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水利工程论文-软土复合地基变形模量确定及对结构内力影响.doc

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水利工程论文-软土复合地基变形模量确定及对结构内力影响.doc

水利工程论文软土复合地基变形模量确定及对结构内力影响摘要地基变形模量可以采用现场试验、查表、压缩模量转换等多种方法确定,本文对软土复合弹性地基的地基变形模量的确定方法进行探讨,以现场试验数据验证了考虑软土处理方法、材料特性而建立的权重法计算模式是合适的。以太浦河大型泵站结构计算为例,分析弹性地基变形模量对结构内力的敏感性,得出结构内力与地基变形模量呈对数递减关系,从而指出软土地基处理后的复合地基变形模量是影响结构内力计算结果的重要因素。关键词软土复合地基变形模量内力计算太浦河泵站1问题提出近年来上海市在软土地基上建造了如浦东国际机场江镇河泵闸枢纽、张家塘泵闸枢纽、太浦河泵站等多座大型水工建筑物。软土基础上的建筑物结构计算工程上一般采用弹性地基梁法、倒置梁法、单向或双向板法,目前较多采用的还有弹性地基上的平面框架半解析法1和链杆法、三维非线性有限元法等。除倒置梁法和单向或双向板法计算外,其他几种计算均涉及到地基模型的假定问题,从而归结到地基变形模量的确定问题。一般的,地基变形模量可以通过现场原位试验准确获得,然而在结构内力计算时,现场原位试验一般不进行或还未进行,所以必须通过其他方法进行估算、假定或理论计算,特别是对软土地基处理后的复合地基的变形模量的确定存在较大难度。另外,经过多个工程结构计算以及多种地基模型假定计算,发现在地基变形模量对结构内力的影响较大。因此,本文拟对软土复合弹性地基的地基变形模量的确定方法进行探讨,以现场试验数据进行验证,并以太浦河大型泵站结构内力计算为例,分析弹性地基变形模量对结构内力的敏感性,提出软土地基处理后的复合地基变形模量确定的正确性对结构内力计算的重要性,从而为计算提供参考依据。2地基变形模量确定方法土的变形模量是土体在无侧限条件下应力与应变之比值,相当于弹性模量2。由于土体不是理想的弹性体,故称为变形模量。土的变形模量反映了土体抵抗弹塑性变形的能力,可用于弹塑性问题分析,通常可以通过三轴试验或现场试验进行测定。如果现场原位试验未进行,可以通过其他方法进行估算、假定或理论计算。2.1一般确定方法a.现场试验法各种地基的变形模量值可以根据现场试验资料用均质弹性半无限体理论按下式计算,(1)其中,E0为综合地基变形模量(kN/m2)P为作用于载荷板上的总荷重(kN)d为方形载荷板的当量直径(m)s为与载荷P相对应的沉降量mμ为泊桑比,可通过土的侧压力系数K0确定,一般在0.30.4之间。b.查表法在未进行现场或室内试验测定变形模量时,可以根据土的类型查表,粗略拟定变形模量值,一般土工书籍均有介绍。c.压缩模量转换法在没有进行现场测试时的另外一种估计变形模量值的方法就是根据广义虎克定律推导的近似公式(式2)由压缩模量进行转换,(2)其中,E为变形模量Es为压缩模量。由于μ≤0.5,所以变形模量E总是小于压缩模量Es。2.2双向权重系数法确定综合变形模量在利用弹性地基梁法计算结构内力时,对复合地基和多层地基的变形模量需要综合变形模量。许多学者对复合地基变形模量的计算方法进行了研究3、4、5,但都还要以现场试验资料为基础。同时,由于地基处理的材料、配比、土的特性等多种因素使得研究还不甚透彻。在设计阶段,如何根据地质条件、地基处理方法、置换率等简单估算或确定地基的变形模量比较关键。本文采用考虑地基处理方法、材料特性因素的双向权重系数法进行计算,具体方法如下首先是确定地基处理材料的弹性模量和土体的变形模量,然后根据地基处理的方法、材料,以及各材料在土中的面积比或置换率进行加权,得出地基处理层的综合变形模量E0c,(3)其中,E0c为地基处理层综合变形模量,Ei为地基处理材料和土体的变形模量,αi为不同材料的面积权重系数或置换率。最后确定多层地基变形模量,按式(2)求出各层土体的变形模量,按土层的厚度进行加权,(4)其中,E0m为多层地基综合变形模量,Ei为各层土体的变形模量,hi为土层厚度。3计算模式验证3.1工程及地质概况太浦河泵站设计流量300m3/s,共六台机组,水泵为斜15°轴流泵。泵房站身总长67.56m,顺水流向宽40.45m。站身沿垂直水流向设两条30mm缝,每2台机组分为一块,每块体垂直水流向长22.5m。站身底板为异形,上游底板底面高程为8.05m,下游底板底面高程为6.45m,中间为斜向过渡底板。工程前对地质进行了勘探,各土层部分物理指标见下表1。表1土层部分物理指标及变形模量计算结果编号土层分类底层标高m土层厚度m重度kN/m3压缩模量Mpa压缩系数Mpa1泊桑比变形模量kN/m2②淤泥质粉质粘土3.36.318.15.20.540.323634③3灰黄重砂壤土7.84.519.49.40.180.355857⑤灰色粉质粘土12.85.019.05.30.370.323704⑥灰绿色粉质粘土18.45.620.513.70.110.387318⑦灰黄重砂壤土26.48.019.212.20.140.386517⑧褐黄色粉质粘土31.45.019.55.50.320.353426⑨灰色轻砂壤土35.33.918.919.30.120.409007工程设计拟定采用深层水泥搅拌桩对底板地下土层进行处理,水泥搅拌桩桩径0.7m,搭接0.2m,桩长6.58.0m,即泵房主体地基统一处理到14.5m高程。经计算,底板处理布设水泥搅拌桩1568根,桩中心距为上游为1.2m1.40m,下游为1.2m1.525m(图1),复合地基承载力标准值fsp,k196kN/m2。3.2综合地基变形模量理论计算计算上述工程地基处理后的复合地基综合变形模量E0可以按下列步骤进行(以下游侧为例)第一步,根据土层物理特性选取各土层土体的泊桑比,再利用式(2)计算它们的变形模量,如表1。第二步,按式(4)计算水泥搅拌桩深度第⑤、⑥层土的综合变形模量E0m,结果为4649kN/m2。第三步,计算水泥搅拌桩与第⑤、⑥层土的综合变形模量E0c。由于本工程采用水泥搅拌桩处理地基,对周边土体影响较小,所以可以根据桩土面积比进行按式(3)计算桩土复合层的综合变形模量。由图1可知,本工程地基处理后的桩土面积比为11.4。水泥土的变形模量与水泥标号、用量及加固土的特性等因素有关,一般的水泥土的变形模量为150450103kN/m2。根据有关参考资料6、7及本工程位置第⑤、⑥层土的特性,取水泥土的变形模量为200000kN/m2,计算综合变形模量E0c,结果为86045kN/m2。第四步,计算桩土复合层与下卧土层的综合变形模量E0cm。要计算多层土的综合变形模量,首先要确定计算土层深度。根据地基沉降控制要求及沉降计算结果,压缩层计算到第⑧层土,底层标高为31.4m。按式(4)计算桩土复合层的综合变形模量,结果为28081kN/m2。3.3综合地基变形模量现场试验对上述大型泵站工程的泵房主体的水泥搅拌桩单桩复合地基进行现场试验,每组底板上下游各试验一组,试验结果见表2。试验时上游侧载荷板为1.4m1.2m,下游侧载荷板为1.525m1.2m。上游侧最大加载640kN,下游侧最大加载700kN,平台堆重850kN。假定复合地基的泊桑比为0.38,根据式(1)计算复合地基的综合变形模量如下表2。表2复合地基综合变形模量现场试验结果编号位置最大荷载PkN最大沉降Smm变形模量E0kN/m2变形模量均值kN/m2A2231、2机组下游70017.5025295下游侧26498B20133、4机组下游70024.2730397C24115、6机组下游70012.3118239A1231、2机组上游64013.9046739上游侧29422B3103、4机组上游6409.0435959C8155、6机组上游64037.96111313.4比较分析复合地基的综合变形模量与地基处理方式、材料、土壤物理特性等多种因素有关。本工程采用水泥搅拌桩处理,对周围土体的影响较小,采用桩土面积比计算桩土复合变形模量从上述计算上看是可行的。水泥土的变形模量与水泥标号、用量、土壤特性、土壤含水量等多种因素有关,本工程的第⑤、⑥层土为粉质粘土,根据文献7的说明,土粒越细,处理后的水泥土变形模量越小,所以本工程取用水泥土变形模量为200000kN/m2,计算结果与实测比较接近。另外,水泥搅拌桩的施工质量比较难控制,现场测试后经计算的变形模量与施工质量有较大关系,从上述几组测试结果分析,确实存在部分桩体施工有质量问题,从而影

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