土层相对位置对桶形基础承载力的影响

发布时间：2019-07-18 08:12

【摘要】：为了研究双土层情况下土层相对位置不同时桶形基础地基土在单一荷载作用下的极限承载力,采用南水土体本构模型进行ABAQUS有限元建模。在分析过程中,首先采用位移控制法,通过计算地基的p-s曲线确定相应的地基极限承载力,然后以单一加载情况下的地基极限承载力为基准进行归一化,最后提出土层相对位置修正系数的概念,从而获得土层相对位置不同时的地基极限承载力表达式。分析结果表明:土层由单一黏土层向单一淤泥层变化的过程中,竖向承载力、水平承载力和力矩承载力都逐渐减小,且减小幅度最大的是竖向承载力,其次是水平承载力,最后是力矩承载力;当土层相对位置比分别达到0.33,0.25和0.2时,竖向承载力、水平承载力、力矩承载力依次趋于稳定。
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图片说明：给桶形基础提供承载力支撑的主要是淤泥层与黏土层。为此，本文运用ＡＢＡＱＵＳ有限元分析软件，对土体采用南水本构模型，建立双土层桶形基础的三维弹塑性有限元计算模型，首先研究桶体在固定埋深情况下的地基极限状态，得到固定桶体埋深时单一荷载作用下桶形基础地基承载力与土层相对位置的关系；接着改变桶体埋深，得到在桶体不同埋深时地基承载力与土层相对位置的关系，为工程设计提供参考。１数值分析１．１有限元模型本文以连云港港徐圩港地区地基土［１１］为研究对象，建立三维有限元模型，如图１所示，分析其在单向荷载作用下地基土的承载力特性。其中，图１（ａ）为土体模型，高度３０ｍ，直径５０ｍ；图１（ｂ）为桶体模型，直径为５ｍ，桶体埋深Ｌ随不同情况取０，０．５，１，１．５，２和２．５ｍ。在算例分析中，地基土按照实际情况分为上下２层，上层为淤泥层，下层为黏土层。本文研究的是小埋深桶形，为消除边界效应对于计算结果的影响［１２，１３］，在水平方向上将地基土的计算范围取为桶体直径的１０倍，竖直方向取桶体直径的６倍。土体采用双屈服面弹塑性模型———南水模型，除顶部自由外，规定其他土面都采用法向固定的约束。图１有限元模型Ｆｉｇ．１ＦＥＭｍｏｄｅｌ对于简化的桶体结构，采用线弹性本构模型，弹性模量Ｅ＝３０ＧＰａ，泊松比μ＝０．１６７，并用实体单元（Ｃ３Ｄ８）对土体与桶体进行网格划分。南水模型是一种服从广义塑性力学理论的双屈服面弹塑性模型。该模型把屈服面看作是弹性区域的边界，采用塑性系数代替传统的硬化参数，与其他土体本构模型相比，运用在黏性土中具有一
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图片说明：Ｄ时对应的水平承载力为水平极限承载力，转角达到弧度０．０５时对应的力矩荷载确定为力矩极限承载力，Ｄ为桶体直径。本文规定桶体直径为５ｍ，桶体埋深为Ｌ，淤泥层厚度为Ｔ１，黏土层厚度为Ｔ２，土体总厚度为Ｔ＝３０ｍ，桶体埋深比ｄ＝Ｌ／Ｄ，土层相对位置比ｔ＝Ｔ１／Ｔ。施加荷载时，对于桶形基础，基础底面中心处的竖向荷载为Ｖ，力矩荷载为Ｍ，水平荷载为Ｈ。位移和荷载的方向规定遵从Ｂｕｔｔｅｒｆｉｅｌｄ等［１７］的建议，如图２所示。图２荷载正方向规定Ｆｉｇ．２Ｐｏｓｉｔｉｖｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｌｏａｄ１．３桶、土接触模拟桶体结构与土体相互接触是一个复杂的力学行为。本文对于桶土之间的接触采用面面接触，将桶体与土体相接触的区域建立主从接触对。由于桶体的强度远大于土体强度，因此将桶体结构界面认定为接触主面，土体界面认定为接触从面。接触分析中法向采用硬接触方式，切向采用库仑摩擦模型，其中摩擦系数取０．１１５，其他参数按默认取值。２南水模型的验证为了验证土体极限承载力计算的合理性，针对文献［１８］的基础模型试验进行数值计算，与其试验结果及文献［１３］的有限元模拟结果进行对比分析。模型试验中吸力式桶形基础的规格如表２所示，土体物理参数如表３所示。为了与文献［１３］的有限元计算结果相比较，本文竖向承载力采用Ｄ２，Ｄ５和Ｄ７基础模型进行对比分析，水平承载力采用Ｄ４，Ｄ５和Ｄ７进行对比分析。对比结果如表４和表５所示。从表中可以看出，模型试验计算结果与本文模型计算结果较为吻合，，在各种不同
【作者单位】：江苏科技大学土建学院;盐城工业职业技术学院;河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室;河海大学岩土工程研究所;
【基金】：国家自然科学基金资助项目(51009054) 教育部科学技术研究重点资助项目(109077) 江苏省自然科学基金资助项目(BK2010513) 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2014B04914)
【分类号】：TU470

【参考文献】