冲孔陶土纠偏法的分析与改进

冲孔陶土纠偏法的分析与改进

吴秀峰曹启坤

(辽宁工程技术大学土木建筑工程学院阜新市123000)

摘要:冲孔掏土纠偏法是一种对现场依赖很强,有很多施工盲点的纠偏方法。利用弹塑性分析、数值分析和有限元理论研究地基土体的稳定性,阐述了工程中出现的非正常现象的原因并提出设计公式,进而提出并实现预先设计。利用一个基于M AT A B和A NASYS的复合程序流,将预先设计转化为顺序式设计流程。

关键词:冲孔掏土纠偏法地质土稳定性分析预先设计

ANALYSIS AND IMPROVEMENT OF THE RECTIFYING DEVIATION METHOD

BY EXPELLING EARTH WITH RINSING HOLES

Wu X iufeng Cao Q ikun

(Civi l Construction and Engineering Department of L iaoning Engineering and Technology University Fuxin123000)

Abstract:T he Rectifying Dev iat ion M ethod by Expelling Earth w ith Rinsing Holes is a kind of met hod that it rely o n the scene very strong and have many bling spots in construction1T his paper has studied the stability of soil mass wit h elastic and plastic analysi s,analysis of numer ical value and the finity units analysis1T his paper has ex patiated the causes of abnormal phenomenon in the engineering,put for ward t he desig n formula,and put forw ar d the idea of de-sign in advance1T his paper has tr ansformed the idea for a design flow w ith an ordered process by using a composite prog ram bale in MA T LAB and A NASYS pro gram1

Keywords:rectify ing deviation by expelling the eart h with rinsing holes analysis of the stability of soil mass desig n in advance

1引言

建筑物倾斜是软弱地基上和三采矿区内的一种常见工程问题。建筑物倾斜可以在单向(纵向或横向)或者双向(纵横两个方向)发生,当建筑物各部位产生不等量倾斜时,常使建筑物发生挠曲或扭转现明[1]。在实际工程过程,应该根据建筑物的结构形式和功能要求、地基与基础的情况、环境和施工条件选择合适的纠偏方法;同时,对上部结构的附加内力的分析,并保证其作用在有限范围内,以使纠偏工程顺利进行[2]。

冲孔掏土纠偏法又称孔式排土纠偏法,冲孔掏土纠偏法是将水枪深入到基下土中进行冲水,让孔内土与水混合变为泥浆流出,通过破坏土体稳定性迫使建筑物下沉[3]。冲孔掏土纠偏法的指导思想是:保护沉降较大一侧的地基土;使沉降较小一侧的基底产生应力重分布,加大少沉侧基底应力,使之加速沉降;由于两侧基下应力解除,使中心部位应力短暂提高,出现/翘翘板效应0;使少沉侧的土按计划、有控制地在一定深度、一定时间通过所布设的孔体排出,最终达到建筑物纠偏的目的[4]。

在纠偏过程中参与工作的土体范围很广,如果各点的沉降差异过大,会危害建筑物的安全[3]。因此研究掏土纠偏过程中地基土稳定性,对于指导纠偏设计与施工有重要的理论和应用意义。就资料看,应用此方法可能出现的现象有[4]:

第一作者:吴秀峰男1976年8月出生讲师

收稿日期:2006-02-20

1)突沉现象:房屋整体沉降加速,地基失效,房屋报废。其原因是冲孔排土时地基应力超过地基上的承受能力,导致地基整体破坏。

2)突倾现象:回顾速度过快,房屋向相反方向倾斜,危及房屋安全。这是冲孔排土侧地基应力增加过多过快所致。

3)只掏不倾:基底应力控制不当,地基尚处稳定状态,短期内无法回倾至预期目标。

4)正常回倾:基底应力控制得当,能按预期情况缓慢回倾。

1012Industr ial Construction Vo l.36,Supplement,2006工业建筑2006年第36卷增刊

综合以上,纠偏时前三种情况是应设法避免的,应合理控制两侧的基底应力、土体动扰区域,使之按第四种情况发展。缺少设计过程和产生技术盲点,成为限制冲孔掏土纠偏法应用的主要原因。

2孔体排列的设计方法

在实践工程中,为了迫使地基土按预计要求产生沉降并侧向挤出,纠偏工程中不仅利用水平冲土成孔,还有竖向钻土成孔。水平冲孔对各种土质情况都适用,而竖向钻土成孔只对软土(最好是处于软塑性状态的地基土)适用[4]。所以,本文只采用了水平孔应用。

211冲孔排土纠偏法中的单体水平孔的形成过程为避免应用非线形弹性模型时无屈服产生的缺陷,对单体水平孔形成过程进行弹塑性分析。假定土体能服从Tresca屈服准则或Mohr-Coulomb屈服准则,利用对塑性力学中圆筒形孔扩张问题加以解答,分析深层冲孔排土纠偏法中单孔变形。就此得到冲孔掏土纠偏法中孔半径和成孔周最大塑性区半径的计算公式。

R P R0=

E

2(1+v)K

(1)

式中E)))取地基土的压缩模量;

v)))为泊松比;

K)))地基抗剪强度(所能承受剪应力);

R0)))成孔初始半径;

R P)))孔周最大塑性区半径。

为了加快土体变形和应力重分布,让基础边缘内外产生连续塑性区,保证基础边缘应力集中的有限制发展,设计公式如下:

h=(A+B)R0(2) D=(2A+B)R0(3) l=(A-B)R0(4)

其中,A为相对塑性区半径R p/R0,一般取211~313;B为扩大系数,一般取013~014;l为少沉侧基础边缘的首孔的孔心到基础边缘竖向铅垂线的距离。

对公式分析可知,相同沉降量要求的情况下,地基中初始应力大的,初始孔径可减小;孔距及孔深度应以略大于最大塑性半径为宜

,宜使孔体之间的塑性区接触或部分重叠。用图形表示地基下土体中孔的相关技术参数,整体排列和塑性区产生的情况(图1)。

1-真实水平;2-冲水区域;3-塑性发展区域;4-少倾一侧

图1地基中孔体的排列设计原理

212工程实践中的孔体排列设计的要点

1)根据沉降要求,估计孔初始半径R0。

2)用式(1)可估计孔周塑性区的大小。

3)用式(2)、式(3)确定孔体深度h、孔距D。

4)用式(4)确定l。

3利用非线性数值分析和有限元法进行模拟分析[5,6] 311分析土体的模型特征

为了使得到的结果与实际情况较吻合,考虑地基土的应力-应变关系的非线性,采用非线性弹性模型;考虑地基土与结构共同作用的接触面特性,采用目前流行的接触面单元[6]。

312土体加载条件和本构关系

取得某纠偏工程土样参数(见表1)。根据经典土力学理论和邓肯-张金荣模型[4],进行土体的应力-应变非线性曲线的数值模拟[5]和曲线拟合。本文的土体应力-应变数值分析全部在MAT-LAB611中实现(见图2)。

表1某纠偏工程土样参数

参数材料r/(k N#m-3)c/M Pa

313纠偏过程中地基稳定性的有限元法的界面性态的研究和确定

1)在ANASYS中建立成孔前的初始模型。要点有:

a.研究对象以平面问题进行建模,以基下土体的剖切面为研究平面;

b.单元采用的是PLANE42,2-D Structural Solid单元;

c.材料塑性采用多线性随动强化来表示,其应力-应变曲线由MATLAB611导入ANASYS;

网格的划分采用的是自适应划分,最大网格顶点之距离以2m为上限。

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冲孔陶土纠偏法的分析与改进)))吴秀峰,等