薛濤 羅堂

(1.金陵科技學(xué)院 南京 211169； 2.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司 武漢 430071)

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數(shù)值模擬在群樁基礎(chǔ)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)確定中的應(yīng)用*

薛濤1羅堂2

(1.金陵科技學(xué)院 南京 211169； 2.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司 武漢 430071)

群樁基礎(chǔ)安全穩(wěn)定性評(píng)判決策中各因子評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)邊界的確定是保證其模型正確構(gòu)建的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無(wú)法測(cè)得這種警戒值，因此，本文采用基于ABAQUS軟件的數(shù)值模擬方法，依據(jù)上部結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)及使用要求來(lái)確定群樁基礎(chǔ)安全穩(wěn)定性判別決策因子的警戒值。仿真結(jié)果顯示：該方法能可靠獲取超大型深水群樁基礎(chǔ)成橋后的基樁軸力不均勻性和差異沉降的最佳警戒值。

群樁基礎(chǔ) 安全評(píng)判 數(shù)值模擬 警戒值

0 引言

超大型深水群樁基礎(chǔ)工程往往結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜、建設(shè)條件惡劣、施工工藝復(fù)雜、安全隱患問(wèn)題突出[1]。目前的規(guī)范均以小直徑的中短樁為理論和試驗(yàn)基礎(chǔ)，對(duì)于基樁長(zhǎng)度和直徑日益增大的超長(zhǎng)樁來(lái)說(shuō)，未能控制的問(wèn)題還比較多。因此，超大型深水群樁基礎(chǔ)在施工期及運(yùn)營(yíng)期內(nèi)，均要求采用安全監(jiān)控技術(shù)，即采用先進(jìn)傳感器技術(shù)得到工程現(xiàn)場(chǎng)各種效應(yīng)的真實(shí)響應(yīng)來(lái)進(jìn)行控制[2-3]。在實(shí)際工程建設(shè)及運(yùn)營(yíng)活動(dòng)中，影響工程安全性的因素非常復(fù)雜，這就需要分別對(duì)不同的因子進(jìn)行單一目標(biāo)安全狀態(tài)的估計(jì)，并構(gòu)建綜合安全評(píng)判模型[4]，以獲取群樁基礎(chǔ)總目標(biāo)狀態(tài)的精確估計(jì)。由于傳感器數(shù)量繁多、種類各異，影響群樁基礎(chǔ)安全穩(wěn)定性的各因子又具有很強(qiáng)的不確定性，故可采用模糊推理融合算法構(gòu)建模型[5]。然而，該模型評(píng)判決策中各因子的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)邊界難以確定，故本文擬采用數(shù)值模擬方法確定群樁基礎(chǔ)安全穩(wěn)定性判別決策因子中基樁軸力不均勻因子和差異沉降因子的警戒值。

1 安全評(píng)判決策因子的確定

超大型深水群樁基礎(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)安全監(jiān)測(cè)主要包括：(1)群樁效應(yīng)及其對(duì)樁基礎(chǔ)安全穩(wěn)定性的影響；(2)基樁樁頂軸力分布不均勻的原因及其對(duì)樁基礎(chǔ)安全穩(wěn)定性的影響；(3)沉降及差異沉降對(duì)樁基礎(chǔ)安全穩(wěn)定性的影響；(4)考慮群樁效應(yīng)和大體積混凝土水化熱影響的承臺(tái)受力安全性；(5)河床沖淤及其演變規(guī)律對(duì)樁基礎(chǔ)安全穩(wěn)定性的影響[6-7]。

實(shí)際工程建設(shè)中，監(jiān)測(cè)內(nèi)容往往按照不同的效應(yīng)指標(biāo)由各類傳感器完成。其中，樁的各種應(yīng)力應(yīng)變指標(biāo)可以由應(yīng)力應(yīng)變傳感器獲取；承臺(tái)沉降變形指標(biāo)可以由微壓及靜力水準(zhǔn)傳感器獲??；河床沖刷深度指標(biāo)可以由水壓力傳感器獲?。怀蔽患皽囟茸兓瘜?duì)結(jié)構(gòu)的影響程度可以由潮位及溫度傳感器分別獲取。安全評(píng)判時(shí)，則是利用獲取的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立原因量和效應(yīng)量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，再根據(jù)建立的預(yù)測(cè)模型對(duì)群樁基礎(chǔ)的工作性狀和安全穩(wěn)定性做出合理、客觀的評(píng)判和決策。故安全決策因子可以根據(jù)參與評(píng)判的響應(yīng)量進(jìn)行確定。本文主要以軸力分布不均勻性因子和差異沉降因子的模擬為例。

2 軸力分布不均勻性因子警戒值的確定

蘇通大橋主塔墩群樁基礎(chǔ)在豎向荷載作用下，承臺(tái)、樁間土、樁端土共同工作，相互影響，群樁的工作性狀趨于復(fù)雜。尤其是樁頂軸力，將隨著承臺(tái)荷載的變化重新分布，且不同位置樁側(cè)摩阻力和樁端阻力的發(fā)揮并不同步，因此，為了保證預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠性，考慮用處于對(duì)稱位置樁的樁頂軸力不均勻系數(shù)作為樁頂軸力分布不均勻因子的評(píng)判因子，并利用數(shù)值模擬計(jì)算得出的結(jié)果作為評(píng)判的警戒值。

2.1 模型的建立

該模型計(jì)算范圍包括承臺(tái)及群樁的自由段部分，考慮到結(jié)構(gòu)及受力條件的對(duì)稱性，取其1/2模型進(jìn)行研究。模型尺寸與實(shí)際尺寸一致(1/2承臺(tái)面尺寸為56.875 m×48.10 m)，承臺(tái)底面標(biāo)高為-12 m?；鶚陡鶕?jù)面積等效即剛度等效的方法簡(jiǎn)化為方柱，邊長(zhǎng)為2.48 m。

對(duì)稱面的邊界條件為：ux=ury=urz=0，群樁底部的邊界采用全約束。索塔及上部結(jié)構(gòu)荷載以力的形式施加在承臺(tái)上，工況為成橋后。荷載可等效為垂直于承臺(tái)表面的均布力、東西向彎矩及南北向彎矩(因縱橋向彎矩對(duì)警戒值的判斷不會(huì)產(chǎn)生影響，故取縱橋向彎矩為0)。均布力大小為5.69×106Pa，橫橋向彎矩為2.57×108N·m。

以垂直于橋軸線方向?yàn)閤軸，東為正；縱橋向方向?yàn)閥軸，北為正；垂向?yàn)閦軸，上為正。承臺(tái)在標(biāo)高-2.4 m以下采用修正的六面體單元，-2.4 m以上部分由于其形狀不規(guī)則，采用四面體單元，基樁采用六面體單元。其有限元模型如圖1。

圖1 有限元模型

2.2 計(jì)算參數(shù)選取

基樁和承臺(tái)都采用彈性模型模擬，并將主要鋼筋參數(shù)按體積等效彌散到混凝土中。樁的彈性模量為35.6 GPa，泊松比為0.167，重度取24 kN/m3。承臺(tái)各部分參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 承臺(tái)各部分參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

注：承臺(tái)表層鋼筋也彌散到混凝土中，本文未列出；第一層含七層鋼筋。

2.3 警戒值的確定

由于群樁基礎(chǔ)安全監(jiān)控系統(tǒng)的各個(gè)響應(yīng)量無(wú)法直接測(cè)得警戒值，而承臺(tái)、樁、土存在共同作用，對(duì)于整個(gè)群樁基礎(chǔ)來(lái)說(shuō)，其真實(shí)的響應(yīng)對(duì)于上部結(jié)構(gòu)、承臺(tái)、樁、地基都是統(tǒng)一的。因此，理論上，當(dāng)群樁基礎(chǔ)受到外荷載作用時(shí)，如果塔根處產(chǎn)生的拉應(yīng)力達(dá)到了其抗拉強(qiáng)度，群樁基礎(chǔ)就達(dá)到了警戒狀態(tài)。模擬計(jì)算過(guò)程中，不斷增加?xùn)|西向彎矩，直到承臺(tái)頂面(塔根處)出現(xiàn)拉應(yīng)力，此時(shí)，上部荷載偏心達(dá)到索塔結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)，群樁基礎(chǔ)也達(dá)到警戒狀態(tài)。

為了能夠獲取群樁基礎(chǔ)達(dá)到警戒狀態(tài)的量化指標(biāo)，定義承臺(tái)樁頂軸力最大值(或最小值)與平均值的差比上平均值為軸力不均勻性系數(shù)，取二者之間最大值即可作為軸力分布不均勻性因子的警戒值。

(1)

通過(guò)計(jì)算得到警戒值為0.35。圖2為最終的基樁軸力云圖。

圖2 基樁軸力云圖

3 差異沉降因子警戒值的確定

蘇通大橋索塔上部結(jié)構(gòu)是高聳倒“Y”字型雙塔肢結(jié)構(gòu)，塔墩屬超大型深水群樁基礎(chǔ)，受力條件非常復(fù)雜，加之河床不均勻沖刷等因素的影響，導(dǎo)致基礎(chǔ)出現(xiàn)差異沉降。而差異沉降將對(duì)索塔受力產(chǎn)生重要影響，導(dǎo)致差異沉降加劇。因此，在安全預(yù)測(cè)過(guò)程中，差異沉降因子被確定為評(píng)判群樁基礎(chǔ)可靠性的決策因子。

3.1 模型的建立

該模型計(jì)算范圍包括承臺(tái)和索塔，考慮到受力條件的不對(duì)稱性，采用整體模型，模型尺寸與實(shí)際尺寸一致，承臺(tái)尺寸為113.75m×48.10m，索塔高度300.6m。承臺(tái)底面標(biāo)高為-12m，采用全約束邊界?？紤]到整個(gè)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，模型做了以下概化處理：承臺(tái)及索塔材料參數(shù)均按同質(zhì)材料選取，其中鋼筋的參數(shù)按體積等效原則彌散到混凝土中；將各個(gè)索力以集中力的形式施加在索塔的相應(yīng)位置。

x，y，z軸設(shè)置與第2節(jié)一樣，整個(gè)模型采用四面體單元，共劃分32 144個(gè)單元，有限元模型如圖3。

圖3 群樁基礎(chǔ)及索塔網(wǎng)格及應(yīng)力云圖

3.2 計(jì)算參數(shù)的選取

承臺(tái)和索塔都采用彈性模型，通過(guò)概化處理得到的參數(shù)如表2。

表2 參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

3.3 警戒值的確定

由于蘇通大橋?qū)儆诔鲆?guī)范建設(shè)的超大型工程，且缺乏相應(yīng)工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行借鑒，在工程建設(shè)過(guò)程中，主要以工程安全儲(chǔ)備要求控制其沉降變形問(wèn)題。為了能夠?qū)Τ笮腿簶痘A(chǔ)進(jìn)行安全預(yù)測(cè)，考慮以差異沉降因子警戒值作為安全預(yù)測(cè)的控制指標(biāo)之一。由于差異沉降對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響是通過(guò)高聳結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的傾斜進(jìn)行控制。因此，旋轉(zhuǎn)索塔使其傾斜，當(dāng)索塔混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)受拉狀況時(shí)，達(dá)到傾斜極限狀態(tài)，計(jì)算此時(shí)承臺(tái)的差異沉降，即可確定差異沉降的警戒值。具體做法是：首先確定索塔的旋轉(zhuǎn)方式(橫橋向或縱橋向)，再通過(guò)旋轉(zhuǎn)模型來(lái)調(diào)整承臺(tái)的傾斜角度，調(diào)整過(guò)程中角度由小變大，直到索塔混凝土表面出現(xiàn)拉應(yīng)力為止(如圖3)，最后，利用此時(shí)的傾斜角計(jì)算承臺(tái)的相對(duì)沉降。

模擬結(jié)果顯示：當(dāng)上部結(jié)構(gòu)混凝土受拉時(shí)，模型橫橋向和縱橋向?qū)?yīng)的傾斜角分別為1.1°和0.35°，差異沉降分別為130和30.2 cm?？紤]結(jié)構(gòu)受力的復(fù)雜性和不確定性，取安全系數(shù)為2，得到差異沉降值分別為65和15 cm，《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：高聳結(jié)構(gòu)(200 m

4 結(jié)論

(1)探討超大型深水群樁基礎(chǔ)安全評(píng)判決策因子確定方法，選出兩個(gè)重要決策因子，即軸力分布不均勻性因子和差異沉降因子進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

(2)借助ABAQUS軟件，在分析索塔、承臺(tái)受力基礎(chǔ)上，確定出兩個(gè)重要決策因子的警戒值，解決了模糊推理融合算法中參數(shù)指標(biāo)的確定問(wèn)題，為超大型深水群樁基礎(chǔ)安全評(píng)價(jià)及預(yù)警提供了可靠依據(jù)。

(3)利用數(shù)值模擬方法確定決策因子警戒值過(guò)程中，還需綜合考慮結(jié)構(gòu)傳力特點(diǎn)、施工誤差、設(shè)計(jì)要求等因素，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正。

(4) 從不均勻沉降警戒值的確定結(jié)果看，蘇通大橋索塔高度已經(jīng)超過(guò)了規(guī)范規(guī)定，因此，有必要采用數(shù)值模擬的計(jì)算方法確定超大型群樁基礎(chǔ)的安全評(píng)判因子的警戒值。

[1]任回興，歐陽(yáng)效勇，賀茂生，等.蘇通大橋主塔深水基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)與施工[J]．中國(guó)工程科學(xué)，2009，11(3)：38-43.

[2]唐勇，陳志堅(jiān).大型群樁基礎(chǔ)安全監(jiān)測(cè)傳感器選型優(yōu)化[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011,46(2)：247-251.

[3]張寧寧，陳志堅(jiān)，陳元俊，等.PSI和CRI聯(lián)合算法用于蘇通大橋基礎(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)[J].巖土力學(xué)，2012，33(7)：2167-2173.

[4]陳勇剛.基于模糊數(shù)學(xué)的機(jī)務(wù)維修中人的可靠性綜合評(píng)價(jià)[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2011，37(2)：57-59.

[5]黨宏社，韓崇昭，王立琦，等.基于模糊推理原理的多傳感器數(shù)據(jù)融合方法[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2004，25(4)：527-530.

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Application of Numerical Simulation in Pile Group Foundation Evaluation Standard Determination

XUE Tao1LUO Tang2

(1.JinglingInstituteofTechnologyNanjing211169)

The determination of evaluation standard boundary in the group pile foundation stability is the key to ensure the correct construction of the model. Currently, the safety monitoring system can not measure the warning value. Therefore, in this paper, the numerical simulation method is adoped and according to the basis of upper structural mechanical characteristics and requirements, the warning value of security and stability discriminant factors for pile group foundation is determined. The simulation shows that the method can obtain the best warning value for super-large deep-water pile group foundation after finished-bridge, aimed at the heterogeneity of pile axial force and uneven settlement.

pile group foundation security evaluation numerical simulation warning value

金陵科技學(xué)院博士科研啟動(dòng)基金(jit-b-201209)。

薛濤，女，1966年生，副教授，工學(xué)博士，主要從事巖土體及地基基礎(chǔ)安全監(jiān)測(cè)研究。

2016-02-15)