（水工结构工程专业论文）软基上水工建筑物与地基相互作用的分析方法研究.pdf

摘要 摘要 软土中常用的地下基础型式有桩基础和地下连续墙，近年来随着设计理论和 施工工艺设各的发展，桩基础及地下连续墙基础的型式都有了很大的发展，如薄 壁筒桩、集挡土、防渗及承重多功能于一体的地下连续墙等。这类复杂的软基基 础结构与土体相互作用的受力机理相当复杂，目前相关的研究资料比较少。 目前，在研究结构与土相互作用的问题时，常采用数值分析方法，建立结构 与土共同作用体系的数学模型，通过有限元法计算出整体结构的应力和位移。 由于结构与土的材料特性、受力性能等方面的差异，为了满足有限元计算精 度和效率的要求，合理的反映结构与土体之间的位移协调，需要在结构与土体之 间设置恰当的接触面单元，正确的模拟土的本构关系，并尽可能地简化结构的数 值模型。 本文在总结已有的结构与土相互作用问题中的接触面单元形式、土的本构关 系以及结构的数值模拟方法的基础上，对半无限地基上任意形状弹性基础板，考 虑地基水平变形和地基分布反力的弹性基础板的受力分析进行了研究；对桩与地 基相互作用的数值分析进行了研究；对软基中地下墙基础结构的数值分析进行了 研究，用广义位移法解决薄壁结构与土间的变形协调问题，采用厚度较小的薄层 单元模拟薄壁结构与土的相互作用，提出了薄壁结构与土的相互作用的分析方 法。 通过软基上水工建筑物与地基相互作用的分析方法的研究，给出了软土中地 下结构的合理和可行的计算分析方法，本文将研究成果应用于上海浦南东片出海 闸等水利工程，得到了合理的结果。 关键词：软土基础；基础板；桩；地下墙；接触面单元；本构关系；相互作 用；广义位移 a b s 扛a c t a d s t r a c t p i l ef o u n d a t i o na n du n d e r g r o u n dc o n t i n u o u sw a l la r ew i d e l yu s e di n c o a s t a lr e g i o n s ，w h e r et h ec h a r a c t e ro fl o c a ls o i1isa l w a y sv e r yw e a k i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd e s i g nm e t h o da n dt h ea d v a n c e m e n t o fc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g i c a le q u i p m e n t ，m a n yn e wp a t t e r n so fd i l e sa n d u n d e r g r o u n dc o n t i n u o u sw a l l sh a y ea c h i e v e dg r e a td e v e l o p m e n t ，s u c ha st h e t h i n w a l l e d c y l i n d r i c a lp i l e a n dt h e 眦l t i - f u n c t i o n u n d e r g r o u n d c o n t i n u o u sw a l l ，w h i c hc a nb eu s e dn o to n l ya sr e t a i n i n gs t r u c t u r e ，b u t a l s oa sa n t is e e p a g es t r u c t u r ea n dl o a db e a r i n gs t r u c t u r e t h eb e a r i n g m e c h a n i s mo fi n t e r a c t i o nb e t w e e ns u c hk i n d so fc o m p l e xu n d e r g r o u n d s t r u c t u r e sa n ds o f ts o i li sd i f f i c u l tt or e a l i z e u n f o r t u n a t e l v ，f e w s y s t e m i er e s e a r c h e sh a v eb e e ne n g a g e do nt h i st o p i c ，a n dt h e r ea r ef e w r e f e r e n c e sc a nb ec o n s u l t e du pt i l ln o w a tp r e s e n t ，n u m e r i c a la n a l y s i si sw i d e l yu s e di ns u c hc o m p l e x s t r u c t u r e s o i li n t e r a c t i o nq u e s t i o n s a f t e rc o n s t r u c t i n gt h en u m e r i c a l m o d e l s ，s t r e s sa n dd e f o r m a t i o no fm a s s i v es t r u c t u r ec a nb ec a l c u l a t e db y n o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n tm e t h o d d u et ot h ed i f f e r e n c eo fm a t e r i a lc h a r a c t e r sa n dm e c h a n i c sb e h a v i o r s b e t w e e nc o n c r e t es t r u c t u r e sa n ds o i l s ，i ti sn e c e s s a r yt op a yg r e a t a t t e n t i o nt om o d e la p p r o p r i a t ei n t e r f a c ee l e m e n t ， s i m u l a t et h e c o n s t i t u t i v er e l a t i o n so fs o i lc o r r e c t l ya n ds i m p l i f yt h ef i n i t ee l e m e n t m o d e l so fs t r u c t u r e st os a t i s f yt h en u m e r i c a lp r e c i s i o na n de f f i c i e n c y ， a n dt h ed e f o r m a t i o nc o m p a t i b i l i t yb e t w e e ns t r u c t u r ea n ds o i la sw e l l b a s e do nt h es u m m a r i z eo fe x i s t i n gi n t e r f a c ee l e m e n tp a t t e r n s i n v o l v e di nt h ep r o b l e m so fi n t e r a c t i o nb e t w e e ns t r u c t u r ea n df o u n d a t i o n s o l l ，c o n s t i t u t i v er e l a t i o n so fs o i l ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d so f s t r u c t u r e ，c o n s i d e r i n gh o r i z o n t a ld e f o r m a t i o na n dd i s t r i b u t i o nr e a c t i o n o ff o u n d a t i o nb a s e ，s t r e s sa n a l y s i so fe l a s t i ci r r e g u l a rf o u n d a t i o np l a t e o ns e m i i n f i n i t ef o u n d a t i o n ，i n t e r a c t i o nb e t w e e np i l e sa n df o u n d a t i o n s o l la r er e s e a r c h e d a n dn u m e r i c a la n a l y s i so ft h eu n d e r g r o u n dw a l l f o u n d a t i o ni ns o f ts o i la r er e s e a r c h e da sw e l lb ya d o p t i n gg e n e r a l i z e d d i s p l a c e m e n tm e t h o dt od e a lw i t ht h ed e f o r m a t i o nc o m p a t i b i l i t yp r o b l e m b e t w e e nt h i n - w a l l e ds t r u c t u r ea n ds o i l ，a d o p t i n gt h i ns h e e te l e m e n tt o s 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 i n - w a l l e ds t r u c t u r ea n ds o i l ，a n da n a n a l y s i sm e t h o da b o u ts i m u l a t i n gt h ei n t e r a c t i o no ft h i n - w a l l e d s t r u c t u r e a n df o u n d a t i o ns o i li sp r e s e n t e df i n a l l y a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c ho na n a l y s i sm e t h o da b o u tt h ei n t e r a c t i o n b e t w e e nh y d r a u l i cs t r u c t u r ei ns o f ts l a ba n df o u n d a t i o n ，ar e a s o n a b l ea n d p r a c t i c a lc o m p u t a t i o n a la n a l y s i sm e t h o da b o u tu n d e r g r o u n ds t r u c t u r ei n s o f ts o i li sp r e s e n t e d t h e n ，t h i sm e t h o di sa p p l i e dt ot h ee a s tp l a t e o fp u n a ns e al o c ko fs h a n g h a ia n ds o m eo t h e rh y d r o e n g i n e e r i n g s ，a n d r e a s o n a b l er e s u l t sa c h i e v e df i n a l l y k e yw o r d s ：s o f ts o i lf o u n d a t i o n ，f o u n d a t i o np l a t e ，p i l e ，u n d e r g r o u n dc o n t i n u o u sw a l l ， i n t e r f a c ee l e m e n t ，c o n s t i t u t i v er e l a t i o n ，i n t e r a c t i o n ，g e n e r a l i z e dd i s p l a c e m e n tm e t h o d 月u吾 越来越多的高层建筑、地下建筑、道路、桥梁、水利设施等出现在工程建设 中。由于工程中许多地基土质多为软土，工程采用的地下基础多为桩和地下连续 墙。桩基以其具有巨大的承载力和抵抗复杂荷载的特殊性能以及对各种地质条件 的适应性而成为许多建筑物的理想基础形式。随着设计方法和施工工艺的不断改 进，地下连续墙不仅可以实现挡土和防渗等临时维护功能，而且可以用作永久承 重基础结构，其结构形式也越来越多样化，已被应用到越来越广泛的工程领域当 中。 在许多工程中，利用桩来承受水平荷载越来越普遍。长期以来，水平荷载作 用下钢筋混凝土桩与土相互作用的有限元研究限于弹性范围，事实并非如此。随 着大型结构工程的增多和结构可靠度计算要求的提高，研究桩的水平极限荷载下 的性能显得尤为重要。大量的工程实践表明，通过桩的水平荷载试验研究桩的水 平承载力和破坏机理是最为可信的。但是通过试验方法测定桩的水平极限承载力 存在费用高的缺点。应用现代数值分析方法进行桩的水平极限承载力分析是发展 方向之一。 计算地下连续墙等复杂的地下结构与土相互作用时，通常采用有限元法对结 构与土相互作用体系进行整体分析。但整体结构的规模很大，而地下结构在整体 结构中的相对尺寸较小，如果采用普通的等参单元进行网格划分，要使地下结构 与周围土体的网格协调，网格划分势必会很小，就会降低有限元的计算效率，因 此就有必要想办法采用一种更简单的结构单元型式，既能反映结构的内力以及与 周围土体的相互作用，又可以尽量简化结构的单元数和位移分量，减少有限元计 算的网格数。 土体材料的物理性质、力学特性以及边界条件的确定等问题都很复杂，根据 计算时已有的土体材料参数的不同，适合采用的土体本构模型也不同，有限元计 算的结果也会有差异，目前国内外还没有一种土体本构模型，能适用于各种类型 的土体及其复杂的加载条件。 鉴于此，本论文通过软基上水工建筑物与地基相互作用的分析方法的研究， 给出了基础板、桩和地下连续墙等复杂地下结构的合理和可靠的计算分析方法， 河海大学博士学位论文 软基上永工建筑物与地基相互作用的分析方法研究 为工程实际提供理论依据。在软基中基础板、桩和地下连续墙等复杂结构在水利 工程中应用得越来越多的今天，本论文具有重要理论意义和实际应用价值。 本论文取得主要的创新成果为： 1 用任意四边形板单元离散弹性基础板，将基础板按平面问题加薄板弯曲问 题进行考虑，建立了板与地基接触面上的节点位移与板中面位移之间的转换关系 式，地基变形与反力之间的关系用高斯积分法求解，克服了常规只能适用于矩形 板的缺点，应用范围更加广泛。在地基受垂直向作用基础上，考虑地基水平变形 对地基变形、反力和板弯矩的影响 2 对用混凝土材料采用各向同往的损伤本构模型，用强化假定应变单元离散 薄壁筒桩桩体结构，线单元离散钢筋来分析薄壁筒桩的损伤过程，提出了确定混 凝土薄壁筒桩水平极限承载能力的数值分析方法。 3 为解决群桩数值受力分析中既保证满足计算精度要求又要提高求解效率 的矛盾，提出了适用于群桩受力分析的局部非协调网格协调位移解法，应用该法 可以合理地对大型群桩基础进行局部加密求解，提高了求解效率， 4 以薄壳单元模拟薄壁结构的受力变形特性，用广义位移法解决薄壁结构与 土间的变形协调问题，采用厚度较小的薄层单元模拟薄壁结构与土体的相互作 用，提出了薄壁结构与土相互作用的分析方法。 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不 实，本人负全部责任。 论文作者( 签名2 0 0 6 年3 月5 目 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容 和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅 和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办 理。 论文作者。签名彩t 麦箜色2 。6 年，月；日 第一章绪论 第一章绪论 近年来，越来越多的高层建筑、地下建筑、道路、桥梁、水利设施等出现在工程建设 中。由于工程中许多地基土质多为软土，工程采用的地下基础多为桩和地下连续墙。桩基 以其具有巨大的承载力和抵抗复杂荷载的特殊性能以及对各种地质条件的适应性而成为 许多建筑物的理想基础形式。随着设计方法和施工工艺的不断改进，地下连续墙不仅可以 实现挡土和防渗等临时维护功能，而且可以用作永久承重基础结构，而且其结构形式也越 来越多样化，已被应用到越来越广泛的工程领域当中。无论从工程地下基础的安全设计、 设计方案的评选，还是从工程安全质量评价等工作的角度来看，积极开展软基上水工建筑 物与地基相互作用的分析方法的深入研究是必要的。但目前关于这方面的研究工作开展得 并不充分，因此本论文针对软基上水工建筑物与地基相互作用的分析方法进行深入研究。 1 1 问题的提出 南水北调东线泵闸工程，深厚覆盖层上的高土石坝，江苏、上海及浙江等长三角地区 的大型水闸、泵闸等的地基工程，例如： 1 “太湖治理”十大工程之一的九曲河水利工程“3 位于丹阳市境内的九曲河上，北距 长江夹江入江口8 5 0 m ，由净宽2 4 m 的节制闸、引排流量8 0 m3 s 的抽水站和 1 9 0 m x l 2 ( 1 6 ) m 2 5 m 的套闸组成，具有流域防洪排涝、灌溉供水、航运、水环境保护等多 种功能。枢纽场地的工程地质条件基本相同，均为长江冲积平原，由长江泥沙沉积而成。 拟建场地上分布有较厚的软土( 淤质土) ，为长江漫滩相沉积，沉积时问较短，固结差， 土质软，大多夹有薄层砂，砂性较高，具薄层水平层理，水平和垂直方向具不均匀性，渗 透性较好。针对长江冲积平原软土地基地质条件和本工程特点，经分析比较，认为桩基为 合适的地基处理方案，通过对四种常用桩型的技术经济比较，就可靠性、施工、环境影响、 工期、造价等方面详细对比，最终选用钢筋混凝土振动沉管灌注桩进行地基处理。 2 澧河渡槽嘲是南水北调中线总干渠上规模较大的渠、河交叉建筑物，位于河南省平 顶山叶县的澧河上，其设计流量3 2 5 m 3 s ，加大流量为3 9 0 m 3 s ，渡槽长度5 4 0 m ，为一 级建筑物。该渡槽按双槽布置，每槽尺寸l o m 6 m ( 宽高) ，设计水深4 4 m ，加大水深 5 0 1r n ，渡槽槽体为上承式板梁结构，单跨长度3 0 m ，主梁为“工”字形简支梁，下部结 构自上而下依次为：盖梁、槽墩、承台和桩基。根据工程区地形地质条件，其河床段地基 1 河海大学博士学位论文 软基上水工建筑物与地基相互作用的分析方法研究 为上硬下软的地层结构，槽墩采用桩基基础，桩基形式通过比较，承台下采用钻孔灌注桩 群桩基础。 3 杨树浦港泵闸工程位于上海市杨浦区境内杨树浦港河道原杨树浦港水闸外侧，靠 近黄浦江的河口处，距河口约1 3 0 m ，是杨树浦港虹江水系整治工程的重要组成部分。节 制闸的主要功能为挡潮、引潮( 杨树浦港节制闸引水，虹江节制闸排水以改善内河水质) 、 排涝、维持内河水位等，无通航要求。节制闸规模为单孔，净宽8 m ，功能是挡潮、排涝和 引水。闸室长2 3 1 m ，宽1 1 5 m ，闸墩厚1 2 5 m ，底板顶高程一1 o m 一2 0 m ，底板厚1 4 0 m 。 工作门铰中心线距闸首外河侧约1 0 0 m ，内、外河侧都预留了检修门门槽，离闸首内、外 河侧距离分别为0 9 9 m 和1 0 m 。外河侧闸墩顶高程7 o m ，内河侧闸墩顶高程5 7 4 5 0 m 。 节制闸闸首采用钢筋混凝土整体坞式结构。消力池为复式断面，池底高程一2 0 m ，护坦为 钢筋混凝土结构，护岸为高桩承台挡土结构。海漫段高程一1 0 m ，护底为浆砌石，并在纵 横向间隔1 0 m 左右设置了素混凝土埂，护岸为高桩承台挡土结构。 4 浦南东片出海闸工程位于上海市金山区境内，按水利、航道规划实麓浦南东片出 海闸工程，以满足防洪除涝以及内河航运的要求。浦南东片出海闸的主体工程是新建一座 3 1 0 m 的节制闸，该出海闸为一等水利工程，防洪( 潮) 标准是二百年一遇高潮位加十二 级风，出海闸采用平面钢闸门，采用电动卷扬机启闭，容量为2 x 2 5 0 k n 。闸底高程一2 0 m ， 按3 孑l 1 0 m 安排孔口尺度。闸首采用钢筋混凝土坞式结构，长2 0 m ，宽3 5 m ，底板厚1 7 m 。 出海闸的基础工程经过两次方案设计的变更，最后决定采用地下连续墙结构，墙体深2 0 m ， 墙厚0 8 m ，沿闸底板的边缘以及闸墩的中心线布置，地下连续墙、闸底板以及闸墩组成了 一个结构整体与周围土体共同作用。出海闸导流堤工程，其南段河道导流堤位于龙泉港南 端海塘大堤外侧，根据工程区地形地质条件，工程中采用联体薄壁筒桩组成两道导流堤挡 墙，挡墙内开挖形成出海河道。联体筒桩作为出海河道的挡墙，主要承受水平荷载作用。 5 绰勒水利枢纽工程0 1 位于内蒙古自治区兴安盟扎赉特境内的嫩江一级支流绰尔河 上。工程由主坝、副坝、电站等组成，大坝采用壤土心墙、砂砾石坝壳的结构，主、副坝 坝顶全长3 7 4 0 m ，主坝建在含卵石的粗砾层上，属强透水层，需进行防渗处理。地下连续 墙是在松散透水地基或土石坝坝体中连续造孔，以泥浆固壁，在泥浆下浇筑而形成的起防 渗作用的连续墙，是保证地基稳定和大坝安全的工程措施。设计连续墙轴线长度1 5 7 0 4 m ， 采用槽孔式混凝土防渗墙，墙体宽度为8 0 c m ，墙体高度为5 1 5 m ，墙体底部深入不透水 的泥砾层内5 0 c m 。 2 第一章绪论 6 潮州供水枢纽工程是综合利用的枢纽工程，由栏河闸、发电厂房、船闸、土坝等 建筑物组成。枢纽工程坝址位于广东省潮州市境内的韩江干流，整个工程分为东、西两部 分，东、西溪各布置1 6 孔栏河水闸，东溪右岸及西溪左岸各布置一座厂房。地下连续墙 布置在西溪左岸厂房基坑两侧，厂房开挖深度为1 2 8 0 1 6 3 5m ，地层主要为软弱淤质粘 土，采取地下连续墙加混凝土支撑支护措施，上下游采用0 5 0 0 搅拌桩围封，厂房左右岸 垂直开挖，上下游向放坡开挖。地下连续墙为钢筋混凝土结构，墙厚o 8 m ，设计槽宽为 3 8 6 4 7 2 m ，连续墙轴线总长3 9 3 9 m ，共8 8 个槽段。 7 冶勒水电站位于南桠河上游，电站装机容量为2 2 0 m w 。冶勒水电站拦河坝为沥青混 凝土心墙堆石坝，最大坝高约1 2 5 m ，水库正常蓄水位、设计洪水位以及校核洪水位均为 2 6 5 0 m ，死水位为2 6 0 0 m ，坝顶高程2 6 5 4 5 m 。上游坝坡1 ：2 0 ，下游坝坡1 ：1 8 。冶勒沥 青混凝土心墙堆石坝主要由坝体、坝基防渗体及坝壳堆石组成，在心墙和坝壳堆石之间设 有碎石过渡层。由于坝基相对隔水层承受压力较大( 将近7 0 上下游水头差) ，在坝址下游 增设了2 1 5m 的盖重，其平均厚度为2 2m 。坝基防渗体主要由混凝土防渗墙和帷幕灌浆构 成。 在许多工程中，利用桩来承受水平荷载越来越普遍。长期以来，水平荷载作用下钢筋 混凝土桩与土相互作用的有限元研究限于弹性范围。事实并非如此，随着大型结构工程的 增多和结构可靠度计算要求的提高，研究桩的水平极限荷载下的性能显得尤为重要。大量 的工程实践表明，通过桩的水平荷载试验研究桩的水平承载力和破坏机理是最为可信的。 但是通过试验方法测定桩的水平极限承载力相对较困难，应用现代数值分析方法进行桩的 水平极限承载力分析是发展方向之一。 计算地下连续墙等复杂的地下结构与土相互作用时，通常采用有限元法对结构与土相 互作用体系进行整体分析。但整体结构的规模很大，而地下结构在整体结构中的相对尺寸 较小，如果采用普通的等参单元进行网格划分，要使地下结构与周围士体的网格协调，网 格划分势必会很小，就会降低有限元的计算效率，因此就有必要想办法采用一种更简单的 结构单元型式，既能反映结构的内力以及与周围土体的相互作用，又可以尽量简化结构的 单元数和位移分量，减少有限元计算的网格数。有效的方法是采用梁、板单元来描述地下 桩、墙结构，但由于不同类型结构节点的自由度数不同，需要采用合理的方式建立其间的 位移协调关系。土体材料的物理性质、力学特性以及边界条件的确定等问题都很复杂，根 据计算时已有的土体材料参数的不同，适合采用的土体本构模型也不同，有限元计算的结 果也会有差异，目前国内外还没有一种土体本构模型能适用于各种类型的土体及其复杂的 1 河海大学博士学位论文 软基上水工建筑物与地基相互作用的分析方法研究 加载条件。由于地下结构与周围土体之间物理力学性质的差别，要反映地下结构与周围土 体之间力的传递，需要在地下结构与结构接触面上设置接触单元，目前常用的有g o o d m a n 单元、d e s a i 单元、殷宗泽有厚度单元等，如何就这些单元型式建立地下连续墙等柔性结 构与周围土体之间的协调关系是需要解决的关键问题。 群桩是指由两根以上的基桩组成的桩基础。群桩基础在受竖向荷载后，由于应力叠加 导致桩土体系发生变化，分析变化的机理就显得尤为重要。进行群桩的沉降分析最好的方 法是试验，但由于试验费用大，周期长( 如考虑固结效应) ，因此建立合理的数值模型分 析群桩的应力变形情况具有广阔的应用前景。 有限元法。卅进行结构分析时一般采用低次单元，因为这类单元能较好地适应边界条件 且计算效率高，但是这类单元不能较好地描述结构的弯曲性能和正确求解包含近似不可压 缩材料的问题。为了解决这类问题，人们提出了各种不协调单元，而以西穆( s i m o ) 等提 出的强化假定应变单元( e a s ) 最为有效。而且对于钢筋混凝土结构，当用线单元模拟钢 筋时，为了与钢筋有限元模型相协调，混凝土不能采用一般的实体单元，需要用强化假定 应变单元模拟。1 。 1 2 软基上建筑物受力特性的研究和发展现状 由于桩、地下连续墙等结构都是深植于土体中，因此地下结构与土的相互作用就非常 显著。地下连续墙的结构形式复杂，并常常与桩、群桩、地下锚杆等结构共同作用，结构 与结构之间的受力状态、受力水平和工作性态就可能有较大的差异。这些因素都使得地下 结构与土体的相互作用十分复杂，应用一般的方法求解十分困难。因此，在计算地下结构 时，常常采用数值分析方法，即有限元法。有限元作为普适性较好、模型化能力强的数值 方法，对于任何复杂程度的结构与土相互作用分析都是一种可行的途径，是一种形式和途 径都较为同一、可编程性好的数值分析方法。对地下结构与土相互作用问题，包括结构、 土体及其间相互作用方式。因此在对其进行数值分析时，就需要建立地下结构与土体之间 相互作用的合理的数值模拟方式，采用合理的土体本构关系及合理模拟地下结构本身工作 性态的单元形式和本构模型，并尽可能简化分析过程。在一定条件下，用解析数值法 解决工程力学问题要比用常规有限元法更经济，而且结果的规律性和精度更高o ”“1 。 1 2 1 土体本构关系 土体大量的应力应变曲线表明，土体的变形包括弹性应变、塑性应变和蠕变三部分。 很明显，土体是一种典型的弹塑性介质，而且许多情况下土体均处于塑性状态。土体材料 4 第一章绪论 特性复杂、种类繁多，根据已知的土体不同的参数，所对应的本构模型也有所不同，计算 结果也必然存在差异“”1 。也就是说，在进行桩土结构的数值分析时恰当地选取土体的本 构模型，对于整个数值分析过程是至关重要的。因此，许多学者进行了大量研究，以期找 到一种模型能较好地反应土体的应力变形特征。前人在整理分析试验结果的基础上提出了 各种各样的本构模型，目前常用的本构模型有：m o h r - - c o l u m b 模型。、d u n c a n - - c h a n g 模 型。“、剑桥模型1 等。 弹性本构模型具有应力应变可逆的特点，也可以说在增量意义上是可逆的。在单调加 载情况和应力水平较低时，弹性模型求解能取得较好、较精确的计算结果。土体在加载后 期，呈现明显的非线性，d u n c a n - - c h a n g 模型就是土体弹性非线性本构模型”2 ”的一种。 d u n c a n - - c h a n g 模型是由常规三轴试验曲线来确定切线的弹性常数的，而且模型反应了土 体非线性变形的主要规律，在土体的有限元分析中得到了广泛的应用。 近年来，在土的本构行为的研究方面，还出现了一些其他类型的本构模型啪“3 ，如建 立在不可逆热力学基础上的内时本构理论。“；弹塑性一蠕变一损伤统一本构理论模型； 以及利用人工神经网络学习和识别大样本的试验数据而形成的新型人工神经网络本构模 型啪3 等。这类模型和传统的岩土弹塑性本构模型一样，需要结合大量的工程实例来检验。 1 2 2 结构体离散方法 由于结构与土的相互作用，是沿两相介质的整个接触面广泛分布的，在模拟结构体时， 为了较好地考虑结构与土之间的相互作用，需要加密离散网格，以便使离散模型中只在单 元结点处相互传递的有限个结点力，能够逼近连续分布在结构与土接触面上的相互作用 力。在目前的有限元分析中，常把地下结构作为等参单元进行单元划分，由于地下结构的 尺寸相对周围土体介质来说, l i j , ，一旦地下结构体的网格加密，为了保证网格的连续性、 协调性，势必要加密土的网格，这样一来，就会增加结点，降低求解效率。 如果在满足梁、板理论假设的前提下，把结构划分成若干连续的梁杆单元或者板单 元。”。根据数值模型的有限元位移解计算出各段梁杆单元的出口节点力，并利用这些节点 力插值构造梁杆单元内部的分布荷载，即结构与土间相互传递的力，从而由梁端部反力的 求解方法得出在各个离散断面处产生的附加弯矩，然后再把这些附加弯矩作为荷载重新作 用在结构土体系上，进一步迭代求解。这种途径在一定程度上反映了结构与土体相互作用 的本质特点，避免了网格加密的问题，但却是以增加求解次数，降低求解效率为代价的， 而且如果再耦合土体的非线性分析会使求解过程非常复杂，尤其是在三维情况下，由单元 河海大学博士学位论文 软基上水工建筑物与地基相互作用的分析方法研究 节点力再插值构造单元内部的分布力往往人为性很大，相应的误差也就很大，如为了提高 这种插值的逼近效果又势必要加密结构体的网格划分。同时，该方法把由梁杆单元各个出 口节点力推算得到的各段梁元端部附加弯矩作为下次迭代计算的荷载，这种迭代格式在力 学概念上有些含糊不清，因为这种附加弯矩既不是非线性迭代求解过程中的残余不平衡 力，也不是后继施加的外荷载，所以很难为之找到一个合理的、物理意义明确的收敛准则。 这种分析结构与土相互作用力学机制的数值方法的可行性和合理性还有待验证。 钢筋混凝土结构在水利、土木工程中应用较为广泛。最早把有限元分析方法用于钢筋 混凝土结构的是( 1 9 6 7 年) 美国学者d n g o 和a 。c s c o r d e l i e s 。“。针对混凝土的本构模 型，人们进行了许多研究，但还未能找到一种适合各种应力状态、变形速率下本构模型。 用损伤力学的观点来研究混凝土的本构模型始于八十年代，其中l o l a n d 和m a z a r s 提出的 基于应变等价原理的各向同性损伤模型比较有代表性。l o l a n d 损伤模型认为在应力峰值前 盯一s 为非线性关系，而在应力峰值以后盯一s 和d 一都是线性关系。：m a z a r s 损伤理论 则认为应力峰值以前o - 一占曲线变化与直线偏差不大，认为是线性关系；而峰值以后应变 增加而应力按指数函数下降。 1 2 3 结构与土体相互作用的分析模型 由于地下桩、墙等结构在土中埋植很深，因此墙体结构与土的相互作用就非常显著。 而且地下连续墙的结构形式复杂，并常常与桩、群桩、地下锚杆等结构共同作用，结构与 结构之间的受力状态、受力水平和工作性态就可能有很大的差异。这些因素都使得地下桩、 墙结构与土体的相互作用十分复杂，应用一般的方法求解十分困难。因此，在计算地下桩、 墙时，常常采用数值分析方法“，即有限元法。有限元作为普适性较好、模型化能力强 的数值方法，对于任何复杂程度的结构与土相互作用分析都是一种可行的途径，是种形式 和途径都较为同一、可编程性好的数值分析方法。地下连续墙不论是作为基础还是围护结 构，都与土相互作用，因此在对其进行数值分析时，就必须要弄清楚地下结构与土体之间 接触面的数值模拟，分析土体的本构关系，研究地下结构本身的数值模拟方法，并尽可能 的优化数值结构和单元形式。 在地下结构与土体相接触的问题中，士与结构的界面上常有较大的剪应力。对这类结 构物，正确地分析接触面上的受力变形机理，剪切破坏的发展，荷载传递过程，并在计算 中正确地模拟，是十分重要的。 目前，土体与结构相互作用的分析，主要采用整体数值分析法，因为该法能够综合考 第一章绪论 虑土体的非线性及多相系的瞬态问题。整体分析的关键是两种介质相互作用界面上的接触 问题。通常，在土与结构接触界面上构造各种不同形式的界面单元来模拟两者相互作用的 力学行为，即在两接触材料的界面处引入一类“粘连单元”，通过选择和迭代来调整这类 单元的性质参数以近似模拟界面的力学行为。 在分析土与结构相互作用时，界面力学行为研究包括两个方面：一是接触面上的本构 行为，尤其是剪应力与剪切变形之间的关系；另一方面是接触面单元这种特殊单元本身。 国外的g o o d m a n 、z i e n k i e w i c z 、g h a b o u s s i 、k a t o n a 、h e r r m a n n 、i s e n b e r 卧 k a u s e l 、d e s a i ”7 0 3 等以及国内的殷宗泽”7 “，雷晓燕、杜庆华”等，都针对这两方面做了 大量研究。其中无厚度g o o d m a n 单元，d e s a i 薄层单元以及殷宗泽有厚度接触面单元使用 的最为广泛。无厚度g o o d m a n 单元考虑了两相介质接触面间的单元不连续性，建立了应力 ( 或力) 与相对位移之间的关系，这种方法简单明确，但存在数值病态、接触面嵌入等问 题。d e s a i 薄层单元通过节点位移插值构造单元位移场，认为两相介质接触面间的位移有 某种连续性，建立应力应变关系，这种方法虽然克服了无厚度g o o d m a n 单元的接触面嵌入 问题，但其刚度和模量的取值都有很大的经验性。殷宗泽有厚度接触面单元在接触面单元 的本构假设更为理性，但是还不能从根本上克服模型本身的几何形态问题。另外，这些接 触面单元都没有考虑到柔性墙体结构与周围土体之间的转角位移协调。 1 2 4 水闸底板与地基相互作用n ”叫 目前，我国大中型水闸底板一般都按弹性基础梁进行内力分析和计算。所谓弹性基础 梁法，认为梁和地基都是弹性体，梁受外荷载后发生弯曲变形，地基受压产生相应的沉陷， 而梁与地基在变形后仍紧密接触，它们的变形和沉陷是一致的。弹性基础梁法在水闸底板 设计中通常采用查阅郭氏表的方法，从表中查阅弯矩系数来计算弯矩，在计算过程中不太 注意查阅表中的反力系数。在研究边荷载等问题查阅郭氏表计算反力分布时，所有荷载组 合以后在梁端底板与地基间出现拉应力，而弹性基础梁的计算有一个基本条件：“梁与地 基之间不能或几乎不能承受拉力”，因此在某种情况下，查阅郭氏表计算水闸底板内力是 有问题的，需要进一步分析和探讨。 0 c z i e n k i e w i c z 于1 9 6 5 年提出了半无限地基上弹性基础板的有限元解法”“，其基本 思路是假定地基反力通过板与地基之间的共同节点传递，并假定地基反力均匀分布在节点 控制的面积上，由半无限弹性地基上法向集中力与任一点位移之间的关系求解地基柔度矩 阵，根据板的静力平衡条件建立有限元方程。傅作新等人八十年代对软基上水闸底板的内 力进行了大量的分析，提出了半无限地基上弹性基础矩形板的有限元一链杆解法”，该法 7 河海大学博士学位论文 软基上水工建筑物与地基相互作用的分析方法研究 用有限元法求解板的位移，根据地基与板之间的位移协调条件及静力平衡条件建立以基础 反力和板的某点位移为未知量的未知方程组，直接求解基础反力。该法假设各链杆的基础 反力均匀分布在与板相对应的基础矩形表面单元上，地基位移通过解析法解获得。倪光乐 等近来提出了弹性矩形板与弹性地基共同作用的简化算法，但板的位移通过四角点支承、 四边自由矩形板的级数解获得。 1 ，2 5 桩与土相互作用m 。” 工程上，由于桩基具有承载力高、抗震性能好和沉降量小等优点，特别是它可以解决 软土等特殊地基的承载力问题，许多情况下建筑物的基础都选用了桩基础。桩基的承载力 主要取决两个因素：一是桩身的强度：二是地基土对桩的支承能力。桩的承载能力发挥程 度与桩顶沉降量的大小有关，桩身砼强度、桩长、桩径等因素的不同，发挥桩侧阻力和端 阻力所需的桩顶沉降量也不同，研究桩的承载力，必须研究桩的荷载沉降特性，桩的荷载 沉降曲线形态特征，揭示了桩的荷载传递机理。 从物理意义上，桩的荷载传递机理是清楚的，但相应的数学问题是复杂的，原则上不 能简单地将桩的极限承载力视为极限摩阻力与极限端承力的算术迭加，而要着手研究桩土 系统的弹塑性问题。早在1 9 6 6 年，c o y l ea n dr e e s e 就将桩体分段按完全弹性原理去分析 荷载传递特性；1 9 7 7 年，d e s a ia n dc h r i s t i a n 首先报道了应用有限元法去分析桩变形位 移的工作成果；1 9 7 8 年，r a n d o l p ha n dw r o t h 介绍了用m i n d l i n 方程求土位移的弹性理 论分析法。随着计算机技术的广泛应用，人们常用数值分析法去研究桩上的受力位移情况， 但由于数值分析法的参数设置较复杂，各物理量与计算结果的关系不够直观，给系统性研 究带来不便。 关于桩土共同作用的分析，p o u l o s 提出以m i n d i n 解答为基础的弹性积分法，对桩受 力变形特性进行了大量的分析研究。r a n d o l o n 和c o o k 提出剪切变形传递法应用于桩土分 析，但是上述方法只适合于均质土中，而实际工程中，桩往往置于层状土中；地基反力系 数法把土体对桩的反力作用等复杂因素通过文克尔假定，简化成单纯的反力系数作用于桩 上；而其它的几种塑性理论或极限理论，也是要么假定桩为刚性体，要么假定桩土体系已 达到极限平衡。所以说，这些设计计算理论本质上都未彻底解决桩一土相互作用力学机制 的分析问题，这些方法有一定的局限性，随着计算机的发展，有限元在桩土共同作用分析 中应用得到越来越多的应用，有限元法的一个突出优点就是通过对土体区域的划分，通过 变换土体有关的参数解决了土体分布的层状性问题。 第一章绪论 在诸多的分析方法中，有限元法是个前景较好的方法。除了有限元数值模型能够充分 地考虑诸如：土体材性的空间差异性、力学响应的非线性，复杂的几何边界条件等，而且 还能够通过适当的数值技术模拟工程施工过程，以及由此而带来的一些施工力学问题等种 类复杂的耦合因素外，其思想和实现过程也都较为简单和统一，因此适于编程和电算，同 时便于利用一些较为成熟的f e m 通用软件包进行二次开发以求解大规模的桩一土相互作用 问题。尽管在桩基土体相互作用分析的应用中，还存在诸如：土体复杂本构行为及其工程 应用的研究；桩一土体系整体数值模型的求解规模与非线性分析的计算效率：以及对于桩 一土共同作用的动力问题，还存在土体动本构模型的研究、动力学边界的数值模拟等深入 工作要做。但从理论上可预见，随着土一结构相互作用问题研究的不断深入，有限元法将 会成为解决桩基一土体相互作用复杂问题的最基本途径。 1 2 6 连续墙与土相互作用。“川 1 9 5 0 年首先在意大利米兰采用泥浆护壁的地下连续墙作为沟槽开挖的围护结构，后来 在意大利全国各地地下工程施工中得到推广和应用。5 0 年代后期传到日本和法国，6 0 年 代又传入英、德、美国和前苏联，地下连续墙逐步成为地下深基础工程中安全有效的施工 方法。当今这一施工方法在世界各地地下工程施工中获得了很大的成功和进展。这种新技 术新工艺不仅适合于软粘土、砂质粉土、砂土、砾石，而且还适合于软岩。 我国水电部门从1 9 5 8 年开始，先后在青岛的月子口水库等多项水利工程中使用地下 连续墙，取得了良好的技术和经济效果。7 0 年代末，地下连续墙技术在上海、天津、广州、 福州等沿海城市地下工程施工中得到应用，不断的发展和完善。上海近年来开挖深度在l o m 以上的深大基坑，绝大多数都采用地下连续墙作为围护结构的护墙，取得了良好的技术 经济和社会效益。 薄壁结构与土体的相互作用问题在水工建筑物中广为存在：如水闸中地下连续墙与土 体的相互作用，土石坝中坝体内心墙及坝基内地下防渗墙与堆石体或土体的相互作用，面 板堆石坝中的面板与垫层材料之间的相互作用，以及加筋挡土墙中加筋条与土体之间的相 互作用等。由于基于弹性力学的理论解无法反映薄壁结构与土体的相互作用，因此通常需 采用有限元法求解考虑其与土体相互作用下的受力特性( 位移和内力) ，在此基础上进行 薄壁结构的配筋设计。 目前常用数值解法来分析计算地下连续墙。有限元数值解法的具体做法是：将地下连 续墙离散成单元，建立以位移为未知数的单元结点刚度矩阵方程。然后以地基土作为脱离 河海大学博士学位论文软基上水工建筑物与地基相互作用的分析方法研究 体，建立柔度矩阵，并对其求逆后所得的地基刚度矩阵和结构刚度矩阵耦合，从而求得结 构单元各结点的位移值。 有限元法是研究土与结构相互共同作用问题的一个强大分析工具，