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      復合地基上水閘合理局部樁密度探究

      2021-11-04 01:51:24李偉康廖文來蔡杰龍蔡燦旭王梓鑫
      廣東水利水電 2021年10期
      關(guān)鍵詞:水閘加密受力

      李偉康,廖文來,蔡杰龍,蔡燦旭,王梓鑫

      (1.廣東水利水電科學研究院,廣州 510635;2.廣東省水利新材料與結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心,廣州 510635;3.廣東省水利重點科研基地,廣州 510635)

      水閘是一種低水頭建筑物,具有防洪及泄水功能,在全國得到廣泛應(yīng)用。我國沿河及近海地區(qū)土質(zhì)多為軟弱土,具有高含水率、高孔隙率的特點[1]。因此,我國許多水閘工程建立在軟土地基上,存在地基承載力不足,不均勻沉降等問題[2]。建立在軟土地基上的水閘,為了保障其安全性,一般考慮使用樁復合地基或樁基礎(chǔ)進行處理,以解決其變形及不均勻沉降等問題[3]。水閘底板受力為水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計時主要考慮的問題之一,閘底板傳統(tǒng)計算方法有彈性地基梁法與變基床系數(shù)法[4]。但傳統(tǒng)計算方法精度有限,且無法考慮邊界處應(yīng)力情況。有限元法不僅可以考慮復雜結(jié)構(gòu)的受力,且其精度較傳統(tǒng)方法高,因此得到廣泛應(yīng)用[5]。為此對于復雜情況下的水閘計算,可以采用有限元法以了解其應(yīng)力分布情況及水閘整體變形情況,為水閘設(shè)計提供有力支持[6]。

      利用有限元法,學者們得出了一系列研究成果。關(guān)淑萍等[7]采用有限元法研究了邊荷載對水閘地基沉降與底板內(nèi)力的影響,發(fā)現(xiàn)有限元法比傳統(tǒng)方法精度更高。孫淑華等[8]為了方便又準確地計算底板彎矩的方法,加快設(shè)計進度,利用有限元法計算多組考慮接觸作用的底板彎矩值,研究了水閘底板厚度、閘孔寬度、閘墩高度、砂礫石地基厚度4個因素對底板彎矩的影響規(guī)律。水閘軟土地基常用樁進行處理,而在傳統(tǒng)有限元模擬時常常是建立等參單元進行計算,但該種方法網(wǎng)格劃分較為復雜,且考慮樁土相互作用需考慮接觸面,導致計算量增大[9]。后張宇等[10]提出根據(jù)樁與土和上部結(jié)構(gòu)的相互作用情況,建立樁單元包含轉(zhuǎn)角的節(jié)點位移與土或底板節(jié)點位移之間的關(guān)系,采用梁單元模擬樁對土及上部結(jié)構(gòu)的影響。陳曉文等[11]考慮了水閘地基的不均勻性,應(yīng)用集中力彈簧模型的概念,建立了考慮三向附加應(yīng)力的壓縮變形地基沉降彈簧模型?,F(xiàn)今進行水閘有限元模擬計算常考慮采用上部結(jié)構(gòu)與樁體一體建模,該建模方式宜在樁頭與上部結(jié)構(gòu)連接處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,而實際工程中,上部結(jié)構(gòu)與樁復合地基之間常設(shè)有碎石墊層,閘底板底面與地基之間為接觸面而不是固結(jié)關(guān)系。因此,在進行水閘模型建立時,可在閘底板與地基之間設(shè)置接觸面,以模擬底板受力的真實情況。

      軟土地基上的樁處理對于單個閘段往往采用均勻布樁形式,該方式能夠滿足地基承載力要求,減少地基變形,同時便于施工,但地基不均勻沉降仍是該種布樁形式水閘目前面臨的主要問題之一[12]。閘底板結(jié)構(gòu)安全是水閘結(jié)構(gòu)應(yīng)力安全的重中之重,地基的不均勻沉降不單單會引起閘底板拉應(yīng)力增大,嚴重時會發(fā)生閘底板開裂,還可能會導致建筑物傾斜從而引起結(jié)構(gòu)縫張開,止水措施不良等問題。因此,減少水閘地基的不均勻沉降,從而減少閘底板拉應(yīng)力,對于工程安全具有重大意義。

      1 原理

      水閘底板拉應(yīng)力主要成因是閘底板不均勻變形,因此,降低底板拉應(yīng)力需針對底板過大差異變形問題進行相應(yīng)處理。水閘地基反力如圖1a所示,地基反力為曲線分布,靠近閘墩其值越大。根據(jù)應(yīng)力與變形量之間的關(guān)系,當?shù)鼗牧喜蛔儠r,地基受力越大處變形量越大,閘底板與地基協(xié)同變形,從而導致上部閘底板變形量增大。而地基反力屬于不變荷載,其值長時間處于穩(wěn)定狀態(tài),可將地基應(yīng)力值視為常數(shù),則地基變形量與地基變形模量成反比。因此,要使地基均勻變形,需在提高地基在地基應(yīng)力較大處的剛度以減小該處的變形量,從而減小上部閘底板的不均勻變形量,達到降低閘底板拉應(yīng)力峰值的目的。加固區(qū)域如圖1b所示。

      a 地基反力

      根據(jù)水閘底板受力特性,閘墩處受力較大,因此地基樁采取不同的密度布置,可以改善閘底板的受力情況,同時使閘基較均勻變形。由于圓樁模型網(wǎng)格劃分困難,將樁與周圍矩形范圍內(nèi)土體按等效方式建立成規(guī)則的長方體模型可大大簡化建模難度,樁土結(jié)合體的力學參數(shù)可作以下簡化。

      1) 單層簡單地基

      假設(shè)樁土協(xié)同變形,將樁土結(jié)合體視為線彈性體,混凝土樁受豎向應(yīng)力為σc,彈性模量為Ec,變形量為εc,樁土置換率為m;樁間土受豎向應(yīng)力為σs,彈性模量為Es,變形量為εs;樁土結(jié)合體受豎向應(yīng)力為σ,理論彈性模量為E,變形量為ε。則:

      (1)

      根據(jù)變形協(xié)調(diào):

      ε=εs=εc

      (2)

      (3)

      即樁土結(jié)合體理論彈性模量:

      E=(1-m)Es+mEc

      (4)

      式中:

      E——樁土結(jié)合體理論彈性模量,MPa;

      Es——地基土彈性模量,MPa;

      Ec——樁混凝土彈性模量,MPa;

      m——樁土置換率, %。

      同理:

      ρ=(1-m)ρs+mρc

      (5)

      式中:

      ρ——樁土結(jié)合體理論密度,kg/m3;

      ρs——地基土密度,kg/m3;

      ρc——樁混凝土密度,kg/m3;

      m——樁土置換率, %。

      2) 分層復雜地基

      對于分層復雜地基,同樣假設(shè)樁土協(xié)同變形,將復合地基視為彈性體,混凝土樁受豎向應(yīng)力為σc,彈性模量為Ec,變形量為εc,樁土置換率為m;樁間土受豎向應(yīng)力為σs,彈性模量分別為Es1、Es2…Esn,土層厚度占總計算厚度比例為p1、p2…pn,各層變形量分別為εs1、εs2、…εsn;樁土結(jié)合體受豎向應(yīng)力為σ,理論彈性模量為E,總變形量為ε。則不同土對應(yīng)的彈性模量為E1、E2…En。

      根據(jù)式(4)則:

      (6)

      2 工程實例分析

      2.1 工程概況

      某16孔攔河水閘,最大過閘流量為18 200 m3/s,為平底開敞式水閘,每閘孔凈寬為14 m,中墩寬為 2.2 m,縫墩寬為3 m,邊墩寬為1.5 m,閘室內(nèi)設(shè)有工作門槽一道,檢修門槽兩道;閘室順水流向的長度為26 m,閘頂交通橋?qū)挾葹?0 m;閘頂高程為16.2 m,閘底板頂高程為1.5 m,與河床基本齊平。泄流前緣總寬度為448 m。工作閘門與檢修閘門均為平面定輪式平板閘門。地基上部為軟弱土層,深度約為20 m,下部為砂礫卵石層。地基處理采用水泥土攪拌樁復合地基,在樁頂設(shè)置有30 cm厚的由砂碎石散體材料組成的褥墊層,有利于樁頂荷載的均勻傳遞(見圖2)。

      圖2 水閘結(jié)構(gòu)尺寸示意(單位:m)

      2.2 計算參數(shù)選取及模型網(wǎng)格劃分

      滿足地基承載力要求的樁土面積置換率為m=18.74%,則根據(jù)式(4)(5)可以求得樁土結(jié)合體理論力學參數(shù),有限元采用的計算參數(shù)見表1所示。

      表1 有限元材料計算參數(shù)

      水閘上部荷載主要通過閘墩傳給閘底板,導致閘墩處底板變形較大,而孔口部分閘底板變形較小,從而引起較大彎曲應(yīng)力。因此,想要減小閘底板應(yīng)力,可以對底板變形較大處,也是地基變形較大處,進行樁加密處理,使該處地基局部剛度增大,從而減小該處地基變形量,進而減小閘底板整體的不均勻變形,達到減小閘底板彎曲應(yīng)力的目的。

      采用局部樁土置換率代表局部區(qū)域樁加密程度,主要考慮樁土置換率以及加密區(qū)域占總區(qū)域的比例兩個因素對計算的影響。

      加密區(qū)域比例計算公式:

      (7)

      軟土地基的天然地基承載力往往達不到工程需要,因而本文是在滿足地基承載力的基礎(chǔ)上對局部地基樁密度進行加密處理。初始地基樁土置換率采用設(shè)計的m=18.74%,局部樁土置換率選取m1=25%,m1=35%,m1=45%,m1=55%,m1=65%進行計算。對比類似工程的研究結(jié)果,加密區(qū)域比例選取P1=27.1%,P2=39.8%,P3=51.8%分別進行計算。加密區(qū)域布置見圖3,計算方案見表2。

      表2 計算方案

      圖3 局部加密示意(單位:m)

      計算工況采用正常蓄水位工況,上游水位為10.5 m,下游水位為3.26 m。有限元單元類型主要采用C3D8R,水閘上部結(jié)構(gòu)簡化成均布荷載施加在閘墩頂面,模型側(cè)面施加水平鏈桿約束,底面施加全約束,閘底板與地基接觸面設(shè)置滑動接觸模擬底板真實受力條件。模型荷載主要包括重力、靜水壓力、上部結(jié)構(gòu)荷載、揚壓力。揚壓力作為線性均布荷載直接施加在水閘底板與地基接觸面上。模型網(wǎng)格劃分如圖4所示。

      圖4 模型網(wǎng)格劃分示意

      2.3 結(jié)果分析

      閘底板上底面除連接閘墩部分一般為受拉,其拉應(yīng)力值相對較小,檢修維護相對較易,而下底面受力較大,且不易維護,故主要考慮閘底板下底面的應(yīng)力狀態(tài)。閘底板下底面應(yīng)力計算結(jié)果如圖5~圖7所示。由圖5~圖7中可以看出,閘底板底面橫河向應(yīng)力分布基本符合實際,在受力較大的閘墩處出現(xiàn)最大拉應(yīng)力,而孔口處主要受壓應(yīng)力。兩端處應(yīng)力由于有水平向鏈桿約束,存在應(yīng)力集中現(xiàn)象,應(yīng)力值偏大,故后續(xù)分析中最大拉應(yīng)力主要以中部區(qū)域的應(yīng)力值為主。

      圖5 加密區(qū)域比例21.7%對應(yīng)閘底板應(yīng)力分布示意

      圖6 加密區(qū)域比例39.8%對應(yīng)閘底板應(yīng)力分布示意

      圖7 加密區(qū)域比例51.8%對應(yīng)閘底板應(yīng)力分布示意

      通過對比分析可以發(fā)現(xiàn),各個加密區(qū)域比例下,閘底板拉應(yīng)力均隨著局部樁土置換率的增大而減小,而出現(xiàn)在孔口中部的壓應(yīng)力值隨局部樁土置換率一直減小,而靠近閘墩處的壓應(yīng)力值隨局部樁土置換率增大而增大,且增大幅度較小。并且當局部樁土置換率達到某一數(shù)值時其孔口處閘底板下底面壓應(yīng)力會處于一個較均勻的水平。當加密區(qū)域比例分別為21.7%,39.8%,51.8%時,局部樁土置換率為35%,其壓應(yīng)力值均基本穩(wěn)定于50 MPa。對地基進行局部加固對閘底板壓應(yīng)力值影響不大,而對降低拉應(yīng)力有顯著幫助。

      繪制不同加密比例下最大拉應(yīng)力—局部樁土置換率變化曲線,由圖8可以看出,當加密區(qū)域比例不變時,最大拉應(yīng)力隨著局部樁土置換率增大而減小。說明對地基局部受力大的區(qū)域進行補強,能夠有效地降低閘底板最大拉應(yīng)力,且局部樁土置換率越高則最大拉應(yīng)力降低程度越多。不同加密區(qū)域密度的最大拉應(yīng)力的最大值均出現(xiàn)在局部樁土置換率25%對應(yīng)點,最大拉應(yīng)力的最小值均出現(xiàn)在局部樁土置換率65%對應(yīng)點。但對于實際工程而言,既要追求工程安全也要兼顧經(jīng)濟合理,即在減小閘底板的最大拉應(yīng)力的情況下,盡量減小加密區(qū)域比例與局部樁土置換率。

      圖8 不同加密比例下最大拉應(yīng)力—局部樁土置換率變化曲線

      當加密區(qū)域比例為27.1%時,最大拉應(yīng)力值隨局部樁土置換率變化較大;且在局部樁土置換率為35%時,其最大拉應(yīng)力值與加密區(qū)域為例為39.8%時基本相等;當局部樁土置換率為45%時,其最大拉應(yīng)力值與加密區(qū)域為例為51.8%時基本相等。而當局部樁土置換率固定為25%時,加密區(qū)域比例由27.1%增加到39.8%,最大拉應(yīng)力值減小幅度較大,而加密區(qū)域比例由39.8%增加到51.8%時,最大拉應(yīng)力幾乎未有減小幅度。說明當局部樁土置換率較小時,適當增加加密區(qū)域比例對降低閘底板最大拉應(yīng)力有較大作用;而當局部樁土置換率較大時,增加加密區(qū)域比例反而會增加閘底板最大拉應(yīng)力。因此,選擇適當?shù)募用軈^(qū)域比例與局部樁土置換率能夠顯著減小閘底板最大拉應(yīng)力。

      下面根據(jù)不同加密區(qū)域比例下的最大拉應(yīng)力變化率作為衡量工程量指標因素之一,評定最佳局部樁土置換率及加密區(qū)域比例。最大拉應(yīng)力變化率為最大拉應(yīng)力變化值與局部樁土置換率變化值之比。

      由圖9可以看出,當局部樁土置換率增大時,雖然底板最大拉應(yīng)力會隨之減小,但減少率在變小,即單位局部樁土置換率降低的最大拉應(yīng)力值減小。當加密區(qū)域比例為27.1%時,最大拉應(yīng)力變化率最大值對應(yīng)局部樁土置換率約為35%。當加密區(qū)域比例為39.8%及51.8%時,最大拉應(yīng)力變化率最小值對應(yīng)局部樁土置換率為25%。

      圖9 不同加密比例下最大拉應(yīng)力變化率—局部樁土置換率變化曲線

      方案評定標準可用工程量指標與安全程度指標進行評定,綜合考慮經(jīng)濟效益與安全兩者的關(guān)系進行選擇。根據(jù)以上分析進行評定:

      方案1:對于加密區(qū)域比例為27.1%時,其最大拉應(yīng)力變化率對應(yīng)局部樁土置換率為35%,其乘積為9.485%作為工程量指標,相應(yīng)閘底板最大拉應(yīng)力值為49.4 MPa作為安全程度指標。

      方案2:對于加密區(qū)域比例為39.8%時,其最大拉應(yīng)力變化率對應(yīng)局部樁土置換率為25%,其乘積為9.95%作為工程量指標,相應(yīng)閘底板最大拉應(yīng)力值為44.6 MPa作為安全程度指標。

      方案3:對于加密區(qū)域比例為51.8%時,其最大拉應(yīng)力變化率對應(yīng)局部樁土置換率為25%,其乘積為12.95%作為工程量指標,相應(yīng)閘底板最大拉應(yīng)力值為48.4 MPa作為安全程度指標。

      工程量指標與安全程度指標權(quán)重可按需求進行調(diào)整。本文將兩個指標權(quán)重定為1,則方案1最終得分為58.885,方案2最終得分為54.55,方案3最終得分為61.35。因此,方案2為最優(yōu)方案。

      確定水閘地基合理布樁密度的方法,主要步驟如下:① 根據(jù)工程實際情況,建立水閘—地基整體有限元模型;② 確定使用工況下的水閘邊界條件,并調(diào)整不同地基加固參數(shù)(主要包括地基加密區(qū)域比例與局部樁土置換率)進行計算;③ 根據(jù)計算結(jié)果繪制不同加密比例下最大拉應(yīng)力—局部樁土置換率變化曲線以及不同加密比例下最大拉應(yīng)力變化率—局部樁土置換率變化曲線;④ 綜合考慮經(jīng)濟效益與安全,采用工程量指標與安全程度指標進行方案評定從而選擇出最佳方案,其中,工程量指標以加密區(qū)域比例和局部樁土置換率表征,安全程度指標以最大拉應(yīng)力值表征。

      3 結(jié)語

      1) 復合地基上的水閘,對水閘閘墩下部區(qū)域進行局部處理的加密區(qū)域比例及局部樁土置換率均較小時,閘底板應(yīng)力無明顯變化。當加密區(qū)域比例或局部樁土置換率增大到一定程度時,閘底板拉應(yīng)力有明顯減小,加密區(qū)域比例越大,局部樁土置換率越大,其閘底板最大拉應(yīng)力越小。

      2) 在滿足地基承載力的基礎(chǔ)上,地基加密區(qū)域比例以30%~40%為宜,其局部樁土置換率以25%~35%為宜,其中當加密區(qū)域比例取大值時,對應(yīng)局部樁土置換率取小值。

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