簡介： 介紹采用ANSYS有限元分析軟件分析蒼梧縣城區(qū)防洪堤邊坡及樁基整體穩(wěn)定性。
關(guān)鍵字：非線性 有限元分析 樁基礎(chǔ) 穩(wěn)定性
1、前言
蒼梧縣城（龍圩鎮(zhèn)）位于廣西東部、珠江流域西江水系的潯江與下小河交匯處，距梧州市約12Km。城區(qū)防洪堤全長約4.5Km，堤基處于一級階地前沿緣15m高程線附近，階地岸坡曲折，坡度變化較大，地勢相對較為挾窄。防洪堤基礎(chǔ)巖土共分七層，在某些地段有缺失，自上而下的覆蓋層分別為①人工填土，②褐灰色粉質(zhì)粘土，③黃色粘土，④灰黑色粉質(zhì)粘土，⑤砂卵石層，⑥花崗巖殘坡積層，⑦花崗巖。我們根據(jù)地質(zhì)部門提供的巖土力學(xué)參數(shù)，應(yīng)用圓弧法對岸坡穩(wěn)定進行了大量的計算工作，分析結(jié)果表明，在未采取任何工程措施情況下，不少堤段的岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)小于1，計算的結(jié)果為不穩(wěn)定。為此，我們設(shè)計采用擋水結(jié)構(gòu)加抗滑樁工程措施。鑒于目前對抗滑樁的穩(wěn)定計算尚未有成熟的計算方法[1]。本文介紹應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件，對樁與土的相互作用進行有限元分析，以判定防洪堤的穩(wěn)定性。
2、計算資料
主要計算資料有：
a) 選取最危險滑動堤段斷面，斷面的土層及結(jié)構(gòu)如圖1。
b) 土層及樁的物理力學(xué)性能參數(shù)（表一）
表一土層及樁的物理力學(xué)性能參數(shù)表
參數(shù)土層 | E（MPa） | μ |  （kN/m3） |  （kN/m3） | C（kPa） | φ（度） |
① | 4.2 | 0.09 | 17.0 | 14.5 | 6.0 | 6.5 |
② | 5.0 | 0.15 | 18.72 | 14.3 | 14.5 | 11.5 |
③ | 7.3 | 0.3 | 19.3 | 15.1 | 26.0 | 15.5 |
④ | 5.12 | 0.2 | 18.9 | 14.8 | 11.5 | 10.0 |
花崗巖 | 2600 | 0.6 | 22.0 | 22.0 | ||
混凝土 | 26000 | 0.167 | 25.0 | 25.0 |
樁基相關(guān)參數(shù)表
巖土名稱類別 | ①填土 | ②粉質(zhì)粘土 | ③粘土 | ④粉質(zhì)粘土 | 弱風化花崗巖 | |
人孔工挖樁 | 樁周土摩擦力qs | 9 | 15 | 30 | 20 | 70 |
樁端土承載力qp | 1600 | 5500 | ||||
圖1分析模型剖面圖
c).結(jié)構(gòu)荷載
(1)結(jié)構(gòu)及土體自重；
(2)路面活動荷載6.86kPa；
(3)水壓力（計算到最高洪水及最低洪水位）；
(4)上部結(jié)構(gòu)傳到樁臺的力（表二）。
表二上部結(jié)構(gòu)傳到樁臺的力
工況 | M（kN.m） | V（kN） | H（kN） |
洪水期 |  16532 |  13447 |  2972 |
退水期 |  18858 |  17361 |  3340 |
a)計算范圍：以擋水結(jié)構(gòu)中心線為基準，向河床方向取24.7m，向街道方向取25.3m，地基深度取至-8.9m高程。
b)不考慮滲透動水壓力，在浸潤線以上取地基土的濕容重γ濕，浸潤線以下取飽和容重
。
c)邊界條件：左右邊界水平約束，下端固定。
4、力學(xué)模型
a).土與樁共同作用下的非線性有限元分析
本報告旨在對樁與土的共同作用的力學(xué)性能進行分析，必須考慮土的非線性及邊坡的滑移可能出現(xiàn)的大變形，因此對防洪堤進行非線性分析時要考慮土材料的非線性及幾何非線性。采用Drucker-Prager屈服準則。該準則對庫侖——莫爾準則予以近似，由此來修正Von Mises屈服準則，該準則適用于混凝土、巖石、土壤等材料。相應(yīng)的等效應(yīng)力的表達式為：
=3
+[
其中：
{S}為偏應(yīng)力，[M]為Mises準則中的[M]，
=
，Φ為內(nèi)摩擦角；
材料的屈服參數(shù)定義為：
其中： C為粘聚力。
為了使計算結(jié)果更準確地反映結(jié)構(gòu)的實際變形，進行有限元分析時，在土和樁之間采用雙彈簧接觸單元以反映樁與土的相互作用，樁和土分別剖分為6節(jié)點三角形單元。計算過程中逐級加載，按照Newton-Raphson迭代算法和線性搜索技術(shù)以保證計算的收斂性。
b).平面應(yīng)變分析模型
為了得到較為精確的平面問題的解，對每根樁的剛度進行等效簡化，把原來圓截面樁等效為同厚的矩形截面樁，則等效后轉(zhuǎn)化為等截面的柱體（圖2），可以按平面應(yīng)變問題來分析。設(shè)原來樁的彈性模量E0，慣性矩為I0，等效后分別為E1，I1；則
圖2樁剛度沿長度等效簡化圖
E0I0=E1I1
=
則等效后樁的等效彈性模量為：E1=0.147E0
5、計算結(jié)果分析
(a)樁的典型截面應(yīng)力
圖3 樁的典型截面位置圖
樁的典型截面位置（圖3），及其截面應(yīng)力值見表三：
表三樁的典型截面應(yīng)力表（單位：MPa）
應(yīng)力值截面 | σy（左） | σy（右） | τxy（左） | τxy（右） | |
1-1 | 退水期 | 2.9027 | -4.6677 | -0.0573 | -0.7059 |
洪水期 | 2.1940 | -4.4994 | -0.0167 | -0.7112 | |
2-2 | 退水期 | -2.0134 | 0.8256 | -0.0025 | -0.0684 |
洪水期 | -2.2048 | 0.7348 | 0.0008 | -0.0640 | |
3-3 | 退水期 | 0.3232 | -3.0957 | -0.6570 | 0.3767 |
洪水期 | 0.1970 | -3.3777 | -0.7510 | 0.4242 | |
4-4 | 退水期 | -0.4359 | -0.9107 | 0.0340 | -0.1262 |
洪水期 | -0.3934 | 0.1205 | -0.0473 | -0.0127 | |
5-5 | 退水期 | –0.6657 | -0.3299 | 0.0294 | -0.0055 |
洪水期 | -0.4578 | -0.0113 | 0.0340 | -0.0004 | |
6-6 | 退水期 | -1.1262 | -1.2001 | -0.5041 | 0.2860 |
洪水期 | -0.6029 | -0.9209 | -0.3456 | 0.1725 | |
注：正應(yīng)力以拉為正；剪應(yīng)力以使截面產(chǎn)生順時針轉(zhuǎn)動為正。
從表三中可得出，樁最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在外樁（遠離河床側(cè)）的1-1截面的左側(cè)，退水期為2.9027MPa，已經(jīng)超出混凝土的抗拉強度，洪水期為2.1940 MPa。
內(nèi)樁絕大部分處于受壓狀態(tài)，只有在洪水期4-4截面右側(cè)才出現(xiàn)拉應(yīng)力，僅為0.1205MPa。
b).樁的典型截面內(nèi)力
樁的典型截面內(nèi)力值見表四
表四樁的典型截面內(nèi)力表
內(nèi)力值截面 | M（kN.m） | N（kN） | Q（kN） | |
1-1 | 退水期 | 370.95 | -691.88 | -299.17 |
洪水期 | 327.98 | -903.72 | -285.34 | |
2-2 | 退水期 | -139.11 | -465.62 | -27.79 |
洪水期 | -144.04 | -576.24 | -24.77 | |
3-3 | 退水期 | 167.53 | -1086.82 | -109.88 |
洪水期 | 175.16 | -1246.83 | -128.11 | |
4-4 | 退水期 | 23.27 | -527.87 | -36.14 |
洪水期 | -25.18 | -106.98 | -23.52 | |
5-5 | 退水期 | -16.45 | -390.28 | 9.37 |
洪水期 | -21.88 | -183.89 | 13.17 | |
6-6 | 退水期 | 3.62 | -911.91 | -85.50 |
洪水期 | 15.58 | -597.33 | -67.86 | |
注：M以樁左側(cè)受拉為正，N以受拉為正，Q以使截面產(chǎn)生順時針轉(zhuǎn)動為正
從表四中可得出，樁最大彎距出現(xiàn)在外樁（遠離河床側(cè)）1-1截面上，退水期為370.95kN.m，洪水期為327.98 kN.m；最大軸力出現(xiàn)在3-3截面, 退水期為1086.82kN，洪水期為1246.83kN; 最大剪力出現(xiàn)在1-1截面, 退水期為299.17kN，洪水期為285.34kN。內(nèi)樁（靠近河床側(cè)）的內(nèi)力值相對于外樁很小。根據(jù)《地基基礎(chǔ)設(shè)計手冊》、《地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》計算的最大內(nèi)力為：M0=-476.8KN.m，N0=1707KN，Q0=345KN。與電算結(jié)果接近。
6、結(jié)束語
本項目對蒼梧縣城區(qū)防洪排澇工程1+373.5剖面（采用圓弧法計算較危險截面）堤段進行了比較深入、全面的平面非線性有限元分析，對樁及土的變形及應(yīng)力、內(nèi)力有了詳細的了解，結(jié)果表明，外樁的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在退水期，為2.903MPa，在樁的頂處，最大彎矩和最大剪力亦出現(xiàn)在此處，分別為370.95kN.m和299.17kN；內(nèi)樁僅在洪水期才出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大值為0.1205 MPa，也出現(xiàn)在樁頂處，其它時候內(nèi)樁均處于受壓狀態(tài)，無論在洪水期還是在退水期，外樁的應(yīng)力都比內(nèi)樁的大，且退水期比洪水期更為危險。說明被動土壓力是結(jié)構(gòu)的主要荷載，并且說明，所設(shè)計施工的防洪堤安全可靠，所提供土的力學(xué)性能指標過低。建議以退水期外樁的受力狀態(tài)及手算結(jié)果為設(shè)計依據(jù)，內(nèi)樁的配筋或截面的尺寸可適當降低。
參考文獻：
[1] 王年香被動樁與土體相互作用研究綜述[J]，南京水利科學(xué)研究院水利水運科學(xué)研究第三期69~74頁 2000年9月
[作者簡介]黃文威（1964-），男，廣西藤縣人，廣西梧州水利電力設(shè)計院高級工程師，主要從事水利電力工程設(shè)計及技術(shù)管理工作；
黎桂升（1972-），男，廣西昭平縣人，賀州市水利電力局工程師，學(xué)士，在職研究生，主要從事水利電力工程建設(shè)管理工作；
