地基上水閘閘室結構性穩定分析研究

李巖磊

(安徽省水利水電工程檢測有限公司,合肥 230022)

0 引 言

建在地基上的水閘閘室穩定包括閘室和地基兩個方面:一是在各種計算情況下,閘室不會沿地基表面滑動;二是閘室的基底壓力不超過地基容許承載力,且地基中不出現過大的沉降差,防止由于剪切破壞而使地基失去穩定。當不能滿足上述要求時,則應采取相應的工程措施,以保證閘室的穩定。水閘地基的變形、滲流、地基處理等,對閘室結構位移、應力、閘室穩定有著重要的影響作用。因此,研究水閘地基與閘室結構之間的關系并總結其規律十分重要[1]。

地基的變形模量通常會影響到閘室結構的沉降和應力,土的變形模量在實際勘測中是重要的物理力學指標,經常用于判斷土的特性如土的壓縮性,或用于計算地基變形[2]。混凝土彈性模量的定義為:在荷載作用下混凝土構件應力與應變的比值,是混凝土構件在承受荷載作用或受到災害影響后,分析結構力學特性的重要參數。同時,混凝土彈性模量也被用來評價混凝土耐久性及安全性[3]。因此,研究地基變形模量與混凝土彈性模量對閘室結構應力變化規律的影響,有著十分重要的意義。

為了提高閘室結構的穩定性,本文建立三維有限元模型,分析天然地基和復合地基水閘閘室的應力沉降,設定μ為地基變形模量與閘室混凝土彈性模量比,分析不同μ值對閘室沉降應力的影響。同時,分析滲流-應力耦合作用下,土體材料參數和滲流條件對閘室的安全穩定性產生的影響。

1 工程概況

某水閘位于河道東側,閘室凈寬16m,為鋼筋砼整體塢式結構,采用升臥式平面鋼閘門。節制閘底板順水流向長14.0m,垂直水流向18.2m,底板厚1.80m,底板頂面高程0.00m。根據防洪水位和超高要求,閘門頂高程7.20m,閘門平臥后底高程9.35m。閘室持力層在中、重粉質壤土上。作用在閘室上的荷載有以下幾個類型:固定荷載、回填土荷載、水荷載。該水閘處于地震烈度為7度,地震加速度值為0.10g,故需進行抗震復核,地震荷載通過Abaqus軟件中的質量加速度施加,在質量結構上施加加速度荷載。將原點設置底板頂與閘墩的交界點,順水流方向為X軸,指向下游為正;垂直水流方向為Y軸,指向左側閘墩為正;豎直方向為Z軸,向上為正[4]。閘室和地基整體模型簡圖見圖1。

圖1 閘室和地基整體模型簡圖

由圖1可知,順水流方向取3倍閘室寬度,為42.0m;垂直水流方向取3倍閘室長度,為54.6m;地基深度為30m。設定地基土體料為彈塑性材料,閘室與樁體為線彈性材料,以上材料滿足摩爾-庫侖屈服準則。

2 地基變形和滲流對閘室結構性態影響

2.1 地基變形對閘室結構性穩定的影響

地基變形是指地基在水閘閘室上部荷載作用下,巖土體被壓縮而產生的相應變形。若地基變形量過大,將會影響水閘閘室的正常使用,甚至危及水閘閘室的安全。地基變形特征表現為水閘閘室的沉降量、沉降差、傾斜和局部傾斜等,這些數值都不應大于地基的容許變形值,該值是根據水閘閘室上部結構對地基變形的適應能力和使用上的要求來確定的。當地基承載力不滿足要求或沉降超過允許值時,改良土壤、加固地基、控制沉降、加深埋深、加設地基加固樁等均可以提高地基承載力。閘室上部結構承受各種外部荷載,然后傳遞給承臺,承臺再把受到的力分配到樁群,繼而傳遞到承載力較強的地基土層中。

為了改善地基的抗荷載性能,提高施工質量,可以采用復合地基。復合地基是指天然地基在地基處理過程中部分土體得到增強,或被置換,或在天然地基中設置加筋材料,加固區是由基體(天然地基土體或被改良的天然地基土體)和增強體兩部分組成的人工地基。在荷載作用下,基體和增強體共同承擔荷載的作用。復合地基具有節約造價、強度高、工藝簡單、抗震性高等優點,并且在提高閘室穩定安全系數中有著較為明顯的效果。

分析閘室部分、地基土和樁群各部分之間的相互影響,有助于相互協調實現作用[5-6]。研究各部分之間較為復雜的相互作用,采用有限元法。其基本原理是將整體的結構離散為許多單元,用單元集合來代替原結構,單元內的真實場變量用相近的函數來表示,從而給出離散模型的解析。有限元法分析計算的思路和做法可歸納為:物體離散化、選擇位移模式、分析力學性質、等效節點力。物體離散化后,假定力是通過節點從一個單元傳遞到另一個單元。但對于實際的連續體,力是從單元的公共邊傳遞到另一個單元中去的。因而,這種作用在單元邊界上的表面力、體積力和集中力都需要等效的移到節點上去,也就是用等效的節點力來代替所有作用在單元上的力。

以某水閘為例,研究通過有限元分析軟件Abaqus,對不同地基參數的天然地基和復合地基水閘的位移、應力進行分析,并對參數改變前后閘室結構應力位移進行對比。地基變形模量與閘室混凝土模量是影響閘室結構安全系數較為重要的參數,因此改變這些變量,閘室結構的應力沉降也會改變。通過改變地基變形模量與閘室混凝土模量的比值,來研究閘室結構沉降對該比值的敏感性[7]。

2.2 地基滲流對閘室結構性穩定影響

地基滲流可能會改變土體的重力特性,導致土體內部的水力壓力增加,引起土體的溶解和流失,從而影響水閘閘室結構性穩定。當土體有水頭差存在時,地基中的水就會沿著孔隙流動,流動的水就會產生動水壓力,這種動水壓力就是滲透體積力[8]。滲透體積力在地基土體上的作用方式是外部荷載,在外部荷載的作用下,地基土體的應力場變化較大。在應力場中應力的作用下,土體顆粒會發生位移,發生位移后的土顆粒與之前的位置不同。土體的應力場和位移場發生改變后,孔隙率也因此改變,土體的滲透系數也隨之發生改變,以上一系列的變化就會引起土體滲流場發生變化。

依據理想狀態下彈塑性本構模型和摩爾-庫倫屈服準則理論,對閘室穩定性進行分析研究,運用Abaqus軟件實現強度折減法是比較簡單和便捷的,計算結果相對精確[9]。為了得到計算結果,首先定義場變量Fr,然后逐漸減小土體黏聚力c和內摩擦角φ。若場變量初始較大,土體則會發生初始破壞,因此通常定義場變量初始值小于1,以避免土體發生破壞。當計算終止時的折減系數,即為水閘閘室的安全系數。在實際工程中,天然地基水閘中的土體多是結構復雜的多孔介質體,地基土主要被滲流場和應力場共同控制。兩者并不是完全獨立的,而是互相影響、共同作用的[10]。若不考慮兩者之間的相互影響,單一地研究應力場與位移場是不準確的,所以研究滲流場和應力場間的耦合作用是有必要和有意義的。

根據對滲流場和應力場相互作用相互影響的關系分析,可以建立滲流-應力耦合數學模型,先分別得出一種場在另一種場影響下的數學模型,得到兩種數學模型后,對其進行組合計算,即可得到滲流-應力耦合的有限元數學模型。將模型寫成矩陣形式,公式如下:

(1)

式中:ΔFs為因滲流場的變化而變化的滲流體積力結點載荷量;k為滲透系數;K為土體剛度矩陣;Δδ為位移變化量;ΔF為土體所承受的外部荷載引起的結點載荷變化量;K(σij)為滲透系數矩陣;H為土體兩側的水頭差;{f}為滲流場水頭分布函數。

先對模型進行初始條件和邊界條件的定義,再通過式(1)計算,即可實現滲流-應力的耦合。

3 地基變形和滲流對閘室結構性穩定影響結果分析

通過地基變形模量與閘室混凝土彈性模量比,對閘室結構位移、應力變化規律的影響進行有限元分析。假設μ為地基變形模量與閘室混凝土彈性模量比,地基變形模量分別取42.6、63.9、85.2、106.5MPa,閘室混凝土彈性模量為3.0×104MPa,分別求出μ為0.001 42、0.002 13、0.002 84、0.003 55時閘室在正向設計、正向校核、反向設計、反向校核以及地震5種工況下的沉降、水平位移、應力分布情況,并總結其變化規律。當μ取值為0.001 42、0.002 13、0.002 84、0.003 55時,閘室在正向設計、正向校核、反向設計、反向校核以及地震5種工況下的最大沉降量變化見圖2。

由圖2可知,隨著μ值的增大,閘室最大沉降量變化曲線整體呈下降趨勢。μ為0.001 42時,正向校核下閘室最大沉降量為162.9mm;μ增大至0.003 55時,正向校核下閘室最大沉降量為143.2mm,表明適當増加μ值,可以減小閘室結構的最大沉降量。

不同μ值在5種工況中的最大水平位移變化見圖3。由圖3可知,μ為0.001 42時,正向設計下閘室最大水平位移為5.644mm;μ增大至0.003 55時,正向設計下閘室最大水平位移為5.254mm。正向設計、正向校核和地震工況下,隨著μ值增大,閘室最大水平位移與μ沒有明顯比例關系,其原因是水平位移主要與閘室兩側水頭差大小有關。

圖3 不同工況下的最大水平位移變化

天然地基閘室底板最大主壓、拉應力隨μ值變化見圖4。由圖4(a)可知,地基閘室底板最大主壓應力隨μ值增大,閘室底板最大主壓應力呈減小趨勢,變化幅度先是較大,然后減小,表明適當增加μ值,可以減小閘室底板的最大主壓應力。由圖4(b)可知,隨μ值的增大,地基閘室底板最大主拉應力逐漸減小。

圖4 天然地基閘室底板最大主壓應力和最大主拉應力變化對比

天然地基與復合地基水閘閘室在各工況下,最大沉降量和閘室整體結構水平位移變化對比見表1。由表1可知,在沒有進行地基處理時的水閘閘室最大豎向位移量為162.9mm;進行地基處理后的水閘即復合地基水閘閘室最大豎向位移量為36.19mm。兩者相比,最大豎向位移減小77.8%。因此,復合地基相較于天然地基,閘室最大沉降量顯著減小,復合地基可以有效減小間室最大沉降量。天然地基水閘閘室和復合地基水閘閘室最大水平位移分別為5.745和3.421mm,兩者相比,最大水平位移減小41.5%。因此,對地基進行處理可以有效減小閘室最大水平位移。

表1 兩種地基水閘閘室結構最大沉降量水平位移變化對比

在各工況下,天然地基水閘與復合地基水閘兩種模型水平位移的變化規律為:隨著高程增加,閘室部分的水平位移也在增加。這是因為閘室順水流方向兩側受到方向和大小不同的水平水壓力,所以閘室受到的水平荷載矢量指向水平水壓力較小的方向。當閘室受到該水平總壓力時,閘室即將向矢量所指方向位移的趨勢,所以閘室結構上部的水平位移比下部大。

以天然水閘為例,從土體材料參數和滲流條件兩個角度,研究閘室本身條件與外部條件對閘室安全系數的影響。土體材料參數包括土體黏聚力、土體內摩擦角、土體變形模量、土體泊松比,滲流條件即滲透系數和水頭高度,分析上述條件下影響閘室安全穩定系數的規律。初始狀態下,土體黏聚力為10kPa,土體內摩擦角為15°,土體變形模量為40MPa,土體泊松比為0.1,滲透系數為0.000 02cm/s。當研究某一變量的影響時,其他參數保持不變,建立不同參數下的閘室模型。根據計算結果,繪出安全穩定系數隨某一變量的變化,見圖5。

圖5 安全穩定系數隨不同變量的變化對比

由圖5(a)可知,隨著土體剪脹角的增大,安全系數增加,增加幅度先是較大然后減小,所以土體剪脹角越大,土體抵抗閘室滑動能力越強,安全系數越大。

由圖5(b)可知,隨著土體變形模量的增加,安全系數的變化幅度平緩,所以閘室安全系數對土體變形模量的敏感性不大。隨著土體泊松比的增大,安全系數基本無變化,所以閘室安全系數對土體泊松比的變化不敏感。

由圖5(c)可知,土體黏聚力從10kPa增加至30kPa,內摩擦角從15°至35°,閘室安全穩定系數分別增加38.76%和20.97%。這是由于土體黏聚力和內摩擦角增大后,土體的抗剪強度增加,抵抗土體發生破壞的能力增加,所以閘室安全穩定系數增加,閘室強度增加。

4 結 論

為了提高閘室結構的穩定性,本文分析了天然地基和復合地基水閘閘室的應力沉降,設定μ為地基變形模量與閘室混凝土彈性模量比,分析不同μ值對閘室沉降應力的影響。同時,分析了滲流-應力耦合作用下,土體材料參數和滲流條件對閘室結構的安全穩定性產生的影響。結果表明,隨著μ值的增大,閘室最大沉降量變化曲線整體呈下降趨勢。μ為0.001 42時,正向校核下閘室最大沉降量為162.9mm。土體黏聚力從10kPa增加至30kPa,內摩擦角從15°至35°,閘室安全穩定系數分別增加38.76%和20.97%。