【最新word论文】软土复合地基变形模量确定及对结构内力影响【水利工程专业论文】.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流【最新word论文】软土复合地基变形模量确定及对结构内力影响【水利工程专业论文】.精品文档.软土复合地基变形模量确定及对结构内力影响摘要：地基变形模量可以采用现场试验、查表、压缩模量转换等多种方法确定，本文对软土复合弹性地基的地基变形模量的确定方法进行探讨，以现场试验数据验证了考虑软土处理方法、材料特性而建立的权重法计算模式是合适的。以太浦河大型泵站结构计算为例，分析弹性地基变形模量对结构内力的敏感性，得出结构内力与地基变形模量呈对数递减关系，从而指出软土地基处理后的复合地基变形模量是影响结构内力计算结果的重要因素。 关键词：软土复合地基 变形模量 内力计算 太浦河泵站 1 问题提出近年来上海市在软土地基上建造了如浦东国际机场江镇河泵闸枢纽、张家塘泵闸枢纽、太浦河泵站等多座大型水工建筑物。软土基础上的建筑物结构计算工程上一般采用弹性地基梁法、倒置梁法、单向或双向板法，目前较多采用的还有弹性地基上的平面框架半解析法1和链杆法、三维非线性有限元法等。除倒置梁法和单向或双向板法计算外，其他几种计算均涉及到地基模型的假定问题，从而归结到地基变形模量的确定问题。一般的，地基变形模量可以通过现场原位试验准确获得，然而在结构内力计算时，现场原位试验一般不进行或还未进行，所以必须通过其他方法进行估算、假定或理论计算，特别是对软土地基处理后的复合地基的变形模量的确定存在较大难度。另外，经过多个工程结构计算以及多种地基模型假定计算，发现在地基变形模量对结构内力的影响较大。因此，本文拟对软土复合弹性地基的地基变形模量的确定方法进行探讨，以现场试验数据进行验证，并以太浦河大型泵站结构内力计算为例，分析弹性地基变形模量对结构内力的敏感性，提出软土地基处理后的复合地基变形模量确定的正确性对结构内力计算的重要性，从而为计算提供参考依据。2 地基变形模量确定方法土的变形模量是土体在无侧限条件下应力与应变之比值，相当于弹性模量2。由于土体不是理想的弹性体，故称为变形模量。土的变形模量反映了土体抵抗弹塑性变形的能力，可用于弹塑性问题分析，通常可以通过三轴试验或现场试验进行测定。如果现场原位试验未进行，可以通过其他方法进行估算、假定或理论计算。2.1一般确定方法a. 现场试验法各种地基的变形模量值可以根据现场试验资料用均质弹性半无限体理论按下式计算， （1）其中，E0为综合地基变形模量（kN/m2）；P为作用于载荷板上的总荷重（kN）；d为方形载荷板的当量直径（m）；s为与载荷P相对应的沉降量(m)；为泊桑比，可通过土的侧压力系数K0确定，一般在0.30.4之间。b. 查表法在未进行现场或室内试验测定变形模量时，可以根据土的类型查表，粗略拟定变形模量值，一般土工书籍均有介绍。c. 压缩模量转换法在没有进行现场测试时的另外一种估计变形模量值的方法就是根据广义虎克定律推导的近似公式（式2）由压缩模量进行转换， （2）其中，E为变形模量；Es为压缩模量。由于0.5，所以变形模量E总是小于压缩模量Es。2.2双向权重系数法确定综合变形模量在利用弹性地基梁法计算结构内力时，对复合地基和多层地基的变形模量需要综合变形模量。许多学者对复合地基变形模量的计算方法进行了研究3、4、5，但都还要以现场试验资料为基础。同时，由于地基处理的材料、配比、土的特性等多种因素使得研究还不甚透彻。在设计阶段，如何根据地质条件、地基处理方法、置换率等简单估算或确定地基的变形模量比较关键。本文采用考虑地基处理方法、材料特性因素的双向权重系数法进行计算，具体方法如下：首先是确定地基处理材料的弹性模量和土体的变形模量，然后根据地基处理的方法、材料，以及各材料在土中的面积比或置换率进行加权，得出地基处理层的综合变形模量E0c， （3）其中，E0c为地基处理层综合变形模量，Ei为地基处理材料和土体的变形模量，i为不同材料的面积权重系数或置换率。最后确定多层地基变形模量，按式（2）求出各层土体的变形模量，按土层的厚度进行加权， （4）其中，E0m 为多层地基综合变形模量， Ei为各层土体的变形模量， hi为土层厚度。3 计算模式验证3.1工程及地质概况太浦河泵站设计流量300m3/s，共六台机组，水泵为斜15°轴流泵。泵房站身总长67.56m，顺水流向宽40.45m。站身沿垂直水流向设两条30mm缝，每2台机组分为一块，每块体垂直水流向长22.5m。站身底板为异形，上游底板底面高程为-8.05m，下游底板底面高程为-6.45m，中间为斜向过渡底板。工程前对地质进行了勘探，各土层部分物理指标见下表1。表1 土层部分物理指标及变形模量计算结果编号土层分类底层标高m土层厚度m重度kN/m3压缩模量Mpa压缩系数Mpa-1泊桑比变形模量kN/m2淤泥质粉质粘土-3.36.318.15.20.540.3236343灰黄重砂壤土-7.84.519.49.40.180.355857灰色粉质粘土-12.85.019.05.30.370.323704灰绿色粉质粘土-18.45.620.513.70.110.387318灰黄重砂壤土-26.48.019.212.20.140.386517褐黄色粉质粘土-31.45.019.55.50.320.353426灰色轻砂壤土-35.33.918.919.30.120.409007工程设计拟定采用深层水泥搅拌桩对底板地下土层进行处理，水泥搅拌桩桩径0.7m，搭接0.2m，桩长6.58.0m，即泵房主体地基统一处理到-14.5m高程。经计算，底板处理布设水泥搅拌桩1568根，桩中心距为上游为1.2m×1.40m，下游为1.2m×1.525m（图1），复合地基承载力标准值fsp,k=196kN/m2。3.2综合地基变形模量理论计算计算上述工程地基处理后的复合地基综合变形模量E0可以按下列步骤进行（以下游侧为例）：第一步，根据土层物理特性选取各土层土体的泊桑比，再利用式（2）计算它们的变形模量，如表1。第二步，按式（4）计算水泥搅拌桩深度第、层土的综合变形模量E0m，结果为4649 kN/m2。第三步，计算水泥搅拌桩与第、层土的综合变形模量E0c。 由于本工程采用水泥搅拌桩处理地基，对周边土体影响较小，所以可以根据桩土面积比进行按式（3）计算桩土复合层的综合变形模量。由图1可知，本工程地基处理后的桩土面积比为1：1.4。水泥土的变形模量与水泥标号、用量及加固土的特性等因素有关，一般的水泥土的变形模量为150-450×103kN/m2。根据有关参考资料6、7及本工程位置第、层土的特性，取水泥土的变形模量为200000kN/m2，计算综合变形模量E0c，结果为86045kN/m2。第四步，计算桩土复合层与下卧土层的综合变形模量E0cm 。 要计算多层土的综合变形模量，首先要确定计算土层深度。根据地基沉降控制要求及沉降计算结果，压缩层计算到第层土，底层标高为-31.4m。按式（4）计算桩土复合层的综合变形模量，结果为28081 kN/m2。3.3综合地基变形模量现场试验对上述大型泵站工程的泵房主体的水泥搅拌桩单桩复合地基进行现场试验，每组底板上下游各试验一组,试验结果见表2。试验时上游侧载荷板为1.4m×1.2m,下游侧载荷板为1.525m×1.2m。上游侧最大加载640kN，下游侧最大加载700kN，平台堆重850kN。假定复合地基的泊桑比为0.38，根据式（1）计算复合地基的综合变形模量如下表2。表2 复合地基综合变形模量现场试验结果编号位 置最大荷载PkN最大沉降Smm变形模量E0kN/m2变形模量均值kN/m2A22-31、2机组下游70017.5025295下游侧=26498B20-133、4机组下游70024.2730397C24-115、6机组下游70012.3118239A12-31、2机组上游64013.9046739上游侧=29422B3-103、4机组上游6409.0435959C8-155、6机组上游64037.96111313.4比较分析复合地基的综合变形模量与地基处理方式、材料、土壤物理特性等多种因素有关。本工程采用水泥搅拌桩处理，对周围土体的影响较小，采用桩土面积比计算桩土复合变形模量从上述计算上看是可行的。水泥土的变形模量与水泥标号、用量、土壤特性、土壤含水量等多种因素有关，本工程的第、层土为粉质粘土，根据文献7的说明，土粒越细，处理后的水泥土变形模量越小，所以本工程取用水泥土变形模量为200000 kN/m2，计算结果与实测比较接近。另外，水泥搅拌桩的施工质量比较难控制，现场测试后经计算的变形模量与施工质量有较大关系，从上述几组测试结果分析，确实存在部分桩体施工有质量问题，从而影响了整个复合地基的变形模量，所以，计算时应充分考虑施工质量对复合地基变形模量的影响。以上通过压缩模量转换法和土层变形模量权重法计算的综合变形模量结果与现场试验结果比较接近，说明采用上述方法计算的综合变形模量可以作为弹性基础计算结构内力。4 地基变形模量对结构内力敏感性分析结构计算按弹性理论进行，对复杂空间体系，可以采用三维非线性有限元法计算；对可以简化为平面结构的，可以采用平面框架半解析法或链杆法计算；有的还可以更加简化，采用弹性地基梁法计算。4.1地基变形模量结构内力敏感性分析为说明问题，先以仅考虑自重的弹性地基梁为例，分析地基变形模量对结构内力敏感性。当上述泵房底板施工结束，未进行其他结构施工时，采用截条法，底板可以简化为弹性地基梁。底板厚2.0m，垂直水流向单组底板长22.5m，混凝土的变形模量E取2.2×107kN/m2。假设地基未进行处理，地基土的综合变形模量为5471kN/m2。所以，敏感性分析计算范围从最小的变形模量5000kN/m2开始，计算结果如图3。结构内力敏感性分析结果" src="/neteaseivp/resource/paper/doc/2005611117590797884/image011.gif" width=354 align=right>从计算结果分析，在地基变形模量5100×103kN/m2范围之内，变形模量对结构内力影响比较敏感；当基础良好，E>100×103kN/m2时, 结构内力对地基变形模量的敏感性相对减弱。经回归分析，仅考虑均布荷载时，弹性地基梁的跨中弯矩与地基变形模量基本呈对数递减关系，即M-lnE。软土地基地基变形模量比较小，即使经过处理，地基变形模量一般仍处于5100×103kN/m2范围内，所以软土地基上的结构内力受地基变形模量的影响非常敏感。4.2工程实例分析以上述大型泵站的泵房结构内力分析为例。泵房包括进水流道段、机组段和出水流道段，是典型的块基型结构，结构内力分析可以采用三维非线性有限元分析，也可以根据泵房结构及受力特点简化，采用平面二维框架结构计算，达到满足工程设计的要求。泵站垂直水流向有对称特点，采用截条法，在进水流道有隔墩位置、进水流道无隔墩位置、机组中心位置、出水流道有隔墩位置、出水流道无隔墩位置分别截条（如图4），根据施工期、完建期、不同水位运行期及地震等情况下结构受力，分别计算各位置截条框架计算结构内力。框架内力计算方法为弹性地基上的半解析法，地基模型按文克尔假定，地基变形模量按复合地基变形模量计算结果，泊桑比及其它参量见表1。在水泥搅拌桩处理后，即E=28081kN/m2时，并考虑边荷载作用情况下，结构计算弯矩包络图如下图4。图4 泵站进水流道侧不同工况下结构计算结果弯矩包络图（10kN.m）5 结语软土复合地基变形模量的确定方法有多种，但由于处理材料、配比、土的特性等多种因素使得桩土应力比不确定8、9，因而数值计算研究相当复杂10、11。在设计阶段如何根据地质条件、地基处理方法、置换率等简单估算或确定地基变形模量比较关键。本文根据处理方法、材料特性等而建立的权重法计算模式运用于预制混凝土桩和水泥土搅拌桩的处理工程中，计算结果与试验结果比较接近，可以作为估算复合地基变形模量的一种简单有效方法。结构内力与地基变形模量呈对数递减关系，在地基变形模量5100×103kN/m2范围之内，变形模量对结构内力影响比较敏感，所以软土地基上的建筑物结构内力受地基变形模量的影响比较大，而岩基上的结构内力受地基变形模量的影响则比较小。因此，应慎重确定软土地基的变形模量，设计阶段必要时应按试验确定，同时考虑不同的结构型式适应不同的地基12。参考文献：1 彭宣茂,张子明,宁勇.多层地基上框架结构计算的半解析法J.河海大学学报,1993,21(3):46-52.2 钱家欢主编.土力学M.南京:河海大学出版社,1988.4.P.77.3 张定.复合地基中桩体变形模量的分析与计算J.岩土工程学报,1999,(02):205-208. 4 孔令伟.强夯后地基土变形模量与变形模量反演计算J.岩土工程学报,1999,(02) :153-157.5 姜前.计算碎石桩符合地基变形模量的新方法J.岩土工程学报,1992,(14(4):53-58. 6 叶书麟.地基处理M.北京:中国建筑工业出版社,1988.8.P.240.7 肖林,王春义,郭汉生.建筑材料水泥土M.北京:水利电力出版社,1987.5.P.82.8 段继伟,龚晓南,曾国熙.水泥土搅拌桩的荷载传递规律J.岩土工程学报,1994,16(4):1-89 陈静曦,任奋芝,姜生高.复合地基中桩土应力比分析J.土工基础,1995,6(2):36-4010 秦然,陈征宙,董平.水泥土桩复合地基桩土应力比的一种解析算法J.岩土力学,2001,22(1):96-9811 秦建庄,叶观宝,费涵昌.水泥土桩复合地基桩土分担荷载的试验研究J.工程勘察,2000,18(1):35-3712 马世荣.水闸基础类型与地基特性的相关关系J.中国农村水利水电,1999,(02):29-31. The Determination of Soft Composite Foundation Deformation Modulus and Its Effect on Structural Endogenetic ForceAbstract: The deformation modulus of foundation can be determined with field experiment, look up table, compression modulus conversion, and etc. The deformation modulus deterministic methods of soft composite foundation is discussed and confirmed by field experiment data in the paper, and the result shows that the method of weighting is appropriate. Taking the structural endogenetic force calculation of Taipu River Pumping Station as an example, the sensitivity of deformation modulus to endogenetic force is analyzed and the result shows that the endogenetic force is decreased along with logarithmic deformation modulus. At last, it is concluded that the deformation modulus is an important effect factor of structural endogenetic force calculation. Key words: the soft composite foundation, deformation modulus, endogenetic force calculation, Taipu River Pumping Station劳德诺又道：“当时我问师父：林家这辟邪剑法威力很大么？青城派为甚么这样用心修习？师父不答，闭眼沉思半晌，才道：德诺，你入我门之前，已在江湖上闯荡多年，可曾听得武林之中，对福威镖局总镖头林震南的武功，如何评论？我道：武林中朋友们说，林震南手面阔，交朋友够义气，大家都买他的帐，不去动他的镖。至于手底下真实功夫怎样，我不大清楚。师父道：是了！福威镖局这些年来兴旺发达，倒是江湖上朋友给面子的居多。你可曾听说，余观主的师父长青子少年之时，曾栽在林远图的辟邪剑下？我道：林林远图？是林震南的父亲？师父道：不，林远图是林震南的祖父，福威镖局是他一手创办的。当年林远图以七十二路辟邪剑法开创镖局，当真是打遍黑道无敌手。其时白道上英雄见他太过威风，也有去找他比试武艺的，长青子便因此而在他辟邪剑法下输了几招。我道：如此说来，辟邪剑法果然是厉害得很了？师父道：长青子输招之事，双方都守口如瓶，因此武林中都不知道。长青子前辈和你师祖是好朋友，曾对你师祖说起过，他自认这是他毕生的奇耻大辱，但自忖敌不过林远图，此仇终于难报。你师祖曾和他拆解辟邪剑法，想助他找出这剑法中的破绽，然而这七十二路剑法看似平平无奇，中间却藏有许多旁人猜测不透的奥妙，突然之间会变得迅速无比。两人钻研了数月，一直没破解的把握。那时我刚入师门，还只是个十来岁的少年，在旁斟茶侍候，看得熟了，你一试演，便知道这是辟邪剑法。唉，岁月如流，那是许多年前的事了。”林平之自被青城派弟子打得毫无招架之功，对家传武功早已信心全失，只盼另投明师，再报此仇，此刻听得劳德诺说起自己曾祖林远图的威风，不由得精神大振，心道：“原来我家的辟邪剑法果然非同小可，当年青城派和华山派的首脑人物尚且敌不过。然则爹爹怎么又斗不过青城派的后生小子？多半是爹爹没学到这剑法的奥妙厉害之处。” 只听劳德诺道：“我问师父：长青子前辈后来报了此仇没有？师父道：比武输招，其实也算不得是甚么仇怨。何况那时候林远图早已成名多年，是武林中众所钦服的前辈英雄，长青子却是个刚出道的小道士。后生小子输在前辈手下，又算得了甚么？你师祖劝解了他一番，此事也不再提了。后来长青子在三十六岁上便即逝世，说不定心中放不开此事，以此郁郁而终。事隔数十年，余沧海忽然率领群弟子一起练那辟邪剑法，那是甚么缘故？德诺，你想那是甚么缘故？“我说：瞧着松风观中众人练剑情形，人人神色郑重，难道余观主是要大举去找福威镖局的晦气，以报上代之仇？师父点头道：我也这么想。长青子胸襟极狭，自视又高，输在林远图剑底这件事，一定令他耿耿于怀，多半临死时对余沧海有甚么遗命。林远图比长青子先死，余沧海要报师仇，只有去找林远图的儿子林仲雄，但不知如何，直挨到今日才动手。余沧海城府甚深，谋定后动，这一次青城派与福威镖局可要有一场大斗了。“我问师父：你老人家看来，这场争斗谁胜谁败？师父笑道：余沧海的武功青出于蓝而胜于蓝，造诣已在长青子之上。林震南的功夫外人虽不知底细，却多半及不上乃祖。一进一退，再加上青城派在暗而福威镖局在明，还没动上手，福威镖局已输了七成。 倘若林震南事先得知讯息，邀得洛阳金刀王元霸相助，那么还可斗上一斗。德诺，你想不想去瞧瞧热闹？我自是欣然奉命。师父便教了我几招青城派的得意剑法，以作防身之用。” 陆大有道：“咦，师父怎地会使青城派剑法？啊，是了，当年长青子跟咱们祖师爷爷拆招，要用青城派剑法对付辟邪剑法，师父在旁边都见到了。”劳德诺道：“六师弟，师父他老人家武功的来历，咱们做弟子的不必多加推测。师父又命我不可和众同门说起，以免泄露了风声。但小师妹毕竟机灵，却给她探知讯息，缠着师父许她和我同行。我二人乔扮改装，假作在福州城外卖酒，每日到福威镖局去察看动静。别的没看到，就看到林震南教他儿子林平之练剑。小师妹瞧得直摇头，跟我说：这哪里是辟邪剑法了？这是邪辟剑法，邪魔一到，这位林公子便得辟易远避。”在华山群弟子哄笑声中，林平之满脸通红，羞愧得无地自容，寻思：“原来他二人早就到我局中来窥看多次，我们却毫不知觉，也真算得无能。” 劳德诺续道：“我二人在福州城外耽不了几天，青城派的弟子们就陆续到了。最先来的是方人智和于人豪二人。他二人每天到镖局中踹盘子，我和小师妹怕撞见他们，就没再去。 那一日也是真巧，这位林公子居然到我和师妹开设的大宝号来光顾，小师妹只好送酒给他们喝了。当时我们还担心是给他瞧破了，故意上门来点穿的，但跟他一搭上口，才知他是全然蒙在鼓里。这纨裤弟子甚么也不懂，跟白痴也差不了甚么。便在那时，青城派中两个最不成话的余人彦和贾人达，也到我们大宝号来光顾” 陆大有鼓掌道：“二师哥，你和小师妹开设的大宝号，当真是生意兴隆通四海，财源茂盛达三江。你们在福建可发了大财哪！”那少女笑道：“那还用说么？二师哥早成了大财主，我托他大老板的福，可也捞了不少油水。”众人尽皆大笑。劳德诺笑道：“别瞧那林少镖头武功稀松平常，给咱们小师妹做徒儿也还不配，倒是颇有骨气。余沧海那不成材的小儿了余人彦瞎了眼睛，向小师妹动手动脚，口出调笑之言，那林公子居然伸手来抱打不平” 林平之又是惭愧，又是愤怒，寻思：“原来青城派处心积虑，向我镖局动手，是为了报上代败剑之辱。来到福州的其实远不止方人智等四人。我杀不杀余人彦，可说毫不相干。” 他心绪烦扰，劳德诺述说他如何杀死余人彦，就没怎么听进耳去，但听得劳德诺一面说，众人一面笑，显是讥笑他武功甚低，所使招数全不成话。只听劳德诺又道：“当天晚上，我和小师妹又上福威镖局去察看，只见余观主率领了侯人英、洪人雄等十多个大弟子都已到了。我们怕给青城派的人发觉，站得远远的瞧热闹，眼见他们将局中的镖头和趟子手一个个杀了，镖局派出去求援的众镖头，也都给他们治死了，一具具尸首都送了回来，下的手可也真狠毒。当时我想，青城派上代长青子和林远图比剑而败，余观主要报此仇，只须去和林震南父子比剑，胜了他们，也就是了，却何以下手如此狠毒？那定是为了给余人彦报仇。可是他们偏偏放过了林震南夫妻和林平之三人不杀，只是将他们逼出镖局。林家三口和镖局人众前脚出了镖局，余观主后脚就进去，大模大样的往大厅正中太师椅上一坐，这福威镖局算是教他青城派给占了啦。”陆大有道：“他青城派想接手开镖局了，余沧海要做总镖头！”众人都是哈哈一笑。 劳德诺道：“林家三口乔装改扮，青城派早就瞧在眼里，方人智、于人豪、贾人达三人奉命追踪擒拿。小师妹定要跟着去瞧热闹，于是我们两个又跟在方人智他们后面。到了福州城南山里的一家小饭铺中，方人智、于人豪、贾人达三个露脸出来，将林家三口都擒住了。 小师妹说：林公子所以杀余人彦，是由我身上而起，咱们可不能见死不救。我极力劝阻，说道咱们一出手，必定伤了青城、华山两家的和气，何况余观主便在福州，我二人别要闹个灰头土脸。”陆大有道：“二师哥上了几岁年纪，做事自然把细稳重，那岂不扫了小师妹的兴致？” 劳德诺笑道：“小师妹兴致勃勃，二师哥便要扫她的兴，可也扫不掉。当下小师妹先到灶间中去，将那贾人达打得头破血流，哇哇大叫，引开了方于二人，她又绕到前面去救了林公子，放他逃生。”陆大有拍手道：“妙极，妙极！我知道啦，小师妹可不是为了救那姓林的小子。她心中却另有一番用意。很好，很好。”那少女道：“我另有甚么用意？你又来胡说八道。”陆大有道：“我为了青城派而挨师父的棍子，小师妹心中气不过，因此去揍青城派的人，为我出气，多谢啦”说着站起身来，向那少女深深一揖。那少女噗哧一笑，还了一礼，笑道：“六猴儿师哥不用多礼。”那手拿算盘的人笑道：“小师妹揍青城弟子，确是为人出气。是不是为你，那可大有研究。挨师父棍子的，不见得只你六猴儿一个。”劳德诺笑道：“这一次六师弟说得对了，小师妹揍那贾人达，确是为了给六师弟出气，日后师父问起来，她也是这么说。”陆大有连连摇手，说道：“这这个人情我可不敢领，别拉在我身上，教我再挨十下八下棍子。”那高个儿问道：“那方人智和于人豪没追来吗？”那少女道：“怎么没追？可是二师哥学过青城派的剑法，只一招鸿飞冥冥，便将他二人的长剑绞得飞上了天。只可惜二师哥当时用黑布蒙上了脸，方于二人到这时也不知是败在我华山派