談彈性半空間地基模型彈性半空間地基模型分析與有限元分析比較

梁鍇等人所做的有限元數值模擬分析方法視基礎為剛性基礎, 分析了沖刷對橋墩穩(wěn)定性的影響。該分析方法同樣得出4號墩受沖刷影響最為嚴重的結論。此外, 該分析方法還得到了墩頂的橫向和豎向的墩頂位移值, 為全面分析沖刷對橋墩穩(wěn)定性的影響提供了依據, 借鑒于上述分析方法的思路得到4號墩結果。

然而有限元分析方法與彈性半空間地基模型分析橋墩受沖刷影響后的基底壓應力與墩頂彈性水平位移各有特點, 以下將兩種分析方法得到的結果(4號墩結果)進行比較。

在基礎未被沖刷時, 兩種分析方法的墩頂彈性水平位移值相差8%;沖刷程度為10%時, 兩種分析方法的墩頂彈性水平位移值相差13%;沖刷程度為20%時, 兩種分析方法的墩頂彈性水平位移值相差31%;沖刷程度為30%時, 兩種分析方法的墩頂彈性水平位移值相差30%。隨著沖刷淘空程度的增加, 兩者之間的差距會有所增加,而且彈性半空間地基分析表現的會大于有限元分析結果。這是由于彈性半空間地基模型將地基看成是均質、各向同性的彈性半無限體, 而實際上地基土并不是理想的、均質、各向同性的彈性體的原故。地基壓縮層的厚度是有限的, 因而這種地基模型的應力擴散能力往往超過地基的實際情況,地基的沉降往往也比實際的大。而有限元分析把地基看成剛性約束, 從而使得兩種方法所得的分析結果隨著沖刷程度的增大而相差加大。但是,由于4號墩在沖刷程度接近18%時就已經給橋梁的安全帶來威脅, 為此, 兩種方法的分析結果是具有借鑒性的。

在基礎未被沖刷時, 兩種分析方法的壓應力值相差31%;沖刷程度為10%時, 兩種分析方法的壓應力值相差18%;沖刷程度為20%時,兩種分析方法的壓應力值相差3%;沖刷程度為30%時, 兩種分析方法的壓應力值相差2%;沖刷程度為40%時, 兩種分析方法的壓應力值相差1%;沖刷程度為50%時, 兩種分析方法的壓應力相差14%。而且表現為有限元分析的結果數據偏大一些, 這主要是由于彈性半空間地基對壓力有一定的緩沖效應的原因, 從而表現為基底應力偏小些, 但兩者的結果相差較小, 再次認證了兩種方法的分析結果是具有借鑒性的。

由此可以看出, 當沖刷程度在30%以內時, 兩種分析方法的計算結果相差并不大, 兩種分析方法的結果可以相互驗證, 可以參考有限元分析的結果 。

彈性半空間地基模型是將地基看成是均質的、各向同性的彈性半無限體。為了充分評價沖刷對橋墩及橋梁整體穩(wěn)定性的影響, 應用彈性半空間地基模型分別對在各種不同沖刷程度影響下的橋墩各項檢算內容進行了最不利原則計算分析。此時, 分析荷載組合考慮為主力加附加力, 且只考慮主力與順橋方向的附加力相結合。在計算分析基底壓應力時, 以2孔重載為計算荷載;在計算分析墩頂彈性水平位移時, 以1孔重載為計算荷載。最不利情況下的地基模型模擬基底淘空的方法是將基底沖刷淘空形狀稍偏于安全的取為以矩形基底長邊為固定底邊的三角形。

談彈性半空間地基模型沖刷對墩頂彈性水平位移的影響分析

墩頂彈性水平位移由兩部分組成, 一部分是由于橋墩撓曲變形引起的位移Δ1 , 另一部分是地基土變形引起的位移Δ2 , 總位移為兩者的疊加即

Δ =Δ1 Δ2

計算Δ1 時, 視橋墩墩頂為自由、墩底為固定的懸臂梁, 由于墩身為變截面, 通過Matlab編程利用積分進行計算。Δ2 是由地基土的不均勻沉降引起的位移。由于受沖刷的影響, 墩底地基被部分淘空會引起墩身的傾覆, 從而威脅橋墩的穩(wěn)定, 其地基不均勻沉降的計算也不同于常規(guī)方法。

3個墩墩頂彈性水平位移規(guī)范容許值分別為27.2 mm、38.9 mm、27.2 mm, 對應的極限沖刷淘空面積占基底總面積百分比分別為20.7%、32.9%、17.8%。

談彈性半空間地基模型沖刷對基底壓應力的影響分析

隨著沖刷的不斷加劇, 淘空部分地基失去承載能力, 并引起基礎中性軸位置的改變, 應力重新分布。由程序計算結果得出沖刷淘空面積占基底總面積的百分比與基底最大壓應力的擬合曲線表達式分別為

σ =(2.735 1x2 2.249 4x 0.382 5)×103(6)

σ =(2.904 0x2 2.334 5x 0.395 5)×103(7)

σ =(2.817 7x2 2.300 4x 0.390 7)×103(8)

式中, x為沖刷淘空面積占基底總面積的百分比;σ為橋墩相應沖刷淘空情況下的基底最大壓應力。當沖刷面積達26.0%、24.8%、25.3%以后, 最大基底壓應力大于1.2 , 基底承載力不再滿足要求。

根據以上的分析計算, 得出各橋墩在各種不同沖刷情況下的基底最大壓應力、墩頂彈性水平位移(縱向)曲線圖。其中, 4 號墩受沖刷的影響最為嚴重:當其余兩個橋墩仍然可以安全工作時, 4號墩的墩頂彈性水平位移則瀕臨危險值。在水下探測時發(fā)現, 4 號橋墩處水流湍急, 沖刷較另外兩個橋墩嚴重, 因此應及時對其進行加固、防護等處理。

基底最大壓應力隨沖刷淘空面積的增加而增大, 基底最大壓應力增加的幅度也越來越大, 曲線的走向越來越陡。當沖刷淘空面積占基底面積的25%附近時, σmax=973.79 kPa, 已經接近于其容許應力[ σ] =1 080 kPa。

與基底最大壓應力的分析結果相似, 4 號橋墩的縱向墩頂彈性水平位移也有著相似的走勢。隨著沖刷淘空面積的增加, 縱向墩頂彈性水平位移增加的幅度也越來越大, 位移值越來越大。當沖刷淘空部分的面積達到基底面積的17.8%左右時, 墩頂彈性水平位移值已經超出了最大容許位移值。據此曲線分析, 當沖刷淘空面積接近基底面積的18%時,該墩墩頂彈性水平位移值達到最大容許位移值 。

在橋梁的水毀事件中, 橋梁沖刷是最主要的原因, 沖刷嚴重影響著橋梁的整體穩(wěn)定。沖刷對橋梁的影響越來越受到人們的關注, 葉愛君等人研究了沖刷深度變化對橋梁地震反應的影響。然而, 國內外眾多學者對沖刷的研究主要致力于對局部沖刷深度計算的研究, 提出了不同條件下沖刷的有關計算和分析模式。但是由于地質、水流、橋墩等條件的原因, 目前的沖刷計算公式大多是半理論半經驗公式。隨著近年來新型橋墩的出現, DongfangLiang等對傳統(tǒng)的計算公式進行了修正。然而,由于其影響因素復雜多變, 又帶有區(qū)域局限性, 對于沖刷深度的計算很難得到理想的效果, 因而從考慮沖刷深度的角度來評估橋梁的整體穩(wěn)定性具有失真性。此外, 由于地基土被部分淘空, 此時地基的不均勻沉降計算也有待于進一步研究。

位于湘黔線冷水江至新化段的資水大橋, 原按4孔60 m下承鋼桁梁設計施工, 全部墩臺于1937年建造, 現仍保持完整未破壞。1958 ～ 1960年為湘黔舊線恢復施工期, 按修復設計工程內容包括改制及架設4孔29.64 m(全長30.24 m)上鈑和2孔60.528 m下桁, 增設1號、5號墩。由于通航的要求, 將原橋墩墩頂又接高2.45 m。兩橋臺耳墻裂紋嚴重, 臺身已有裂紋, 設計要求拆除重建。鐵道兵從1958年10月23日開工建設, 到1960年元月竣工。

解放后, 湘黔線舊線恢復工程于1965年1月至4月由鐵道第四勘察設計院進行勘設, 兩橋臺及1 號舊墩均發(fā)現有圬工漏漿及細小裂紋, 應壓漿修補。為了確保湘黔線K198 475資水大橋的安全, 前人探明了該橋橋墩下的基礎形式、地基情況, 并對地層的巖石力學性質進行了試驗, 對沖刷對橋墩穩(wěn)定性影響做了有限元分析, 還通過水下攝影進行了水下探測。筆者結合工程實例, 在前人所做的工作基礎之上, 從基底被部分沖刷淘空后引起的地基不均勻沉降入手, 應用彈性半空間地基模型以現行規(guī)范為基準來研究沖刷對橋墩穩(wěn)定性的影響。并將其結果與有限元分析結果進行比較, 得到兩種分析方法所得的結論相互吻合 。

(1)彈性半空間地基模型計算分析, 由最大壓應力曲線可知, 當沖刷淘空面積達到25%左右時,地基承載力不足, 會發(fā)生破壞;由墩頂彈性水平位移曲線可知, 4號墩受沖刷影響最為嚴重, 當沖刷程度接近18%時, 墩頂彈性水平位移值已超過其容許值, 橋梁下部結構傾覆較大,會發(fā)生失穩(wěn)破壞。

(2)由彈性半空間地基模型分析與有限元分析比較可知, 彈性半空間地基模型分析的數據相對顯得精確。隨著沖刷程度的增加, 兩者分析結果的差距也會隨著增加。但由比較數據可知, 當沖刷程度在30%以內時, 兩種分析方法的計算結果相差并不大, 兩種分析方法的結果可以相互認證, 可以參考有限元分析的結果 。2100433B

描述土的應力～ 應變關系的數學模型有許多種，歸納起來可以分為兩大類： 一類是彈性模型，它包括線彈性模型、非線性彈性模型。另一類是彈塑性模型，其中較典型的有Cambridge 模型、黃文熙的模型、沈珠江的雙屈服面模型等 。

彈性模型為研究在荷載作用下結構彈性性能，用勻質彈性材料制成與原型相似的結構模型。通常用彈簧表示。應力水平較低時可較好模擬巖土介質材料的性態(tài)，較高時僅是一種工程近似。土的應力-應變關系為彈性關系以及建立在彈性理論基礎上的本構模型。主要有文克爾地基模型，雙參數地基模型，彈性半空間地基模型，層向各向同性體模型，以及各種非線性彈性模型。非線性彈性模型：應力應變關系呈非線性的一類彈性模型。已建 立的模型很多。按照擬合應力應變試驗曲線的形狀 可分為： 折線型、雙曲線型、對數曲線型以及用樣 條函數逼近土體應力-應變試驗曲線等。按照采用的彈性系數可分為E(楊氏模量)-υ(泊松比)非線性彈性模型、K(體積變形模量)-G(剪切模量)非線性彈性模型，以及用其他形式表示的彈性模型 等。線性彈性模型是一種最基本和最簡單的力學模型，線彈性材料本構關系服從廣義虎克定律，即應力應變在加卸載時呈線性關系，卸載后材料無殘余應變。當混凝土材料的應力水平較低時，按該模型計算應力應變關系基本符合實際情況。

文克爾地基模型

文克爾地基模型是由捷克工程師E·文克爾（E·WINKLER）1876年提出的。基本內容為：地基上任一點所受的壓力強度p與該點的地基沉降S成正比，即p=k·s式中k-基床系數，表示產生單位沉降所需的反力，單位KN/m3。在文克爾地基模型下，地基上某點的沉降之與該點土作用的壓力有關，與其他點的壓力無關。力學性質與水相近的地基，例如抗剪強度很低的半液態(tài)土﹙如淤泥、軟粘土﹚地基或基底下塑性區(qū)相對較大時，采用文克爾地基模型就相對比較合適。文克爾地基又可稱為稠密液體地基，基床系數K相當于液體的密度，地基反力相當于液體的浮力。此外，厚度不超過梁或板的短邊寬度之半的薄壓縮層地基也適于采用文克爾地基模型。這是因為在面積相對較大的基底壓力作用下，薄層中的剪應力不大的緣故（實際上，沉陷也發(fā)生在受壓范圍以外）。文克爾地基模型忽略了地基中的剪應力，這與實際情況是不相符的。正是由于剪應力的存在，地基中的附加應力才能向旁擴散分布，使基底以外的地表發(fā)生沉降。文克爾模型中把基礎當作絕對剛性的，忽視上部結構的存在，把基礎看成地基上孤立的梁和板，而事實上結構-基礎-地基是相互作用的。

雙參數地基模型

在文克爾地基模型基礎上發(fā)展起來的，用兩個 獨立的彈性參數確定的使豎向布置的彈簧間能傳遞剪力的幾種地基模型的總稱。Filonenko-Borodich 雙參數模型是在文克爾模型中的彈簧上加一具有拉 力T的彈性薄膜；Hetenyi雙參數模型是在各獨立 彈簧上加一彈性板；而Pasternak雙參數模型是假 設在彈簧單元上存在一剪切層，這剪切層只能產生 剪切變形而不可壓縮。2100433B

廣義的說，本構關系是指自然界的作用與由該作用產生的效應之間的關系。幾十年來，各國學者已經發(fā)展了數百個本構模型，取得了豐碩的研究成果土體本構理論是關于描述土體中溫度、應力、應變及其歷史與速率等量關系的假說。粗略來說，本構理論模型可以劃為兩個主要類別基于顆粒或粒子行為的微觀模型；宏觀或唯象模型。本構關系即應力張量與應變張量的關系。一般地，指將描述連續(xù)介質變形的參量與描述內力的參量聯(lián)系起來的一組關系式。具體地講，指將變形的應變張量與應力張量聯(lián)系起來的一組關系式，又稱本構方程。對于不同的物質，在不同的變形條件下有不同的本構關系，也稱為不同的本構模型。如線性彈性體本構模型的本構關系為胡克定律。彈塑性體、粘彈性體、熱彈性體等都有各自的本構關系。剛體也可以被看作一種簡單的本構模型。