花湖湿地整治工程软基中松木桩复合地基承载力有限元研究论文答辩

汇报提纲绪论1有限元理论及本构模型2松木桩复合地基的优化设计4松木桩复合地基计算模型及有限元分析3结论与展望51绪论若尔盖花湖湿地属于国家级自然保护区，为了扭转湿地面积不断缩小的局面，希望通过湿地整治工程加强蓄水能力。其设计与施工要以保护生态为宗旨，护堤材料应该采用砂卵石、木材、草皮等天然材料，地基处理所用桩基经专家研究采用松木桩。如今钢筋混凝土结构因其材料独特的优越性得到了广泛普及，使得木结构工程越来越少。多年以来，工程界对于木材的研究多以试验为主，理论分析较为少见。1.1研究背景及意义1.2复合地基发展现状复合地基处理技术能充分发挥增强体与天然地基二者同时承担结构物荷载的潜力，有效减少工程造价，当前国内应用较多的有：钢筋混凝土桩复合地基、木桩复合地基、砂石桩复合地基等。如今复合地基技术在建筑工程、公路铁路、水利工程等领域应用广泛，产生了良好的社会经济效益。1.3主要研究内容以若尔盖花湖湿地整治工程实例为基础，采用GEO-SLOPE有限元分析软件建立天然地基下和采用松木桩复合地基进行处理时不同桩间距的计算模型，对比分析了各方案的应力和变形，得到了满足工程承载力和沉降要求的桩间距。2有限元理论及本构模型随着计算机技术的飞速发展，近十年来，有限元方法对我国工程界产生了深远影响，成为一种行之有效的数值分析方法。有限元法把求解区域表示成由若干个在节点处互相连接的单元组成，它以结构力学的位移法为基础，根据初始边界条件求解出所有单元的应力与应变。2.1有限元的基本原理2.2有限元法的求解步骤离散求解域确定状态变量及控制方法定义问题及求解域单元推导总装求解求解联立方程组及结果分析2.3土的本构模型弹性模型(1)线弹性模型：把土体视为理想弹性体，属于最简单的一种土体本构模型。(2)非线性弹性模型：应用最广泛的是邓肯-张模型，它反映了材料的非线性变形特性。弹塑性模型把总应变分为弹性应变和塑性应变两部分，弹性应变根据Hooke定律进行计算，其塑性应变根据塑性增量理论进行计算。3松木桩复合地基计算模型及有限元分析3.1计算模型与方案有限元模型计算取护堤的一个横剖面作为分析对象，堤顶宽4.0m，高2.5m，临水坡和背水坡坡比均为1:2，护堤为碾压连砂石结构，本次计算只考虑施工期的变形。3.2工程地质概况护堤位于若尔盖花湖湿地实验区内，为湖积沼泽平原地貌。地基土由上至下分别如下：①草炭：灰黑色，松散，易压缩变形。②粉质粘土：灰色、深灰色，流塑～软塑。③粘质粉土：深灰～青灰色，稍密～中密，承载力较高，为护堤的基础持力层。④泥炭：棕褐色，结构中密，力学性质较好。测区地基表层有1.0～3.5m草炭层；其下为软塑的粉质粘土，厚1.5～2.5m；中部为粘质粉土，厚5.0～8.0m；下部为泥炭层。其力学强度总体较低。3.2工程地质概况3.3工程地质概况各层地基土物理力学指标值3.4松木桩复合地基设计本工程涉及的软弱地基土分布于整个工程区。上部草炭层力学性质极差，如果按照常规的换填地基进行处理，则对湿地的生态造成较大破坏，因此考虑开挖表层50cm的草炭层，采用“土工格栅+砂垫层+松木桩”这种桩-网复合地基进行处理。本次设计采用布桩中心线与堤身中心线重合的方式布置松木桩，选用的松木桩直径为20cm、桩长5m。3.5计算参数和方案采用以下两种情况进行对比分析研究：情况一：护堤直接作用于天然地基上时；情况二：护堤作用于布置了不同松木桩桩间距的复合地基上时。设计要求的工后沉降控制值[S]=15cm。3.5计算参数和方案采用邓肯-张E-B模型进行计算，各参数见下表3.5计算参数和方案所受荷载考虑护堤的自重和堤顶宽度10级车辆荷载。通过变化松木桩桩间距，分析整个计算区域的应力和位移，计算分为5组：护堤作用在天然地基上；松木桩桩间距取为1.75m；松木桩桩间距取为1.5m；松木桩桩间距取为1.25m；松木桩桩间距取为1m。3.6计算结果分析3.6.1水平位移等值线图分析天然地基下当护堤修建在天然地基上时，最大水平位移为6.7cm，出现在护堤坡脚附近处的草炭层中，等值线以该处为中心，向四周扩散，数值逐渐减小。桩间距为1.75m桩间距为1.5m3.6计算结果分析桩间距为1.25m桩间距为1m3.6计算结果分析3.6.2竖向位移等值线图分析天然地基下当护堤修建在天然地基上时，其竖向位移等值线为内凹的光滑曲线，最大的竖向位移值为32.7cm，出现在护堤底部中心处。桩间距为1.75m桩间距为1.5m3.6计算结果分析桩间距为1.25m桩间距为1m3.6计算结果分析3.6.3水平应力等值线图分析天然地基下在天然地基下，护堤顶部最大有67kPa的横向总应力，随着护堤深度的增加，其横向总应力的数值不断减小，护堤底部仅为5kPa。桩间距为1.75m桩间距为1.5m3.6计算结果分析桩间距为1.25m桩间距为1m3.6计算结果分析3.6.4竖向应力等值线图分析天然地基下在天然地基下，其最大的竖向应力等值线横跨护堤和地基，其值为55kPa，并以该等值线为中心向四周扩散，逐渐递减。桩间距为1.75m桩间距为1.5m3.6计算结果分析桩间距为1.25m桩间距为1m3.7本章小节经过5种方案的对比分析，可以得到以下结论：(1)在天然地基上修建护堤，其工后沉降无法满足要求；采用松木桩复合地基进行处理后能较好地增强湿地软土地基的支撑能力，减小护堤的沉降和变形，且布桩越密，其减小沉降和变形的效果越好。(2)经过4种不同桩间距处理方案的比较，得出桩间距为1.25m时，工程的沉降和承载力满足要求。4松木桩复合地基的优化设计4.1桩基布置的调整梳桩思想改变了传统的“均匀布桩”设计概念，是一种安全合理、造价经济的设计新形式。传统桩基设计呈现出“盆底形”的沉降曲线，即中间大，两边小。因此，不少专家学者提出了“内强外弱”的布桩形式，使基础造价大大降低。优化后的模型采用“内强外弱”的布桩形式，即中间5根松木桩桩间距为1.25m，两边则按1.5m的桩间距进行布置。横向位移等值线图竖向位移等值线图4.2桩基布置的调整横向应力等值线图竖向应力等值线图4.3桩长调整的影响分析为了分析松木桩桩长对护堤变形和沉降的影响，以经过梳桩思想优化后的方案为基础，其他参数不变，仅调整桩长，分别计算了桩长为4m和6m时护堤的应力和位移。特征值比较4.3桩长调整的影响分析经比较看出，改变桩长对变形和沉降有较大影响，桩长为4m时，桩下端未深入力学性质较好土层，计算区域产生了较大变形，且桩身沉降也较大；桩长超过4.5m时，即已深入较为坚硬的粘质粉土层，发挥了桩端土的承载力，减小了桩身沉降，同时也减少了护堤变形。但当桩长达到一定长度，再进一步增加对减小沉降意义不大。经比较分析，原方案所选定的桩长5m，即可满足工程要求。5结论与展望5.1结论经过松木桩复合地基处理后，对整个地基起了一定的支撑作用，横向位移和沉降量有了明显减小。当松木桩桩间距为1.25m时，最大竖向位移为14.4cm，满足工程要求。疏化两侧桩基对计算区域应力和变形的影响较小，梳化后的设计既能满足沉降要求，又能比原方案节约工程投资。桩长对复合地基沉降影响比较明显，桩端进入相对硬层一定深度有利于发挥桩端阻力效应，减小沉降。5.2展望本文就松木桩复合地基不同布桩情况进行了对比分析，得出了一些结论，还可以做进一步的研究：分析只选取了工程中某一护堤断面进行计算，难免出现片面性，有必要通过现场试验的观测资料和更多类似的工程实例进行验证并调整优化计算模型。在荷载中计入地震的作用，考察在地震动荷载的作用下，松木桩复合地基的受力特性。