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桩土挤出分析:OptumG2-土拱效应模拟 [复制链接]

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只看楼主 倒序阅读 使用道具 楼主  发表于: 2017-06-15
土拱效应是岩土工程中一个很普遍的现象。
在土力学领域,土拱是用来描述应力转移的一种现象,这种应力转移是通过土体抗剪强度的发挥而实现的。太沙基(1936)通过活动门试验证实了土拱效应的存在。土拱作用是指支撑刚度较大而围护结构刚度较小,墙后土压力局部增大的现象。局部土体产生移动,而其余部分保持原来的位置不动,土中的这种相对运动受到土体抗剪强度的阻抗,使移动部分土体的压力减小,而不动部分上的压力增加。
为了能够更直观的弄清楚桩土挤出时的土拱效应,通过南京库仑公司旗下的岩土分析软件OptumG2进行了模拟,模拟分析采用的是「极限分析法」。
注:关于什么是极限分析,以及极限分析的优势,请参考:
http://www.wen.kulunsoft.com/dochelp/160
如图1所示为俯视图下的桩土模型,上方添加的是乘数分布荷载(乘数分布荷载是指从初始值逐渐增加到结构破坏时对应的破坏荷载(极限荷载)),用来模拟土压力;土体采用Mohr-Coulomb本构模型「可塑黏土-MC」,黏聚力 c = 10kPa,内摩擦角 Φ = 20°,重度取0(俯视图上竖向上没有土体重力作用);桩采用刚体材料来模拟,重度同样取0,桩径为2m,桩间距为10m。


图1 俯视图下的桩土模型

在模型的左右两侧和桩的四周设置边界条件,桩土接触面采用剪切节理来模拟桩土相互接触作用。在物理性质上,可以认为「剪切节理」是一种无限薄的实体材料。在OptumG2中,接触面即是采用这种方法模拟的,因此,适用于实体材料的参数均适用于「剪切节理」。在本模型中,我们采用的是「软塑黏土-MC」来模拟的接触面。为了能够更好的划分网格,在桩的下方接触点处采用扇形网格,同时设置桩周网格的大小为0.1m,如图1所示。
采用极限分析法进行分析,对工况阶段进行计算,得到下限乘数,即荷载为92.17kN/m2。分析结果默认显示的是网格划分结果,如图2所示。OptumG2 中并不需要在单独的工况阶段中划分网格,网格划分是自动包含在分析过程中的。剪切耗散图如图3所示,可以看到桩土挤出时的土拱效应非常明显。


图2 网格划分图





图3 剪切耗散云图(上)和土体挤出破坏(下)

为了考虑到土压力的分布规律,我们将模型的尺寸加长,即乘数分布荷载作用面距离桩的距离加大(模型如图4所示),再次采用极限分析法进行了模拟分析。


图4 尺寸修改后的桩土模型

对尺寸修改之后的模型进行分析之后,得到的极限荷载为92.18kN/m2,与之前得到的结果92.17kN/m2基本保持一致。尺寸修改之后的模型网格划分图和剪切耗散图分别如图5和6所示。



图5 尺寸修改之后的模型网格划分图





图6 尺寸修改之后的模型剪切耗散云图

得到桩土挤出时的极限荷载,我们就可以对土体是否从桩间挤出进行判断了。对于均质土,土压力的分布通常我们假设是三角形分布的,而此处我们得到的乘数荷载在沿桩长方向上实际上上是均匀分布的,如图7所示。


图7 矩形分布和三角形分布的土压力


虽然,两者的分布不同,但是我们可以对其合力进行比较,且这种近似是合理的。如图7,若三角形分布底端处的土压力大于矩形分布,根据极限分析结果,那么底端处的土体就会从桩间挤出,但是由于底端处上方的土体受到的土压力小于矩形分布,由于相对运动的影响,所以底端处的土体还会受到上方土体的摩擦力作用,从而导致土压力重分布,即底端处的土压力将由上部土体分担一部分,如图8所示。因此,近似比较两种不同分布合力的方法是合理的。



图8 沿桩长方向上土体相对运动引起的土压力重分布机理

假设基坑深度H = 8m,土层为均质的可塑黏土,黏聚力 c = 10kPa,内摩擦角 Φ = 20°,重度 γ = 20kN/m3。
采用GEO5岩土软件的土压力计算模块,求得土压力合力:(土压力分布如图9所示)
Ea = 211.75 kN/m
而模拟得到的乘数荷载合力为:
E = 92.04 kN/m2×8 m = 736.32 kN/m
可以看出:
E > 1.3Ea
由此可以判断,此时土体并不会从桩间挤出。
注:这里取安全系数为1.3。



图9 土压力分布图
离线riversun

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只看该作者 1楼 发表于: 2018-01-05
没有图啊,显示不出来,建议把附件加上,谢谢
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