閆鳳濤， 程衛(wèi)祥， 萬(wàn) 曙， 胡子明， 王靜峰

(1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)安徽電力建設(shè)第一工程有限公司，安徽 合肥 230088； 2.廣州環(huán)投從化環(huán)保能源有限公司，廣東 廣州 510940; 3.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

大型垃圾焚燒廠需配備大型垃圾池，而大型垃圾池由于結(jié)構(gòu)占地大，地基條件復(fù)雜，受不均勻沉降影響易產(chǎn)生大量裂縫，結(jié)構(gòu)的抗?jié)B、抗腐蝕性能受到影響。垃圾池中的垃圾滲瀝液是目前世界上最難處理的高濃度有機(jī)廢水之一，含有高濃度的COD、NH3-N，且含有眾多的重金屬，滲漏至地基乃至地下水體會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染[1]，并且由于土體覆蓋難以發(fā)現(xiàn)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，良好的數(shù)值模擬方式為結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供有效參考。由于占地廣，大型垃圾池易遇到地基不均勻沉降問(wèn)題，沉降影響大則會(huì)產(chǎn)生裂縫引起滲流。針對(duì)此問(wèn)題，目前規(guī)范尚不完善，數(shù)值模擬方法有較好的應(yīng)用前景。

目前，針對(duì)大型垃圾池結(jié)構(gòu)滲漏的數(shù)值模擬研究罕見(jiàn)，主要有幾方面的原因：占地廣，地質(zhì)條件復(fù)雜，邊界條件難以確定；混凝土滲流場(chǎng)模擬復(fù)雜，影響滲透系數(shù)的主要原因是混凝土的開(kāi)裂損傷，目前應(yīng)用較小。本文總結(jié)了現(xiàn)有結(jié)構(gòu)數(shù)值分析方法，并提出了考慮結(jié)構(gòu)裂縫影響的垃圾池結(jié)構(gòu)有限元分析方法的技術(shù)路線。

1 垃圾池沉降裂縫有限元分析

1.1 結(jié)構(gòu)沉降有限元分析現(xiàn)狀

大型垃圾池體結(jié)構(gòu)由于占地廣易產(chǎn)生不均勻沉降，這是該結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫的重要原因?，F(xiàn)有結(jié)構(gòu)沉降的有限元計(jì)算方法對(duì)地基的處理方式包含豎向彈性支承分析法[2]、地基數(shù)值分析模型[3]。

1.1.1 豎向彈性支承分析法

該方法由天津大學(xué)劉暢首次提出，在上部結(jié)構(gòu)柱下施加彈簧模擬地基，這種思想與文克勒地基模型[4]相似，用彈簧的剛度(基床系數(shù))指代下部地基的作用效果，文獻(xiàn)[5]在ANSYS有限元分析軟件中利用阻尼彈簧單元構(gòu)建柱下彈簧，實(shí)現(xiàn)該方法的有限元建模。此方法的彈簧剛度難以確定，主要適用于獨(dú)立基礎(chǔ)。

1.1.2 地基數(shù)值分析模型

該方法是指采用合理的本構(gòu)關(guān)系(線性彈性地基模型、非線性彈性地基模型、彈塑性地基模型、黏塑性地基模型、內(nèi)時(shí)地基模型及其他地基模型等[6])建立土體的有限元模型，使用相關(guān)作用關(guān)系將地基模型與上部結(jié)構(gòu)組合進(jìn)行整體數(shù)值分析。該方法適用于各類基礎(chǔ)，并得到了廣泛應(yīng)用[7-8]。圖1為文獻(xiàn)[8]結(jié)構(gòu)有限元分析模型。

圖1 文獻(xiàn)[8]結(jié)構(gòu)有限元分析模型

1.2 垃圾池沉降有限元分析方法

焚燒廠垃圾池體結(jié)構(gòu)底板類似于筏板，范圍大，占地廣，地質(zhì)條件往往不一，采用豎向彈性支承分析法實(shí)現(xiàn)難度大，建議采用地基數(shù)值分析模型，即采用土體本構(gòu)關(guān)系模型，運(yùn)用實(shí)體單元，考慮基體于上部結(jié)構(gòu)的接觸關(guān)系建立整體有限元分析模型，如圖2所示。

圖2 焚燒廠垃圾池體地基數(shù)值分析模型

在實(shí)際工程中，此類垃圾池結(jié)構(gòu)易遇到部分軟弱地基，此時(shí)一般采用樁筏基礎(chǔ)或部分區(qū)域布置樁基礎(chǔ)的樁基-筏板復(fù)合基礎(chǔ)。樁基剛度較天然地基為大，這種剛度的不一致是引起結(jié)構(gòu)不均勻沉降的重要因素。在數(shù)值模擬中，樁基的模擬難度大，為此本文提出了一種樁基復(fù)合基礎(chǔ)的模擬方法：樁基礎(chǔ)基于豎向彈性支承分析法，將試樁報(bào)告中的位移-荷載曲線作為本構(gòu)關(guān)系，在底板對(duì)于位置布置阻尼彈簧單元模擬樁基作用。

2 垃圾池滲流場(chǎng)有限元分析

2.1 混凝土結(jié)構(gòu)滲流有限元分析現(xiàn)狀

有限元方法在土石構(gòu)筑物滲流場(chǎng)分析中較為常見(jiàn)，土體在荷載作用下產(chǎn)生體積變形，引起孔隙比變化進(jìn)而影響土體的滲透性能。針對(duì)此滲流-應(yīng)力耦合問(wèn)題，1925年Terzaghi最早提出了飽和土體的一維固結(jié)數(shù)學(xué)模型，此后針對(duì)巖土體的滲透系數(shù)-應(yīng)力、滲透系數(shù)-應(yīng)變、滲透系數(shù)-孔隙比耦合等數(shù)學(xué)模型紛紛提出[9～12]，有限元分析軟件ABAQUS基于滲透系數(shù)-孔隙比耦合數(shù)學(xué)模型提供了固流耦合的計(jì)算方法。

混凝土材料與土體不同，其自身滲透系數(shù)較小，結(jié)構(gòu)滲流主要是由裂縫產(chǎn)生，其滲透系數(shù)隨彈性變形影響為小。混凝土裂縫的產(chǎn)生機(jī)制的數(shù)值模擬方法已有應(yīng)用，但是該模型主要針對(duì)混凝土的細(xì)觀機(jī)制，對(duì)于大型結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)不適用。1976年，Dougill率先提出了混凝土損傷本構(gòu)關(guān)系模型，此后該模型不斷被完善[13]，利用較為宏觀的損傷變量描述混凝土的開(kāi)裂程度，成為一種新的選擇并且得到大量應(yīng)用。

混凝土滲流-損傷耦合模型即建立混凝土滲透系數(shù)與混凝土損傷系數(shù)的關(guān)系，可以較好的描述這一行為，該數(shù)學(xué)模型國(guó)內(nèi)研究甚少,Picandet等[14]測(cè)試軸壓損傷事件的氣體滲透系數(shù)，擬合了氣體的滲透系數(shù)與損傷演化方程。

目前，基于混凝土滲流—損傷耦合模型的有限元分析模型較為罕見(jiàn)，林凱生[15]利用ABAQUS商業(yè)有限元軟件二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)值模擬模型的建立；呂從聰[16]利用ABAQUS在滲流損傷的基礎(chǔ)上，考慮了宏觀裂縫對(duì)滲流的影響，實(shí)現(xiàn)了滲流損傷破壞全過(guò)程滲流-彈塑性損傷耦合模型的建立。以上文獻(xiàn)成果在實(shí)際工程中的應(yīng)用未見(jiàn)。

2.2 垃圾池滲流有限元分析方法

垃圾池的設(shè)計(jì)建造對(duì)混凝土的防滲性能要求高，多采用防滲混凝土。垃圾池滲漏的主要原因是在荷載及變形作用下產(chǎn)生損傷裂縫，從而影響防滲混凝土的工作性能。對(duì)于這種大型工程，宜采用基于混凝土塑性損傷本構(gòu)關(guān)系的滲流-損傷耦合模型，以實(shí)現(xiàn)較為宏觀的垃圾池體滲流場(chǎng)模擬，為池體設(shè)計(jì)提供參考。

垃圾池體滲流場(chǎng)有限元分析模型的實(shí)現(xiàn)主要有以下問(wèn)題：①材料滲流-損傷本構(gòu)關(guān)系不明，目前對(duì)于混凝土滲透系數(shù)與混凝土損傷系數(shù)的關(guān)系的研究較少，垃圾池用防滲混凝土的相應(yīng)本構(gòu)應(yīng)試驗(yàn)獲得；②現(xiàn)有有限元軟件為提供匹配功能。由于混凝土滲流應(yīng)用較少，現(xiàn)有商業(yè)有限元軟件的材料屬性設(shè)置針對(duì)土體固結(jié)滲流，基本假設(shè)及本構(gòu)關(guān)系不一致；③大型垃圾池體地質(zhì)條件復(fù)雜，沉降變形及荷載情況多樣，模型計(jì)算難度大，采用耦合方式很重要。

3 基于ABAQUS的垃圾池滲漏數(shù)值模擬方法

現(xiàn)有混凝土結(jié)構(gòu)滲流有限元方法已有應(yīng)用，但應(yīng)用于實(shí)際工程中少見(jiàn)，目前多處于驗(yàn)證研究階段。為實(shí)現(xiàn)大體積垃圾池結(jié)構(gòu)沉降變形-滲流耦合有限元分析，本文總結(jié)已有研究，提出了基于商用有限元軟件的數(shù)值模擬方法。

3.1 垃圾池沉降-滲流耦合有限元分析模型

該滲流模型采用順序耦合，即結(jié)構(gòu)沉降裂縫會(huì)影響結(jié)構(gòu)滲流，但滲流對(duì)裂縫無(wú)影響，垃圾池受水壓較小，符合順序耦合的條件，該耦合模型包含以下步驟。

3.1.1 沉降模型建立

根據(jù)地質(zhì)資料建立地基模型，依據(jù)地質(zhì)參數(shù)給各區(qū)塊賦予本構(gòu)關(guān)系，在底板布置彈簧單元(SPRINGS約束)模擬樁基；建立上部垃圾池，垃圾池采用對(duì)應(yīng)混凝土牌號(hào)的塑性損傷本構(gòu)，可參照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)[17]；施加自重及其他荷載。

3.1.2 滲透-損傷關(guān)系確定

由于目前混凝土滲透-損傷關(guān)系未成體系，需進(jìn)行試驗(yàn)獲取參數(shù)。

3.1.3 滲流模型建立

利用ABAQUS孔壓?jiǎn)卧M混凝土的滲流場(chǎng)，該單元適用于土體固結(jié)滲流[18]。該單元需定義材料滲透系數(shù)。為實(shí)現(xiàn)使該功能適應(yīng)于混凝土材料需定義滲透系數(shù)與場(chǎng)變量的關(guān)系，可以調(diào)用*DEPENDENCIES語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)；需要定義將沉降模型中的損傷參數(shù)賦予上述場(chǎng)變量，可以利用ABAQUS用戶子程序USDFLD進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)語(yǔ)句如下所示：

SUBROUTINE USDFLD(FIELD,STATEV,PNEWDT,DIRECT,T,CELENT,TIME,DTIME,CMNAME,ORNAME,NFIELD,NSTATV,NOEL,NPT,LAYER,KSPT,KSTEP,KINC,NDI,NSHR,COORD,JMAC,JMATYP,MATLAYO,LACCFLA)

INCLUDE ′ABA_PARAM.INC′

CHARACTER*80 CMNAME,ORNAME

CHARACTER*3 FLGRAY(15)

DIMENSION FIELD(NFIELD),STATEV(NSTATV),DIRECT(3,3),T(3,3),TIME(2)

DIMENSION ARRAY(15),JARRAY(15),JMAC(*),JMATYP(*),COORD(*)

CALL GETVRM(′DAMAGET′,ARRAY,JARRAY,FLGRAY,JRCD,JMAC,JMATYP,MATLAYO,LACCFLA)

FIELD(1) = ARRAY(1)

STATEV(1) = FIELD(1)

RETURN

END

3.2 有限元模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證該方法的可行性，本文模擬對(duì)一垃圾池體利用python二次開(kāi)發(fā)對(duì)結(jié)果文件進(jìn)行處理，預(yù)先定義了損傷場(chǎng)，并運(yùn)用上述方法建立了損傷參數(shù)與混凝土滲透系數(shù)的關(guān)系，其函數(shù)關(guān)系參照文獻(xiàn)[19]，結(jié)果如圖3、4所示，損傷區(qū)與無(wú)損傷區(qū)域滲流差異明顯。

圖3 預(yù)先定義的損傷

圖4 滲流速度

4 結(jié)論與展望

本文總結(jié)了結(jié)構(gòu)沉降及滲流的數(shù)值模擬方法，并且論證了其用于焚燒廠垃圾池的可行性，最后提出了用于垃圾池的混凝土滲漏模擬方法。該方法可以為垃圾池結(jié)構(gòu)防滲設(shè)計(jì)提供參考，但該方法尚需完善，為實(shí)現(xiàn)垃圾池滲漏的精細(xì)模擬仍有工作有待展開(kāi)。

(1) 混凝土滲透系數(shù)與損傷參數(shù)的本構(gòu)關(guān)系尚在研究階段，隨損傷提高混凝土滲透系數(shù)敏感度提高，目前模型尚待發(fā)展。

(2) 損傷混凝土滲透系數(shù)試驗(yàn)有待進(jìn)一步發(fā)展，目前試驗(yàn)不甚標(biāo)準(zhǔn)。

(3) 該方法為單向順序耦合，適用于垃圾池等外水壓力低的結(jié)構(gòu)，雙向耦合數(shù)值模擬模型開(kāi)發(fā)難度更大，有待研發(fā)。