（岩土工程专业论文）独立筒仓基础与地基相互作用的数值模拟分析.pdf

顾甍莹独立筒仓基础与地基相互作用的数值模拟分析 摘要 筒仓是向高空发展的特种结构，其理论分析和结构计算不同于一般的建筑物。由于筒 仓体型特殊，常常会将仓下基础形状设计成圆形或环形。筒仓结构受力情况复杂，对筒仓 结构下基础的地基承载力、基底应力分布，基础的沉降变形等的研究具有现实意义 本文结合某独立筒仓工程，通过土的物理性质指标试验和土的三轴压缩试验确定地基 土的强度和变形参数，分别改变板厚，板边距以及地基土的性质建立圆形整板式基础的三 维仿真模型，研究在不同情况下基础与地基的相互作用机理。并对独立筒仓结构下圆形整 板式基础、圆形梁板式基础、环形板式基础以及环形梁板式基础的底板应力分布和沉降变 形进行分析比较，得到不同形式基础与地基的相互作用规律。主要研究内容与结果如下： ( 1 ) 总结了圆形基础地基承载力的研究现状和圆形基础与地基相互作用的研究现状， 重点介绍了与之相关的有限元分析方法。 ( 2 ) 分析二维和三维有限元模拟的位移云图，将二维有限元模拟、三维有限元模拟所 得的沉降值与理论计算圆板基础所得的沉降值对比分析。研究结果表明：三维有限元模拟 的结果与实际相符合，并与理论值相差不大，而二维模型所得的结果偏离实际，用有限元 软件建立圆形基础的三维模型模拟基础与地基的相互作用是可行的。 ( 3 ) 运用有限元软件a d i n a 提供的剑桥模型模拟圆板周围的土体，在上部结构和外荷 载相同的情况下，分别对不同板厚、不同板边距以及不同的土体的圆形整板式基础进行有 限元分析。研究结果表明：板厚的增加能够增加板的刚度，减小基础板的应力分布范围， 基础整体沉降差变小，减轻了基础的不均匀沉降；板边距的减小，改变了板的受力面积， 使得板上的应力分布不均匀程度加大，圆板受力也增大，但对板的沉降变形影响很小；地 基土性质的改变，对圆板上的应力分布影响不大，但对基础沉降影响显著。 ( 4 ) 改变工程筒仓结构下基础的形式，对圆形整板式基础、圆形梁板式基础、环形板 式基础以及环形梁板式基础进行有限元分析。从底板应力分布看，圆形梁板式基础的底板 应力分布范围较其他三种基础要小，应力分布最合理，其次为圆形整板式基础；从基础底 板位移变化规律看，四种基础的沉降差都在允许的沉降范围内。最后文中从工程的安全性、 经济性角度综合考虑，确定合理的基础外形。结果表明：对于该筒仓工程选用圆形整板式 基础较为合理。 关键词：筒仓结构：圆形整板式基础；三维模型；板厚；板边距；有限元分析；相互作用 顾莹莹独立筒仓基础与地基相互作用的数值模拟分析 a b s t r a c t a sas p e c i a lt o w e r i n gs t r u c t u r e ，t h et h e o r e t i ca n a l y s i sa n ds t r u c t u r ec a l c u l a t i o no ns i l oa r e d i f f e r e n tf r o mc o m m o nb u i l d i n g s b e c a u s eo fi t ss p e c i a ls h a p e ，f o u n d a t i o nu n d e rt h es i l oi so f t e n d e s i g n e dr o u n do rc i r c u l a r f o r c ec o n d i t i o no fs i l os t r u c t u r ei sc o m p l e x i no r d e rt oe n s u r et h e n o r m a lu s a g eo fs i l o ，i ti so fg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et oa n a l y z et h eb e a r i n gc a p a c i t y , s t r e s s d i s t r i b u t i o n ，s e t t l e m e n ta n dd e f o r m a t i o no ff o u n d a t i o n i nt h i sp a s s a g e ，c o m b i n e d 晰t hac e r t a i ni n d e p e n d e n ts i l op r o j e c t ，f o u n d a t i o ns o i ls t r e n g t h a n dd e f o r m a t i o np a r a m e t e r sa r ed e t e r m i n e dw i t he x p e r i m e n t so np h y s i c a lm e c h a n i c sp r o p e r t y i n d e xa n dt r i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s t t h r e e d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o nm o d e lw a sb u i l da c c o r d i n gt o d i f f e r e n tp l a t et h i c k n e s s ，d i f f e r e n tp l a t ee d g ed i s t a n c ea n dc h a r a c t e r i s t i c so ff o u n d a t i o ns o i l t h r o u g ht h em o d e l ，t h ep a s s a g es t u d yo nt h ei n t e r a c t i o no ff o u n d a t i o na n db a s i s 诵t hd i f f e r e n t s i t u a t i o n s a n dt h eb e s tb a s i si sd e t e r m i n e db yt h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no nt h eb o t t o ms t r e s s d i s t r i b u t i o na n ds e t t l e m e n ta n dd e f o r m a t i o no ft h ef o u rf o u n d a t i o n sw h i c ha r er o u n dp l a t e f o u n d a t i o n ，r o u n db e a ms l a bf o u n d a t i o n , r i n g s h a p e ds l a bf o u n d a t i o na n dr i n g - s h a p e db e a ms l a b f o u n d a t i o n t h em a i na c h i e v e m e n ta n dc o n c l u s i o n sc a nb eg i v e na sf o l l o w s ： ( 1 ) t h er e s e a r c hs t a t u so fb e a r i n gc a p a c i t yo fr o u n df o u n d a t i o na n dt h ei n t e r a c t i o no f r o u n df o u n d a t i o na n d b a s i s ，e s p e c i a l l yf o rt h er e l a t i v ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( 2 ) a n a l y z i n gd i s p l a c e m e n tn e p h o g r a mo ft w o - d i m e n s i o n a la n dt h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t e e l e m e n ts i m u l a t i o na n dc o m p a r i n gt h es e t t l e m e n to ft w o - d i m e n s i o n a la n dt h r e e d i m e n s i o n a l f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nw i t ht h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o ns e t t l e m e n to fc i r c u l a rp l a t ef o u n d a t i o n t h er e s u l ts h o w st h a ts i m u l a t i o nr e s u l t so ft h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n ta r ec o n s i s t e n tw i t h t h ea c t u a l i t y , a n dc l o s et ot h et h e o r e t i c a lv a l u e s ，w h i l et h er e s u l t so ft w o d i m e n s i o n a lm o d e ld o n o tm e e tw i t ht h ea c t u a l i t y s oi ti sp o s s i b l et ob u i l dt h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lf o rc i r c u l a r f o u n d a t i o nb a s e do nf i n i t ee l e m e n tm o d e l ss o f t w a r et os i m u l a t et h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h e f o u n d a t i o na n dg r o u n d ( 3 ) w h e nt h eu p p e rs t r u c t u r ea n dt h ee x t e r n a ll o a d sa r et h es a m e ，w er e s p e c t i v e l ya n a l y z e c i r c u l a rp l a n tf o u n d a t i o na c c o r d i n gt od i f f e r e n tt h i c k n e s s ，d i f f e r e n te d g ed i s t a n c ea n dd i f f e r e n t s o i lm a s sb yu s i n gt h ec a m - c l a ym o d e lp r o v i d e db ya d i n as o f t w a r e t h er e s u l t ss h o wt h a t ：a s t h et h i c k n e s so fp l a t ei si n c r e a s e d ，t h es t i f f n e s so fp l a t ei si n c r e a s e da n dt h er a n g eo fs t r e s s i v 扬州人学硕十学位论文 d i s t r i b u t i o no ft h ef o u n d a t i o np l a t ei sr e d u c e da n dn o n - u n i f o r ms e t t l e m e n to ff o u n d a t i o ni s d e c r e a s e d b e c a u s et h ee d g ed i s t a n c ei sd e c r e a s e d ，t h ef o r c ea r e ao fp l a t ei sc h a n g e d ，t h eu n e v e n l e v e lo fs t r e s sd i s t r i b u t i o ni si n c r e a s e da n dt h ef o r c eo nc i r c u l a rp l a t e si si n c r e a s e d ，w h i l ei t a l m o s th a sn oi n f l u e n c eo ns e t t l e m e n td e f o r m a t i o n a sc h a r a c t e r i s t i c so f f o u n d a t i o ns o i lc h a n g e d ， i th a sl i t t l ee f f e c to ns t r e s sd i s t r i b u t i o no fr o u n dp l a t eb u t h a ss t r o n ge f f e c to nf o u n d a t i o n s e t t l e m e n t ( 4 ) a n a l y z i n gt h ed i f f e r e n tf o r m so ff o u n d a t i o nu n d e rt h es i l os t r u c t u r eb yf i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o n ，s u c ha sc i r c u l a rp l a n tf o u n d a t i o n ，c i r c u l a rb e a mp l a t ef o u n d a t i o n ，r i n g s h a p e ds l a b a n db e a mp l a t ef o u n d a t i o n s a n a l y s i sf r o mt h eb o t t o ms t r e s sd i s t r i b u t i o n ，t h es t r e s sd i s t r i b u t i o n r a n g eo fr o u n db e a ms l a bf o u n d a t i o ni s t h es m a l l e s ta n dt h es t r e s sd i s t r i b u t i o ni st h em o s t r e a s o n a b l e a n a l y s i sf r o mt h ev a r i a b l el a w o fd i s p l a c e m e n t ，t h es e t t l e m e n td i f f e r e n c eo ft h ef o u r f o u n d a t i o n si sa l l i nr e a s o n a b l er a n g e t h er e a s o n a b l es h a p eo ft h ef o u n d a t i o ni sf i n a l l y d e t e r m i n e df r o me c o n o m i ca n ds a f ea s p e c t s t h er e s u l ts h o w st h a tt h ec i r c u l a rp l a t ef o u n d a t i o n i sm o r er e a s o n a b l e k e yw o r d s ：s i l os t r u c t u r e ；c i r c u l a rp l a t ef o u n d a t i o n ；t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l ；p l a t et h i c k n e s s ； p l a t ee d g ed i s t a n c e ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；i n t e r a c t i o n 顾莹莹独立筒仓基础与地基相互作刚的数值模拟分析 6 3 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得的研究成果。 除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果。对本 文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人 承担。 学位论文作者签名：彳彘嗤莒 签字日期：少细年丁月w 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关 部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。本人授权扬州大 学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录 到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 学位论文作者签名：欲券秀 签字日期： 沙f oi f - 5 月髟日 导师躲节召钐 签字日期：加，。年亨月叫日 顾莹莹独芷筒仓基础与地基相互作_ j 的数值模拟分析 1 绪论 1 1 概述 随着工农业生产的不断发展，大容量筒仓结构的应用r 趋增多，特别是港口、铁路交 通枢纽的中转仓、粮食加工厂的原料仓等大多数用的都是立筒仓。筒仓是储运系统的重要 构筑物，它由仓顶、仓身、仓底以及筒仓基础构成，而筒仓基础是其主要构成部分之一。 筒仓基础的类型与上部结构形式，荷载大小、地基土的性质以及施工条件等都有密切的关 系。根据地基的承载能力、基础埋置深度以及上部结构的荷载组合并应满足地基的变形、 倾斜和基础抗滑、抗倾覆稳定来确定天然地基上筒仓基础的构造形式、底面尺寸和形状【l 】。 只有找到合理的基础形式与尺寸大小才能使基础具有良好的力学性能和经济效果，最终保 证筒仓结构整体的正常运行。 筒仓结构属于特种结构中的一种，此种结构是向高空发展的立筒形式，其理论分析和 结构计算不同于一般的建筑物。筒仓基础的作用是将上部结构的荷载传给地基，并保持结 构的整体稳定性。由于筒仓体型高、荷载大，除承受储料荷载、使用活荷载、温度等荷载 作用外、还将承受巨大的风荷载，在地震区，还会受到地震作用的影响2 】1 3 】，所以筒仓结 构受力情况复杂。为保证筒仓的正常使用，必须对筒仓结构精心设计，精心施工。对于立 筒仓这样高大建筑物的基础，只要产生很小的转动，就会引起严重的后果，这就要求基础 和地基提供很大的竖向与水平向承载力，同时基础沉降和倾斜要控制在允许的范围内，并 保证建筑物在风荷载与地震荷载下具有足够的稳定性【4 】。因此，本文对筒仓结构下圆形基 础的地基承载力、基底压力分布，基础的沉降变形等的研究具有现实意义。本文还选择了 几种不同形式的圆形基础：圆形整板式基础、圆形梁板式基础、环形板式基础和环形梁板 式基础，采用有限元软件a d n a 建立三维的基础与地基模型，在相同地基土性质下对比 不同基础形式的地基应力分布情况。通过基础与地基相互作用的变化规律来比较独立筒仓 结构下不同形式的圆形基础的各自的优缺点及其合理性，并为实际的工程提供一定的参 考。 1 2 圆形基础国内外研究现状 对于圆形基础的研究实质上就是圆形基础地基承载力的确定以及圆形基础与地基的 相互作用关系的分析。近几十年来国内外学者对圆形基础地基承载力的确定进行了大量的 研究，通过计算分析、现场试验、室内研究等多方面的分析得出了不少成果；而对于圆形 基础与地基的相互作用方面的研究还是很少。 2 扬州人学硕十学何论文 1 2 1 圆形基础地基承载力的研究现状 圆形基础地基承载力问题一直是岩土工程主要研究的课题之一。从理论研究到试验分 析，国内外很多专家对此进行过研究。近几十年来，圆形基础地基承载力的研究己经在理 论和实验相结合的基础上获得了较大的发展，并推导出了各种理论公式。总结前人对圆形 基础地基承载力确定方法的研究成果，确定圆形基础地基承载力的方法主要分为五种： 极限平衡法；数值分析法；极限分析法；滑移线场法；根据岩土工程测试技术确 定【5 】o ( 1 ) 极限平衡法 极限平衡法【6 l 根据极限荷载来确定圆形基础地基承载力，即采用土体的极限平衡方法 分析。由于圆形基础属于三维问题，多数理论公式都基于条形基础发展起来的，因而都是 半经验公式。汉森根据条形基础公式作了修正提出了圆形基础竖向极限承载力公式。魏锡 克同样提出了一个修正公式，其表达式与汉森提出的一样，区别在于公式中的修正系数和 承载力系数的计算方法不同。魏锡克公式的特点是考虑了工程中常遇到的一些外部因素对 承载力的影响【刀。奕茂田等将传统的极限平衡法加以改进，建立了能合理考虑土体破坏机 制的统一分析方法，该分析法在计算地基承载力时具有较好的实用性和相对的精度【8 】。在 有软弱下卧层的地基土中，金问鲁等采用极限平衡法和滑移线理论分析法得到了地基承载 力的计算公式9 1 。周中、李亮等推导出圆形浅基础地基承载力的计算理论解，并与魏西克 的半经验分析结果进行对比，两者得到结果极其相近【1 0 1 。蒋益平等通过对圆形基础地基极 限承载力的经验公式计算值、理论解、静载荷试验结果进行对比分析，得到一些关于圆形 基础地基极限承载力的结论【】：若为抗剪强度大于3 0 k p a 的粘性土，汉森、魏锡克等经 验公式以及一些理论公式具有一定的适用性；若为砂性土经验公式和理论公式计算结果 均偏小。 ( 2 ) 数值分析法 数值分析法即为采用数值方法按地基塑性区发展的范围界限或用求得的荷载位 移曲线确定地基承载力。随着有限元的不断发展，使一些专家和学者通过有限元软件对圆 形基础的地基承载力作了相关分析，悉尼大学的h a t a i e b a t 和j e c a r t e l 对粘性土地基上的 圆形基础作了一系列的三维有限元分析，用其分析结果对复合荷载作用的圆形基础下的均 质粘土地基提出了一个地基极限破坏荷载相关的方程【1 2 】。 ( 3 ) 极限分析法 极限分析法是假定在理想状态下分析土的应力应变关系( 成为正交法则或流动法 顾莹莹独立筒仓基础与地基相互作j j 的数值模拟分析3 则) ，进而确立了极限定理。随着计算方法的改进，极限分析法的应用也越来越广。彭兴 黔对圆形基础下纯粘无重土的塑性流动进行了分析，运用虚功率原理，求得该基础的极限 承载力的解析解，并提出了若将条基极限承载力作为圆形基础极限承载力偏于安全【1 3 】。李 亮等根据极限分析中的上限定理，推导出地基承载力的上限解析解，并绘制上限解析解与 粘聚力、内摩擦角的关系曲线【1 4 】。 ( 4 ) 滑移线场法 滑移线场法假定在极限状态下基础在相当大范围内土体应力达到屈服，使基础下土体 产生临界塑流。在该状态下基础附近土体满足平衡条件和屈服条件，将这两个条件结合成 平衡微分方程组，再根据边界条件进行求解即可求出极限平衡区的滑移线场和应力分布， 得到的边界应力即为极限承载力。滑移线方法忽略了土的应力应变关系，没有考虑机 动条件，故仅能在某些边界条件比较简单的地基条件下求得其解析解。 ( 5 ) 岩土测试技术法 岩土工程测试技术不仅在岩土工程实践中起着重要的作用，而且在岩土工程理论的形 成和发展过程中也起着非常重要的作用。因此，可以通过原位测试技术和现场监测技术来 确定圆形基础的地基承载力。随着测试技术的不断进步，测试结果的可靠性、可重复性方 面将会得到很大的提高。整体科技水平的提高，测试模式的改进及测试仪器精度的改善， 最终将使得岩土工程方面的测试结果在可信度方面得到较大的改进。 1 2 2 圆形基础与地基相互作用的研究现状 目前对于筒仓结构下圆形、环形基础与地基相互作用的研究相对较少，但实际上圆形、 环形基础的应用已非常广泛，因此对于筒仓基础的研究具有现实意义。杨小平、杨位洗【1 5 】 为了评价土的非线性模型在分析基础与地基相互作用问题中的适用性时，采用了有限元法 编制计算机程序，用该程序分别对受竖向中心荷载作用的三个圆形刚性基础进行了计算， 在不同的非线性地基模型上分析比较得到：在饱和排水地基中采用邓肯张模型的计算结果 较接近实测值，而在饱和不排水地基中剑桥模型能够很好的反应地基的变形特性。郑刚、 姜忻良【l6 j 根据复合地基的特点，利用无限元进行空间三维分析，提出了计算圆形基础板的 应力和变形的方法。凌道盛、陈云敏等【1 7 】假设基础板对地基的作用是连续的分布荷载，采 用1 6 节点退化实体等参元分别对方形、圆形以及环形基础板进行有限元分析，研究不同基 础板与地基的相互作用，在弹性地基上该方法计算精度较高，并能很好的考虑地基水平刚 度等优点。曹彩芹、黄义等【1 8 】以大型筒仓结构为例，考虑地基与基础及结构的耦合问题， 采用半解析半数值的方法对弹性地基上筒仓结构进行分析计算，得到了满仓和空仓时结构 4 扬州人学硕十学位论文 所对应的振形图。邸道怀通过大型室内模型试验研究圆形结构下筏式基础变形反力分 布规律，研究表明：基础变形、反力分布与基础和上部结构的刚度及形状有关，基础刚度 越大其调整基础变形以及反力分布的能力越大。吴大志【2 i j 根据半空间法的原理研究了各向 同性饱和地基土上圆形基础的扭转振动的问题，通过数值分析得到：基底接触剪应力随着 振动频率的增大先减小再增大，并且地基的各向异性程度对接触剪应力分布有一定的影 响。丁智潮、王田凤等【2 2 】通过有限元软件并结合某工程实例，探讨了钢筋混凝土简仓上部 结构与地基基础共同作用的机理，总结得到在地基刚度不均匀的情况下，应考虑上部结构 与地基基础共同作用的效应。 1 2 3 有限元法分析地基与基础的研究现状 有限元方法最初是在5 0 年代作为处理固体力学问题的方法提出的，国外在这方面起步 比较早。纵观现有的研究，有限元在岩土工程中发展分为三个方向：有限元计算方法本身 的改进；有限元计算土体本构模型的发展与改进；计算程序面向工程界，面向通用性、规 范化的发展。有限元法真正运用于实际工程中是从上世纪中期电子计算机出现后开始的， 从1 9 6 6 年美国的克拉夫和伍德首先用有限元分析土坝以来，有限元法在岩土工程中的应用 越来越广。 有限元方法应用于基础与地基共同作用的研究，首先是张佑启和申凯维茨1 2 3 】 ( y k c h e u n ga n d0 c z e i n k e i w i c z ) 于1 9 6 5 年用于基础与地基的共同作用问题的分析研究 中，为上部结构、基础和地基的共同作用的研究提供了一种新方法。之后普齐米尼斯基 ( j s p r z e m i e n i e c k i ) 提出了子结构的分析方法，为哈达丁( m j h a d d a d i n ) 用有限元法分 析了文克尔地基上单层框架结构的受力问题打下基础【2 4 1 。1 9 7 4 年h a i n 和l e e 研究了文克 尔地基和半空自j 地基上的空间框架结构、筏板与地基土三者之间的相互作用问题【2 5 1 。k i n g a n dc h a n d r a s c k a m 等用有限元法比较详细地分析了超固结粘土上框架结构与基础的共同作 用问题1 2 6 。1 9 8 3 年l e e 等给出了框架结构与桩基础的共同作用分析，并讨论了一些工程实 例。h o o p e r 2 7 1 ，宰金珉【2 8 】等探讨了剪力墙与筏板基础的共同作用问题。1 9 8 5 年童衍蕃用有 限元法编制了相关筒体结构与地基基础共同工作的分析程序，并给出了一个地震力荷载算 例【2 9 1 。朱百里等，j a r d i n e 等和罗立平等分别讨论了土的非线性对共同作用问题的影响【3 0 l 。 我国学者对有限单元法的创建和发展也有不少贡献。著名学者冯康提出的“基于变分原理 的差分格式”，即为有限单元法。卞学磺用有限元法分析某些边值问题，指出有限单元法 和有限差分法在解决此问题时得出的方程组是一致的。 有限元方法的广泛应用使其理论基础得到不断的完善，同时许多专业的有限元软件也 顾莹莹独立筒仓基础与地基相互作用的数值模拟分析5 应运而生，使得有限元软件成为推动社会进步和发展的生产力，并带来了巨大的经济和社 会效益。 1 3 本文的主要工作 本文主要结合某独立筒仓工程，采用有限元程序建立三维圆形基础模型模拟不同形式 的筒仓基础，通过基底应力分布和沉降变形研究筒仓结构下圆形基础与地基相互作用的变 化规律。编写过程中主要完成以下几方面的工作： ( 1 ) 介绍圆形基础及其地基极限承载力确定方法的研究现状以及有限元法分析基础 与地基共同作用的研究现状。 ( 2 ) 结合某独立筒仓结构的设计工程实例，取该工程地基土样做室内物理力学实验 和土的三轴压缩试验确定地基土强度和计算参数。 ( 3 ) 介绍了筒仓结构下圆形、环形基础基底压力的理论计算方法以及圆形、环形基 础沉降计算的方法。简要介绍了有限元法的基本原理和材料模型，利用有限元软件a d i n a 建立基础与地基的二维和三维模型，分析圆形基础与地基的相互作用关系，并与理论结果 对比验证模型建立的合理性。分别改变圆形整板式基础的板厚、板边距和地基土性质，研 究圆形整板式基础应力和沉降的变化规律。 ( 4 ) 利用有限元软件a d i n a 建立不同形式的筒仓基础模型：圆形整板式基础、圆形 梁板式基础、环形板式基础和环形梁板式基础，将四种模型模拟的结果进行分析比较，分 析基础形式的合理性。 扬卅1 人学硕 学位论文 2 工程概况和室内试验的研究 2 1 工程概况 该筒仓工程建筑场地位于某地工业开发区内，场地东侧为两层的原料仓库和四层的生 产车伽，西侧为绿化带，南侧为空地，北侧为锅炉房和已建的公厕。奉工程土体为一层框 架结构，仓深2 0 m ，筒仓直径为1 18 3 m ，属于深仓结构，图2 - 1 为筒仓整体剖面图。根据 该工程场地地质条件和周围环境，拟建的筒仓采用圆形整板式浅基础形式。由于建筑物的 高度较大，根据场地地质条件，工程中基础埋深为2 m ，基础底板采用6 0 c m 厚钢筋混凝土 圆形平板式结构，基础平面图如图2 - 2 。 幽2 1 独寸筒仓建筑剖面刚 图2 - 2 基础平面布苴幽 2 2 地质条件 根据现场钻探所揭露土层结构、结合标贯测试与室内土工试验成果，场地在勘探深度 范围内主要岩土层为：索填土、粉质粘土、 粘土、全风化花岗岩、强m 化花岗 岩、中风化花岗岩。各岩土层特征现自卜而下描述如下： 素填土：灰黄、黄褐色，松散，稍湿，不均匀，以粘性上为主组成，含少量硬杂质 等，新近堆填而成。本层仅z k 3 有揭露。揭露层厚1 8 0 m 本层欠固结及监实处理，工程 性能差。 粉质粘土：红褐色，主要出粉、粘粒组成，含石英砂约1 0 1 5 ，尤摇振反应，切 面较光滑干强度高，韧性高。本层全场均有分布。顶板埋深00 0 18 0 m ，层厚7 4 0 顾莹莹独立筒仓基础与地基相互作用的数值模拟分析 7 1 2 3 0 m ，标贯修正击数9 3 0 1 2 3 0 击，工程性能中等。 粘土：黄褐色，可塑，饱和，母岩为花岗岩，主要矿物成分为长石、石英，矿物风 化迹象明显，微具原岩残余结构强度，无摇振反应，切面稍光滑，于强度中等，韧性中等， 该层浸水易崩解、软化。本层全场均有分布；顶板埋深7 4 0 - - - 1 2 3 0 m ，层厚4 0 0 - 7 1 0 m ， 标贯修正击数1 0 2 0 - 1 4 5 0 击，工程性能中等。 全风化花岗岩：黄褐、灰褐色，长石已大部分风化成粘土矿物，主要成分为粘土矿 物、石英、长石及少量暗色矿物风化物，岩芯呈土状，属极软岩，岩体极破碎，岩体基本 质量等级为v 级，该层未见洞穴、临空面等；本层仅z k l 有揭露。揭露厚度4 2 0 m ，标贯 修正击数2 4 4 0 - - - 3 2 1 0 击，工程性能较好。 强风化花岗岩：黄褐、灰褐色，由花岗岩经剧烈风化而成，风化不透彻，岩心主 要呈土状，石英及部分长石尚未风化，岩体极破碎，岩体基本质量等级为v 级。本层全场 均有揭露到该层。顶板埋深1 3 1 0 - - - 1 9 6 0 m ，揭露厚度0 5 5 - - 3 0 0 m ，标贯修正击数3 8 4 0 6 1 4 0 击，工程性能较好。 中风化花岗岩：灰白色，中粗粒结构，块状构造，主要矿物成分为石英、长石及黑 云母等，岩芯主要呈短柱状，多呈褐灰褐色。完整程度为较破碎，岩体基本质量等级为 级。本层全场均有揭露到该层，顶板埋深1 6 1 0 - - - 2 0 5 5 m ，揭露厚度2 9 5 - - 3 4 0 m ( 本次勘 察未揭穿该层) ，工程性能好。 根据勘察资料显示该拟建场地的场地土类型属中硬土，建筑场地类别为i i 类。并且在 该建筑场地内未发现滑坡、崩塌及泥石流等不良地质作用，从土层的工程地质性能看，场 地整体稳定性较好。 根据该工程的岩土工程勘察报告，建筑场地地下水类型主要为孔隙潜水。勘察期间测 得地下初见水位埋深变化为现地面以下3 9 0 - - 4 4 0 m ，稳定水位埋深变化为现地面以下 4 0 0 - - 4 5 0 m ，高程变化为5 7 5 - - 一6 3 0 m ；根据该区域的水文地质资料及拟建场地的地质情 况，近3 - - 5 年最高水位高程为7 0 0 m ，场地地下水变化幅度在2 5 0 m 左右。综合判定场地 地下水受环境类型影响及受地层渗透性影响对混凝土结构以及混凝土结构中的钢筋在长 期浸水及干湿交替条件下均无腐蚀性。 8扬州人学硕十学何论文 地基土体的物理力学性质指标如下表2 1 所示： 表2 1十层的物理力学性质指标 平均平均同结快剪平均标准贯压缩模量 地基承载 十层 r 十层名称重度含水率( 平均值) 入击数 建议值力特征值 序号 y ( k n m 3 ) ( )c ( 护力 伊( 。) | v ( 击3 0 c m )e s ( m p a )厶( k p a ) 素填十 粉质粘士 1 9 9 71 8 62 l3 2 71 0 35 3 01 9 0 粘土 1 8 5 42 3 75 12 11 2 o4 8 02 1 0 全风化花岗岩 * 2 2 02 8 2木1 03 0 0 强风化花岗岩 * 2 5 04 0 2幸1 55 0 0 中风化花岗岩 8 0 0 注：表中加+ 数值系按地区经验进行取值 2 3 室内试验 本文以某筒仓工程建筑场地为背景，通过现场取样，进行地基土室内物理性质指标试 验和三轴压缩试验确定土体的物理性质指标及强度、变形等参数，从而确定有限元计算过 程中所需要的模型参数。 2 3 1 土的基本物理性质指标试验 根据地质勘察报告可知该筒仓工程下地基土主要为粉质粘土和粘土两层，现对这两种 土样进行天然含水率、比重、液塑限等常规试验。试验土样的物理性质指标分别见表2 2 、 表2 3 。 表2 - 2 ( 萤粉质粘- 1 - 的基本物理性质指标 含水率密度 土粒 液限塑限液性塑性 孔隙比 ( ) ( g c m 3 ) 比重 ( )( ) 指数指数 1 8 o1 9 8 20 6 1 32 7 12 4 81 4 60 3 71 0 2 表2 - 3 ( 萤粘士的基本物理性质指标 含水率 密度 土粒 液限塑限液性塑性 孔隙比 ( ) ( g c m 3 ) 比重( )( )指数 指数 2 4 01 8 7 50 8 0 82 7 33 5 7 1 8 5 0 3 21 7 2 顾莹莹独立筒仓基础。，地基相互作用的数值模拟分析 2 32 土的三轴压缩试验 ( 1 ) 试验目的 采用现场取回的土样在室内做= 三轴固结小排水剪试验和固结排水剪试验测得土体的 总抗剪强度参数“、和c a 、钆，并计算剑桥模型中地基土的变形参数：弹性模量( e ) 、 泊松比( 爿) 、q p 曲线斜率( m ) 、压缩指数( 丑) ，回弹指数( k ) 等。 ( 2 ) 试验仪器 应变控制式三轴仪，见图2 - 3 ； 附属设备：击实筒、饱和器、承膜简、制样圆模； 天平、切十盘、橡皮膜等。 削2 - 3 二轴试验装置图 ( 3 ) 操作步骤 按土工试验规程川中三轴压缩试验( s l 2 3 7 0 1 7 1 9 9 9 ) 413 条击实法制备试样。所 用土样为工程场地内第层粉质粘土和第层粘土，两层土的平均含水率分别为1 86 、 2 37 。 按土工试验规程日1 1 中三轴压缩试验( s l 2 3 7 0 1 7 1 9 9 9 ) 4 21 条采用抽气饱和法饱和 试样。 按土工试验规程 3 l 】中三轴压缩试验( s l 2 3 7 0 1 7 1 9 9 9 ) 4 32 条和43 3 条安装试样， 排水同结稳定后开动电机剪切试样。图2 - 4 、图2 - 5 即为粉质枯土和粘土的试样破坏图。 扬州人学碗十学位论文 图2 4 粉质粘十剪切破坏试样图豳2 - 5 粘土剪切破坏试样幽 ( 4 ) 试验结果整理 三轴试验中根据大、小主应力可绘得试样剪破时的破坏准则以总庶力表示为： 鱼丑2 = 鱼二2 生s t n 州c o s r ( ：_ 1 ) i ( 2 一) 奠尔库伦强度包线以直线表示，因此强度参数为常数。由式( 2 一i ) 可知，一组极限 总应力圆顶点的连线是一条直线。称t ，线。同时由丁强度包线与坐标横轴的交点可看作处 于极限平衡状态的点圆，因此，t ，线亦必交横轴于该点( 如图2 6 ) 。 酗2 _ 6 抗剪强度线 由图可知假设t ，线的倾角为d ，与坐标总横轴的截距为d ，- 根据式2 - i 得 ta=t10，=sin口(2-2) d ，= c o o s p ( 2 - 3 ) 问样对于固结不排水剪中有效应力亦可用此方法计算七的强度参数”“。 根据土工试验规程整理试验数据，分别列出浚筒仓工程粉质粘土层土样的三轴固结排 水剪切试验计算成果图( 如| 簦| 2 - 7 29 ) ，粘土层土样固结不排水剪试验计算成果图( 如 图2 - l o 2 1 2 ) 和固结排水剪试验成果图( 如图2 - j 3 2 1 5 ) 。 顾莹莹独立筒仓基础与地基相互作j j 的数值模拟分析 粉质粘土c d 试验成果图 9 8 7 主6 0 0 毒5 0 0 o 4 0 0 o ：，0 0 0 i 0 图2 7 ( 盯l 一盯3 ) 一s l 关系曲线图 图2 - 8 体积应变一轴向应变关系曲线图 粘土c u 试验成果图 3 5 0 3 0 0 2 5 0 2 0 0 71 5 0 1 5 0 o 图2 - 9i 削结排水剪强度包线 图2 1 0 ( 盯l - - o 3 ) 一毛关系曲线图 图2 - 1 1 u 一毛关系曲线图 2 0 0 c e 山 _ i1 0 0 o 1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 0 o ( k p a ) 图2 1 2 粘十同结不排水剪强度包线图 渤 啪 嘞 啪 翮 o l)ti 1 2 扬州人学硕十学何论文 粘土c d 试验成果图 图2 1 3 ( 仃l 一仃3 ) 一占l 关系曲线图 图2 1 4 体积应变一轴向应变关系曲线图 3 0 0 名2 0 0 山 l p l o o o 1 0 02 0 03 0 04 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 08 0 00 ( k p a ) 图2 1 5 粘十固结排水剪强度包线图 由三轴压缩试验得到的两种土的抗剪强度指标值见表2 4 ： 表2 - 4 三轴试验成果表 c u 试验c d 试验 土质 巳( k p a )( o )c ( k p a )( o )g ( k p a )仍( o ) 粉质粘十 2 4 3 2 7 粘士 4 81 34 12 45 32 1 2 4 本章小结 ( 1 ) 介绍了本文研究所依托的工程：某地工业开发区内独立筒仓结构的工程概况以 及工程所在场地地质条件和水文地质条件。 ( 2 ) 对现场所取的两种土样进行室内物理性质指标试验得到土的基本物理性质指标， 并进行室内三轴压缩试验，整理三轴试验数据得到土体的相关参数。 顾莹莹独立筒仓基础与地基相互作用的数值模拟分析 1 3 3 独立筒仓结构下圆形基础的有限元分析 3 1 有限元法 3 1 1 有限元法概述 随着对本构模型研究的发展数值计算在岩土工程中的应用越来越广泛，岩土工程中数 值计算最常用的方法有有限元法、边界元法、半解析法等【3 3 1 ，其中以有限元法的应用最为 成熟。有限元法是2 0 世纪5 0 年代作为处理固体力学问题而发展起来的一种强有力的数值 计算方法。它有几个突出的优点：可解非线性问题；易于处理非均质材料，包括各向 异性材料；能适应复杂的边界条件；可用于解决不同性质的工程问题，如：应力变形、 渗流、固结、流变等。 有限元法的理论和应用的不断发展，推动了岩土工程研究的发展，其应用领域己由线 性分析发展到非线性分析；由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题；由静力平衡 问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题；分析的对象从弹性材料扩展到塑性、弹塑性 和复合材料等；从固体力学扩展到流体力学、传热学、电磁问题等连续介质领域。在工程 分析中的作用己从分析和校核扩展到优化设计