据地质情况和受力方式的不同，桥桩可采用嵌岩桩和摩擦桩。桩端入持力层（岩）深度，是设计时必须确定的关键参数。嵌岩桩桩端入基岩的深度不宜盲目过大，否则坚硬的基岩将增大施工难度。或者，由于持力层下弱夹层的存在，过大的入岩深度，只能增加桩身长度到达下面的持力层，这就带来施工成本的增加。桩端持力层合理厚度的确定，也是岩溶地区复杂地质条件下设计成功的保证，片面增加持力层厚度，往往为找到合适的持力层而过多增大了桩长，造成大量的浪费。目前，桩端下伏溶洞顶板稳定性分析方法主要有定性、半定量和定量分析方法。主要通过工程经验或工程类比建立简单的计算模型或经验公式，以此对溶洞顶板稳定性进行评价。然而，影响桩基受力变形的因素很多，包括岩溶的大小、数量以及间距等多种因素，如何准确定量化分析研究这些因素对于桩基受力变形的影响，是桥梁基础的设计与施工面临的主要问题。
为解决上述问题，研究一种串珠状岩溶对桩基受力变形影响的分析方法，结合串珠状溶洞桥梁桩基的特点，基于有限元平台，开展数值仿真计算，探讨溶洞数量、间距、尺寸等因素对桩基受力变形的影响规律，对于岩溶地区建筑物桩基的设计与施工具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是针对串珠状岩溶地区大型桥梁或建筑物桩基设计，是在于提供了一种串珠状岩溶对桩基受力变形影响的分析方法，方法易行，操作简便，目的明确，技术新颖，计算高效，满足了岩溶地区桩基设计与施工技术的研究需要，对于岩溶地区建筑物桩基的设计与施工具有重要的意义。
为解决上述的问题，本发明采用以下技术措施：
一种串珠状岩溶对桩基受力变形影响的分析方法，包括以下步骤：
一、选取数值仿真软件，如有限元软件ANSYS，作为一种串珠状岩溶对桩基受力变形影响的分析方法的分析平台；
二、根据现场地质调研，得到单桩与溶洞的空间几何位置关系，将建筑物桩基与地层关系近似视为轴对称问题，在ANSYS软件中建立轴对称二维几何模型；
三、选取八节点平面单元，对几何模型进行平面三角形或四边形网格划分，选取Drucker-Prager或Mohr-Coulomb作为材料本构模型，设定边界条件和材料参数；
四、为了真实的反映桩基与地层之间的相互作用，在桩基与地层间增设了接触单元，接触单元是目标单元与接触单元形成的接触对，目标单元设置在刚度较大的桩体的外侧，接触单元设置在模量较低的土体外侧；
五、杀死桩基材料单元，模拟地层在重力作用下的应力状态和沉降变形，对轴对称数值模型进行初始地应力计算，计算过程是，在ANSYS软件中，选取所有桩体单元，用EKILL命令杀死桩基单元，用ESEL,S,LIVE命令选取活单元，用NSLE命令选取单元节点，再反向选取单元节点，通过D,All,All命令约束杀死节点的位移，通过SOLVE命令求解；
六、激活桩基材料单元，模拟桩基施工，荷载为桩体自重，对桩基进行应力变形计算，计算过程是，在ANSYS软件中，用EALIVE命令激活桩单元，用DDELE命令删除节点位移约束，通过SOLVE命令求解；
七、施加桩基顶部荷载，模拟外荷载作用下的应力变形计算；计算过程是，在ANSYS软件中，选取桩基顶面线单元，通过SFL命令施加线荷载，通过SOLVE命令求解；
八、将溶洞内充填物弹性模量进行折减，折减后的弹性模量为初始值的60%~70%，进行桩基应力变形计算，这一过程模拟溶洞内松软填充物在扰动后二次固结沉降过程中对桩基应力变形的影响，计算过程是，在ANSYS软件中，用ESLA命令选取溶洞内松软填充物单元，通过MPCHG命令改变单元材料属性，将新的折减后的弹性模量赋予松软填充物，再通过SOLVE命令求解；
九、通过后处理程序，消除初始地应力的影响，通过LCDEF将第i个计算步定义为第i个荷载工况，通过LCASE命令载入一个工况，通过LCOPER,SUB命令进行荷载工况的相减，再查看计算结果的云图，获得地层与桩基的应力和变形结果，桩基摩阻力分布和轴力分布的结果。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
提供了一种操作性强、可靠性高的计算分析方法，通过模量折减法，来模拟岩溶地区溶洞内已经处于相对平衡稳定的状态的松软填充物，在桩基施工过程中，当刚度较大的桩体穿过串珠状溶洞后，强烈的扰动破坏了溶洞内松软填充物平衡状态，从而激发溶洞内填充物产生应力释放效应，并以固结沉降变形的方式，来抵抗应力释放所做的功，直至溶洞内的能量环境处于新的平衡状态的过程中对桩基受力变形的影响，解决了有限元数值仿真计算中材料二次固结沉降难以进行真实模拟的难题。同时，考虑到桩基与溶洞的几何特征与空间关系，计算中采用轴对称模型进行分析，大大简化了计算模型，减少了单元数量和迭代次数，提高了计算效率，且保证了结果的真实性与正确性。
发明人通过该串珠状岩溶对桩基受力变形影响的分析方法，对广东省惠州市某公路桥工程中岩溶对桥梁基桩的影响进行了计算分析，得出结果：如附图3所示，在溶洞固结沉降的作用下，桩周围的桥基地层发生附加沉降变形，但沉降量和影响范围均较小；在溶洞固结沉降作用下，溶洞区域附近桩体的沉降增大，而下部桩体离溶洞越远，其沉降越小。如附图4所示，通过折减溶洞内松软填充物弹模后，在溶洞固结沉降影响下，溶洞区域出现了负摩阻，溶洞中部出现最大负摩阻，并缓慢向两侧递减。如附图5所示，当折减溶洞内松软填充物的弹性模量后，溶洞的固结沉降导致桩身轴力突然反向增大，当轴力反向增大到一定值后，桩身轴力又随深度递减；溶洞的固结沉降明显增大了桩身轴力。分析结果真实可靠，与工程实际保持高度一致，满足了岩溶地区建筑物桩基的设计与施工需求。
该串珠状岩溶对桩基受力变形影响的分析方法，满足了岩溶地区串珠状岩溶对桩基受力变形影响的分析需求，目的明确，技术新颖，计算高效，效果显著，对于岩溶地区建筑物桩基的设计与施工具有重要的意义。
附图说明
图1为一种串珠状岩溶概化示意图；
图2为一种串珠状岩溶对桩基受力变形影响的分析方法的几何模型示意图；
图3为一种桩基和地层沉降变形结果示意图；
图4为一种溶洞沉降影响下桩基摩阻力分布结果示意图；
图5为一种溶洞尺寸溶洞沉降影响下桩身轴力结果示意图；
图中：1—溶洞，2—桩基。
具体实施方式
实施例1：
下面根据附图对本发明作进一步详细描述：
根据图1、图2、图3、图4、图5可知，一种串珠状岩溶对桩基受力变形影响的分析方法，包括以下步骤：
一、选取数值仿真软件，如有限元软件ANSYS，作为一种串珠状岩溶对桩基2受力变形影响的分析方法的分析平台；
二、根据现场地质调研，得到单桩与溶洞1的空间几何位置关系，将建筑物桩基2与地层关系近似视为轴对称问题，在ANSYS软件中建立轴对称二维几何模型；
三、选取八节点平面单元，对几何模型进行平面三角形或四边形网格划分，选取Drucker-Prager或Mohr-Coulomb作为材料本构模型，设定边界条件和材料参数；
四、为了真实的反映桩基2与地层之间的相互作用，在桩基2与地层间增设了接触单元，接触单元是目标单元与接触单元形成的接触对，目标单元设置在刚度较大的桩体的外侧，接触单元设置在模量较低的土体外侧；
五、杀死桩基2材料单元，模拟地层在重力作用下的应力状态和沉降变形，对轴对称数值模型进行初始地应力计算，具体计算过程是，在ANSYS软件中，选取所有桩体单元，用EKILL命令杀死桩基2单元，用ESEL,S,LIVE命令选取活单元，用NSLE命令选取单元节点，再反向选取单元节点，通过D,All,All命令约束杀死节点的位移，通过SOLVE命令求解；
六、激活桩基2材料单元，模拟桩基2施工，荷载为桩体自重，对桩基2进行应力变形计算，具体计算过程是，在ANSYS软件中，用EALIVE命令激活桩单元，用DDELE命令删除节点位移约束，通过SOLVE命令求解；
七、施加桩基2顶部荷载，模拟外荷载作用下的应力变形计算，具体计算过程是，在ANSYS软件中，选取桩基2顶面线单元，通过SFL命令施加线荷载，通过SOLVE命令求解；
八、将溶洞1内充填物弹性模量进行折减，折减后的弹性模量为初始值的60%或65%或70%，进行桩基2应力变形计算，这一过程模拟溶洞1内松软填充物在扰动后二次固结沉降过程中对桩基2应力变形的影响，具体计算过程是，在ANSYS软件中，用ESLA命令选取溶洞1内松软填充物单元，通过MPCHG命令改变单元材料属性，将新的折减后的弹性模量赋予松软填充物，再通过SOLVE命令求解；
九、通过后处理程序，消除初始地应力的影响，通过LCDEF将第i个计算步定义为第i个荷载工况，通过LCASE命令载入一个工况，通过LCOPER,SUB命令进行荷载工况的相减，再查看计算结果的云图。获得地层与桩基2的应力变形结果，以及桩基2摩阻力、轴力分布结果。
Claims (1)
1.一种串珠状岩溶对桩基受力变形影响的分析方法，其步骤是：
A、选取数值仿真软件，有限元软件ANSYS，作为一种串珠状岩溶对桩基(2)受力变形影响的分析方法的分析平台；
B、根据现场地质调研，得到单桩与溶洞(1)的空间几何位置关系，将建筑物桩基(2)与地层关系近似视为轴对称问题，在ANSYS软件中建立轴对称二维几何模型；
C、选取八节点平面单元，对几何模型进行平面三角形或四边形网格划分，选取Drucker-Prager或Mohr-Coulomb为材料本构模型，设定边界条件和材料参数；
D、为了反映桩基(2)与地层之间的相互作用，在桩基(2)与地层间增设了接触单元，接触单元是目标单元与接触单元形成的接触对，目标单元设置在刚度桩体的外侧，接触单元设置在模量较低的土体外侧；
E、杀死桩基(2)材料单元，模拟地层在重力作用下的应力状态和沉降变形，对轴对称数值模型进行初始地应力计算，计算过程是，在ANSYS软件中，选取所有桩体单元，用EKILL命令杀死桩基(2)单元，用ESEL,S,LIVE命令选取活单元，用NSLE命令选取单元节点，再反向选取单元节点，通过D,All,All命令约束杀死节点的位移，通过SOLVE命令求解；
F、激活桩基(2)材料单元，模拟桩基(2)施工，荷载为桩体自重，对桩基(2)进行应力变形计算，计算过程是，在ANSYS软件中，用EALIVE命令激活桩单元，用DDELE命令删除节点位移约束，通过SOLVE命令求解；
G、施加桩基(2)顶部荷载，模拟外荷载作用下的应力变形计算，计算过程是，在ANSYS软件中，选取桩基(2)顶面线单元，通过SFL命令施加线荷载，通过SOLVE命令求解；
H、将溶洞(1)内充填物弹性模量进行折减，折减后的弹性模量为初始值的60％～70％，进行桩基(2)应力变形计算，这一过程模拟溶洞(1)内松软填充物在扰动后二次固结沉降过程中对桩基(2)应力变形的影响，计算过程是，在ANSYS软件中，用ESLA命令选取溶洞(1)内松软填充物单元，通过MPCHG命令改变单元材料属性，将新的折减后的弹性模量赋予松软填充物，再通过SOLVE命令求解；
I、通过后处理程序，消除初始地应力的影响，通过LCDEF将第F或G或H计算步定义为第F或G或H个荷载工况，通过LCASE命令载入一个工况，通过LCOPER,SUB命令进行荷载工况的相减，再查看计算结果的云图，获得地层与桩基(2)的应力变形结果，以及桩基(2)摩阻力、轴力分布结果。
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