基于Midas GTS的不同地基處理方法下水閘結(jié)構(gòu)應(yīng)力研究

杜錦宇,賀小康

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510635)

水閘是一種低水頭的水工建筑物，一般具有擋水和泄水的雙重作用，在水利工程中應(yīng)用十分廣泛。廣東省瀕臨南海，平原、濱海區(qū)河網(wǎng)密布，閘址區(qū)域多為淤泥、淤泥質(zhì)土、粉細(xì)砂、粉質(zhì)粘土等軟弱地基，存在沉降量大和承載力不足等問(wèn)題，若處理不好將對(duì)工程帶來(lái)嚴(yán)重影響[1]。

根據(jù)廣東省已建水閘的工程經(jīng)驗(yàn)，省內(nèi)水閘地基處理方案一般采用復(fù)合地基或剛性砼樁基礎(chǔ)。復(fù)合地基方案具有良好的沉降變形協(xié)調(diào)性和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，樁基礎(chǔ)方案則可大幅度減小沉降量[1]，項(xiàng)目在選定地基處理方案時(shí)一般僅對(duì)上述兩種處理方案的承載力、沉降量、設(shè)備條件和投資方面進(jìn)行對(duì)比，而往往忽略了兩種處理方案水閘結(jié)構(gòu)應(yīng)力大小和應(yīng)力分布上的差異[2]。

為探明不同的地基處理方法對(duì)水閘結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布的影響，本文以石角咀水閘重建工程中水閘的地基處理為例，通過(guò)Midas GTS三維有限元分析軟件，對(duì)采用復(fù)合地基和采用樁基處理的閘室進(jìn)行分析，得出兩者的水閘結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布并進(jìn)行比較分析，為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

石角咀水閘位于中珠聯(lián)圍末端、前山水道的出海口地區(qū)(珠海境內(nèi))，是一宗涵蓋擋潮、排水、御咸、航運(yùn)和交通等功能的大型水利工程，主要建筑物包括攔河水閘、船閘、泵站、市政橋及兩岸連接道路等，其位置示意見(jiàn)圖1。

圖1 項(xiàng)目位置示意

1.1 水閘布置

石角咀水閘重建工程中的新建水閘，閘室長(zhǎng)為23.00 m，單孔凈寬為12.00 m，閘底高程為-3.50 m，閘頂高程為6.30 m。閘室結(jié)構(gòu)采用整體式，兩孔一聯(lián)。閘室上游側(cè)設(shè)工作閘門，閘門為平板鋼閘門，啟閉設(shè)備為頂升式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)。

1.2 工程地質(zhì)

根據(jù)工程地質(zhì)勘探資料，閘室建基面以下地層：

① 泥質(zhì)中粗砂層，稍密狀，分布厚度為3～5 m，地基承載力建議值fak=100～140 kPa；

② 粘土層，稍密狀，分布厚度為6～7 m，地基承載力建議值fak=140～160 kPa；

③ 全風(fēng)化花崗巖層，地基承載力建議值fak=200～220 kPa，地基承載力較高，但埋深較深，可作為復(fù)合樁基礎(chǔ)樁端持力層。

1.3 地基處理

經(jīng)計(jì)算，閘室的基底應(yīng)力大于①泥質(zhì)中粗砂層的地基承載力建議值，需進(jìn)行地基處理，地基處理方案考慮采用樁基礎(chǔ)或復(fù)合地基。

1) 樁基礎(chǔ)方案

樁基礎(chǔ)處理方法中常用于水閘地基處理的有鉆孔灌注樁、PHC管樁等[3]。由于樁身的彈性模量較大，樁身壓縮量小，在樁端進(jìn)入可靠的持力層后，水閘建筑物的沉降量大大減小[4-5]。本項(xiàng)目地基處理比選中樁基礎(chǔ)方案采用樁徑為Φ600PRC管樁，布設(shè)于閘底板下，采用正方形布置，布樁形式為7排×9排(順?biāo)髋艛?shù)×垂直水流排數(shù))，布樁樁距為3.6 m×3.4 m(順?biāo)髋啪唷链怪彼髋啪?，樁長(zhǎng)為17 m，樁持力層為5-1全風(fēng)化層。

2) 復(fù)合地基方案

復(fù)合地基處理方法中常于水閘地基處理的有水泥土攪拌樁、旋噴樁、水泥粉煤灰碎石樁等[6]。復(fù)合地基可使在水閘運(yùn)行時(shí)基礎(chǔ)底面與復(fù)合地基之間沉降始終保持一致，利用閘底板與復(fù)合地基間的摩擦力抵抗水平荷載，同時(shí)對(duì)防止不均勻沉降而引發(fā)的滲透破壞比較有利[7-9]。本項(xiàng)目地基處理比選中復(fù)合地基方案采用樁徑為Φ500的水泥粉煤灰碎石樁(CFG樁)，布設(shè)于閘底板下，采用正方形布置，樁的縱橫間距為2 m，樁長(zhǎng)為13 m。

兩種地基處理方案下水閘的縱剖面布置見(jiàn)圖2。

2 模型構(gòu)建

Midas GTS是一種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有限元分析軟件，具有建模簡(jiǎn)單快捷且結(jié)果可靠等優(yōu)點(diǎn)，在水利、土木等領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用[10-12]。本文利用該分析軟件，構(gòu)建數(shù)值模擬網(wǎng)絡(luò)模型，網(wǎng)絡(luò)模型軸側(cè)示意見(jiàn)圖3，模型材料的參數(shù)見(jiàn)表1。

a 樁基方案

a 完建情況

表1 模型材料參數(shù)

2.1 基本假定

1) 閘室和閘門的受力和變形都處于彈性范圍內(nèi)。

2) 復(fù)合地基方案中閘底板彈性地基以曲面彈簧模擬。

3) 樁基方案中基樁與閘底板固接，且假定豎直方向位移為0。

2.2 邊界條件

1) 水閘左右側(cè)設(shè)限制Y方向位移的約束。

2) 水閘底板設(shè)限制X方向位移的約束。

3) 樁基方案中基樁與閘底板連接處設(shè)固定約束。

2.3 分析情況、荷載及荷載組合

分析情況包括完建情況和正常運(yùn)用情況。計(jì)算荷載主要包括閘室自重、檢修橋自重、水重力、閘門重力、靜水壓力、揚(yáng)壓力。各計(jì)算情況的荷載組合見(jiàn)表2。

表2 荷載組合

3 模擬結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

3.1 不同地基處理方法對(duì)水閘底板應(yīng)力影響

分別對(duì)樁基方案和復(fù)合地基方案進(jìn)行分析，不同方案的Y方向應(yīng)力分布見(jiàn)圖4～5，從Y方向應(yīng)力分布軸側(cè)圖可以看出，完建情況和正常運(yùn)用情況下，兩種地基處理方案各閘孔中部對(duì)應(yīng)的閘底板面層和閘墩對(duì)應(yīng)的閘底板底層均出現(xiàn)拉應(yīng)力。樁基方案閘底板底層與樁頂接觸處出現(xiàn)壓應(yīng)力。根據(jù)Y方向應(yīng)力分布圖應(yīng)力分布軸側(cè)圖，整體而言，樁基方案閘底板的應(yīng)力分布更為均勻。

a 樁基方案

a 樁基方案

不同方案閘底板底層的Y方向應(yīng)力分布平面見(jiàn)圖6～7，樁基方案閘底板底層與樁頂接觸處會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，在正常運(yùn)用情況下，由于揚(yáng)壓力的作用，應(yīng)力集中現(xiàn)象有所減緩。

a 樁基方案

a 樁基方案

選取距離上游18 m的剖面進(jìn)行分析，剖面上取5個(gè)特征節(jié)點(diǎn)(見(jiàn)圖8)，各特征節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值見(jiàn)表3。

圖8 閘底板特征節(jié)點(diǎn)分布示意

表3 各節(jié)點(diǎn)Y方向應(yīng)力 kPa

從表3中統(tǒng)計(jì)的各節(jié)點(diǎn)Y方向的應(yīng)力大小可看出，樁基方案閘底板所受的拉應(yīng)力比復(fù)合地基方案小。在完建情況和正常運(yùn)用情況下，節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)4所受拉應(yīng)力與復(fù)合地基方案相比降低了50%～53%，節(jié)點(diǎn)1 和節(jié)點(diǎn)5與復(fù)合地基方案相比降低了10%～14%。

3.2 不同地基處理方法對(duì)水閘閘墩應(yīng)力影響

分別對(duì)樁基方案和復(fù)合地基方案進(jìn)行分析，不同方案的Z方向應(yīng)力分布見(jiàn)圖9～10，從Z方向應(yīng)力分布圖可以看出，無(wú)論是完建情況還是正常運(yùn)用情況，兩種地基處理方案中墩和縫墩與底板連接處均受壓，整體而言，樁基方案閘墩的應(yīng)力分布更為均勻。

a 樁基方案

a 樁基方案

選取距離上游18 m的剖面進(jìn)行分析，剖面上取6個(gè)特征節(jié)點(diǎn)(見(jiàn)圖11)，各特征節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值見(jiàn)表4。

圖11 閘墩特征節(jié)點(diǎn)分布示意

表4 各節(jié)點(diǎn)Z方向應(yīng)力 kPa

從表4中統(tǒng)計(jì)的各節(jié)點(diǎn)Z方向的應(yīng)力大小可看出，樁基方案中墩和縫墩所受的壓應(yīng)力大于復(fù)合地基方案。在完建情況下，樁基方案縫墩外側(cè)(節(jié)點(diǎn)1、6)壓應(yīng)力與復(fù)合地基方案相比提高了50%，正常運(yùn)用情況下提高了35%。兩個(gè)方案在不同計(jì)算情況下，其他特征節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)2、3、4、5)應(yīng)力值較為接近。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以石角咀水閘為實(shí)例對(duì)象，借助Midas GTS/NX三維有限元分析軟件，建立三維數(shù)學(xué)模型，詳細(xì)分析了水閘不同地基處理方案下完建情況和正常運(yùn)用情況的應(yīng)力分布狀態(tài)，可以得到以下結(jié)論：

1) 在完建情況和正常運(yùn)用情況下，樁基方案閘底板和閘墩的應(yīng)力分布與復(fù)合地基方案相比更為均勻。樁基方案閘底板所受的拉應(yīng)力比復(fù)合地基方案小，可減小閘底板的配筋面積。樁基方案閘墩所受的壓應(yīng)力比復(fù)合地基方案大，但遠(yuǎn)小于C40砼抗壓強(qiáng)度。因此，從水閘整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力的角度進(jìn)行分析，樁基方案更具優(yōu)勢(shì)。

2) 樁基方案閘底板底層與樁頂接觸處出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，在正常運(yùn)用情況揚(yáng)壓力的作用下，應(yīng)力集中現(xiàn)象有所減緩。應(yīng)力集中對(duì)構(gòu)件的疲勞壽命影響較大，因此，若采用樁基方案，閘底板底層與樁頂接觸處應(yīng)采取減緩措施。