李巖磊

(安徽省水利水電工程檢測有限公司,合肥 230022)

0 引 言

建在地基上的水閘閘室穩(wěn)定包括閘室和地基兩個方面:一是在各種計算情況下,閘室不會沿地基表面滑動;二是閘室的基底壓力不超過地基容許承載力,且地基中不出現(xiàn)過大的沉降差,防止由于剪切破壞而使地基失去穩(wěn)定。當(dāng)不能滿足上述要求時,則應(yīng)采取相應(yīng)的工程措施,以保證閘室的穩(wěn)定。水閘地基的變形、滲流、地基處理等,對閘室結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力、閘室穩(wěn)定有著重要的影響作用。因此,研究水閘地基與閘室結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系并總結(jié)其規(guī)律十分重要[1]。

地基的變形模量通常會影響到閘室結(jié)構(gòu)的沉降和應(yīng)力,土的變形模量在實際勘測中是重要的物理力學(xué)指標(biāo),經(jīng)常用于判斷土的特性如土的壓縮性,或用于計算地基變形[2]?；炷翉椥阅Ａ康亩x為:在荷載作用下混凝土構(gòu)件應(yīng)力與應(yīng)變的比值,是混凝土構(gòu)件在承受荷載作用或受到災(zāi)害影響后,分析結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的重要參數(shù)。同時,混凝土彈性模量也被用來評價混凝土耐久性及安全性[3]。因此,研究地基變形模量與混凝土彈性模量對閘室結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化規(guī)律的影響,有著十分重要的意義。

為了提高閘室結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,本文建立三維有限元模型,分析天然地基和復(fù)合地基水閘閘室的應(yīng)力沉降,設(shè)定μ為地基變形模量與閘室混凝土彈性模量比,分析不同μ值對閘室沉降應(yīng)力的影響。同時,分析滲流-應(yīng)力耦合作用下,土體材料參數(shù)和滲流條件對閘室的安全穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響。

1 工程概況

某水閘位于河道東側(cè),閘室凈寬16m,為鋼筋砼整體塢式結(jié)構(gòu),采用升臥式平面鋼閘門。節(jié)制閘底板順?biāo)飨蜷L14.0m,垂直水流向18.2m,底板厚1.80m,底板頂面高程0.00m。根據(jù)防洪水位和超高要求,閘門頂高程7.20m,閘門平臥后底高程9.35m。閘室持力層在中、重粉質(zhì)壤土上。作用在閘室上的荷載有以下幾個類型:固定荷載、回填土荷載、水荷載。該水閘處于地震烈度為7度,地震加速度值為0.10g,故需進行抗震復(fù)核,地震荷載通過Abaqus軟件中的質(zhì)量加速度施加,在質(zhì)量結(jié)構(gòu)上施加加速度荷載。將原點設(shè)置底板頂與閘墩的交界點,順?biāo)鞣较驗閄軸,指向下游為正;垂直水流方向為Y軸,指向左側(cè)閘墩為正;豎直方向為Z軸,向上為正[4]。閘室和地基整體模型簡圖見圖1。

圖1 閘室和地基整體模型簡圖

由圖1可知,順?biāo)鞣较蛉?倍閘室寬度,為42.0m;垂直水流方向取3倍閘室長度,為54.6m;地基深度為30m。設(shè)定地基土體料為彈塑性材料,閘室與樁體為線彈性材料,以上材料滿足摩爾-庫侖屈服準(zhǔn)則。

2 地基變形和滲流對閘室結(jié)構(gòu)性態(tài)影響

2.1 地基變形對閘室結(jié)構(gòu)性穩(wěn)定的影響

地基變形是指地基在水閘閘室上部荷載作用下,巖土體被壓縮而產(chǎn)生的相應(yīng)變形。若地基變形量過大,將會影響水閘閘室的正常使用,甚至危及水閘閘室的安全。地基變形特征表現(xiàn)為水閘閘室的沉降量、沉降差、傾斜和局部傾斜等,這些數(shù)值都不應(yīng)大于地基的容許變形值,該值是根據(jù)水閘閘室上部結(jié)構(gòu)對地基變形的適應(yīng)能力和使用上的要求來確定的。當(dāng)?shù)鼗休d力不滿足要求或沉降超過允許值時,改良土壤、加固地基、控制沉降、加深埋深、加設(shè)地基加固樁等均可以提高地基承載力。閘室上部結(jié)構(gòu)承受各種外部荷載,然后傳遞給承臺,承臺再把受到的力分配到樁群,繼而傳遞到承載力較強的地基土層中。

為了改善地基的抗荷載性能,提高施工質(zhì)量,可以采用復(fù)合地基。復(fù)合地基是指天然地基在地基處理過程中部分土體得到增強,或被置換,或在天然地基中設(shè)置加筋材料,加固區(qū)是由基體(天然地基土體或被改良的天然地基土體)和增強體兩部分組成的人工地基。在荷載作用下,基體和增強體共同承擔(dān)荷載的作用。復(fù)合地基具有節(jié)約造價、強度高、工藝簡單、抗震性高等優(yōu)點,并且在提高閘室穩(wěn)定安全系數(shù)中有著較為明顯的效果。

分析閘室部分、地基土和樁群各部分之間的相互影響,有助于相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)作用[5-6]。研究各部分之間較為復(fù)雜的相互作用,采用有限元法。其基本原理是將整體的結(jié)構(gòu)離散為許多單元,用單元集合來代替原結(jié)構(gòu),單元內(nèi)的真實場變量用相近的函數(shù)來表示,從而給出離散模型的解析。有限元法分析計算的思路和做法可歸納為:物體離散化、選擇位移模式、分析力學(xué)性質(zhì)、等效節(jié)點力。物體離散化后,假定力是通過節(jié)點從一個單元傳遞到另一個單元。但對于實際的連續(xù)體,力是從單元的公共邊傳遞到另一個單元中去的。因而,這種作用在單元邊界上的表面力、體積力和集中力都需要等效的移到節(jié)點上去,也就是用等效的節(jié)點力來代替所有作用在單元上的力。

以某水閘為例,研究通過有限元分析軟件Abaqus,對不同地基參數(shù)的天然地基和復(fù)合地基水閘的位移、應(yīng)力進行分析,并對參數(shù)改變前后閘室結(jié)構(gòu)應(yīng)力位移進行對比。地基變形模量與閘室混凝土模量是影響閘室結(jié)構(gòu)安全系數(shù)較為重要的參數(shù),因此改變這些變量,閘室結(jié)構(gòu)的應(yīng)力沉降也會改變。通過改變地基變形模量與閘室混凝土模量的比值,來研究閘室結(jié)構(gòu)沉降對該比值的敏感性[7]。

2.2 地基滲流對閘室結(jié)構(gòu)性穩(wěn)定影響

地基滲流可能會改變土體的重力特性,導(dǎo)致土體內(nèi)部的水力壓力增加,引起土體的溶解和流失,從而影響水閘閘室結(jié)構(gòu)性穩(wěn)定。當(dāng)土體有水頭差存在時,地基中的水就會沿著孔隙流動,流動的水就會產(chǎn)生動水壓力,這種動水壓力就是滲透體積力[8]。滲透體積力在地基土體上的作用方式是外部荷載,在外部荷載的作用下,地基土體的應(yīng)力場變化較大。在應(yīng)力場中應(yīng)力的作用下,土體顆粒會發(fā)生位移,發(fā)生位移后的土顆粒與之前的位置不同。土體的應(yīng)力場和位移場發(fā)生改變后,孔隙率也因此改變,土體的滲透系數(shù)也隨之發(fā)生改變,以上一系列的變化就會引起土體滲流場發(fā)生變化。

依據(jù)理想狀態(tài)下彈塑性本構(gòu)模型和摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則理論,對閘室穩(wěn)定性進行分析研究,運用Abaqus軟件實現(xiàn)強度折減法是比較簡單和便捷的,計算結(jié)果相對精確[9]。為了得到計算結(jié)果,首先定義場變量Fr,然后逐漸減小土體黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ。若場變量初始較大,土體則會發(fā)生初始破壞,因此通常定義場變量初始值小于1,以避免土體發(fā)生破壞。當(dāng)計算終止時的折減系數(shù),即為水閘閘室的安全系數(shù)。在實際工程中,天然地基水閘中的土體多是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多孔介質(zhì)體,地基土主要被滲流場和應(yīng)力場共同控制。兩者并不是完全獨立的,而是互相影響、共同作用的[10]。若不考慮兩者之間的相互影響,單一地研究應(yīng)力場與位移場是不準(zhǔn)確的,所以研究滲流場和應(yīng)力場間的耦合作用是有必要和有意義的。

根據(jù)對滲流場和應(yīng)力場相互作用相互影響的關(guān)系分析,可以建立滲流-應(yīng)力耦合數(shù)學(xué)模型,先分別得出一種場在另一種場影響下的數(shù)學(xué)模型,得到兩種數(shù)學(xué)模型后,對其進行組合計算,即可得到滲流-應(yīng)力耦合的有限元數(shù)學(xué)模型。將模型寫成矩陣形式,公式如下:

(1)

式中:ΔFs為因滲流場的變化而變化的滲流體積力結(jié)點載荷量;k為滲透系數(shù);K為土體剛度矩陣;Δδ為位移變化量;ΔF為土體所承受的外部荷載引起的結(jié)點載荷變化量;K(σij)為滲透系數(shù)矩陣;H為土體兩側(cè)的水頭差;{f}為滲流場水頭分布函數(shù)。

先對模型進行初始條件和邊界條件的定義,再通過式(1)計算,即可實現(xiàn)滲流-應(yīng)力的耦合。

3 地基變形和滲流對閘室結(jié)構(gòu)性穩(wěn)定影響結(jié)果分析

通過地基變形模量與閘室混凝土彈性模量比,對閘室結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力變化規(guī)律的影響進行有限元分析。假設(shè)μ為地基變形模量與閘室混凝土彈性模量比,地基變形模量分別取42.6、63.9、85.2、106.5MPa,閘室混凝土彈性模量為3.0×104MPa,分別求出μ為0.001 42、0.002 13、0.002 84、0.003 55時閘室在正向設(shè)計、正向校核、反向設(shè)計、反向校核以及地震5種工況下的沉降、水平位移、應(yīng)力分布情況,并總結(jié)其變化規(guī)律。當(dāng)μ取值為0.001 42、0.002 13、0.002 84、0.003 55時,閘室在正向設(shè)計、正向校核、反向設(shè)計、反向校核以及地震5種工況下的最大沉降量變化見圖2。

由圖2可知,隨著μ值的增大,閘室最大沉降量變化曲線整體呈下降趨勢。μ為0.001 42時,正向校核下閘室最大沉降量為162.9mm;μ增大至0.003 55時,正向校核下閘室最大沉降量為143.2mm,表明適當(dāng)増加μ值,可以減小閘室結(jié)構(gòu)的最大沉降量。

不同μ值在5種工況中的最大水平位移變化見圖3。由圖3可知,μ為0.001 42時,正向設(shè)計下閘室最大水平位移為5.644mm;μ增大至0.003 55時,正向設(shè)計下閘室最大水平位移為5.254mm。正向設(shè)計、正向校核和地震工況下,隨著μ值增大,閘室最大水平位移與μ沒有明顯比例關(guān)系,其原因是水平位移主要與閘室兩側(cè)水頭差大小有關(guān)。

圖3 不同工況下的最大水平位移變化

天然地基閘室底板最大主壓、拉應(yīng)力隨μ值變化見圖4。由圖4(a)可知,地基閘室底板最大主壓應(yīng)力隨μ值增大,閘室底板最大主壓應(yīng)力呈減小趨勢,變化幅度先是較大,然后減小,表明適當(dāng)增加μ值,可以減小閘室底板的最大主壓應(yīng)力。由圖4(b)可知,隨μ值的增大,地基閘室底板最大主拉應(yīng)力逐漸減小。

圖4 天然地基閘室底板最大主壓應(yīng)力和最大主拉應(yīng)力變化對比

天然地基與復(fù)合地基水閘閘室在各工況下,最大沉降量和閘室整體結(jié)構(gòu)水平位移變化對比見表1。由表1可知,在沒有進行地基處理時的水閘閘室最大豎向位移量為162.9mm;進行地基處理后的水閘即復(fù)合地基水閘閘室最大豎向位移量為36.19mm。兩者相比,最大豎向位移減小77.8%。因此,復(fù)合地基相較于天然地基,閘室最大沉降量顯著減小,復(fù)合地基可以有效減小間室最大沉降量。天然地基水閘閘室和復(fù)合地基水閘閘室最大水平位移分別為5.745和3.421mm,兩者相比,最大水平位移減小41.5%。因此,對地基進行處理可以有效減小閘室最大水平位移。

表1 兩種地基水閘閘室結(jié)構(gòu)最大沉降量水平位移變化對比

在各工況下,天然地基水閘與復(fù)合地基水閘兩種模型水平位移的變化規(guī)律為:隨著高程增加,閘室部分的水平位移也在增加。這是因為閘室順?biāo)鞣较騼蓚?cè)受到方向和大小不同的水平水壓力,所以閘室受到的水平荷載矢量指向水平水壓力較小的方向。當(dāng)閘室受到該水平總壓力時,閘室即將向矢量所指方向位移的趨勢,所以閘室結(jié)構(gòu)上部的水平位移比下部大。

以天然水閘為例,從土體材料參數(shù)和滲流條件兩個角度,研究閘室本身條件與外部條件對閘室安全系數(shù)的影響。土體材料參數(shù)包括土體黏聚力、土體內(nèi)摩擦角、土體變形模量、土體泊松比,滲流條件即滲透系數(shù)和水頭高度,分析上述條件下影響閘室安全穩(wěn)定系數(shù)的規(guī)律。初始狀態(tài)下,土體黏聚力為10kPa,土體內(nèi)摩擦角為15°,土體變形模量為40MPa,土體泊松比為0.1,滲透系數(shù)為0.000 02cm/s。當(dāng)研究某一變量的影響時,其他參數(shù)保持不變,建立不同參數(shù)下的閘室模型。根據(jù)計算結(jié)果,繪出安全穩(wěn)定系數(shù)隨某一變量的變化,見圖5。

圖5 安全穩(wěn)定系數(shù)隨不同變量的變化對比

由圖5(a)可知,隨著土體剪脹角的增大,安全系數(shù)增加,增加幅度先是較大然后減小,所以土體剪脹角越大,土體抵抗閘室滑動能力越強,安全系數(shù)越大。

由圖5(b)可知,隨著土體變形模量的增加,安全系數(shù)的變化幅度平緩,所以閘室安全系數(shù)對土體變形模量的敏感性不大。隨著土體泊松比的增大,安全系數(shù)基本無變化,所以閘室安全系數(shù)對土體泊松比的變化不敏感。

由圖5(c)可知,土體黏聚力從10kPa增加至30kPa,內(nèi)摩擦角從15°至35°,閘室安全穩(wěn)定系數(shù)分別增加38.76%和20.97%。這是由于土體黏聚力和內(nèi)摩擦角增大后,土體的抗剪強度增加,抵抗土體發(fā)生破壞的能力增加,所以閘室安全穩(wěn)定系數(shù)增加,閘室強度增加。

4 結(jié) 論

為了提高閘室結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,本文分析了天然地基和復(fù)合地基水閘閘室的應(yīng)力沉降,設(shè)定μ為地基變形模量與閘室混凝土彈性模量比,分析不同μ值對閘室沉降應(yīng)力的影響。同時,分析了滲流-應(yīng)力耦合作用下,土體材料參數(shù)和滲流條件對閘室結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響。結(jié)果表明,隨著μ值的增大,閘室最大沉降量變化曲線整體呈下降趨勢。μ為0.001 42時,正向校核下閘室最大沉降量為162.9mm。土體黏聚力從10kPa增加至30kPa,內(nèi)摩擦角從15°至35°,閘室安全穩(wěn)定系數(shù)分別增加38.76%和20.97%。