地基土刚度范文

地基土刚度范文（精选2篇）

地基土刚度 第1篇

关键词：地震模拟振动台,动力机器基础,地基土刚度,谐响应分析

0 引言

地震模拟振动台进行试验时对基础和周围环境的影响很大程度上决定于地基土的情况。不同的地基土, 其刚度和阻尼特性都不一样, 产生的位移和加速度响应也就不一样。我国国土辽阔, 土质情况复杂多变, 设计振动台基础时, 必须因地制宜。因此, 有必要针对不同地基土对振动台基础的影响进行研究。

成都西南交大地震模拟振动台是由两台三维六自由度地震模拟振动台阵组成, 一台固定不动, 另一台可平行移动。本文以此振动台基础为对象, 分别采用《动力机器基础设计规范》的方法和ANSYS有限元方法对其分析, 研究地基土刚度变化对振动台基础的影响。

1《动力机器基础设计规范》介绍

我国《动力机器基础设计规范》采用的是质量—阻尼—弹簧模型, 振动台基础为刚体, 地基土等效成空间6个自由度上的弹簧、阻尼器。假定同时承受垂直激振力、水平激振力、摇摆力矩和扭矩作用, 可按稳态简谐振动建立竖直、水平、摇摆、扭转等4个动力方程, 简化模型见图1。

在本例中, 只研究水平y向单向激励响应, 因此基础质心动力方程为相互耦合的两个方程[6]:

水平:

摇摆:

其中, M为基础的总质量;Jx为绕过质心x轴摇摆转动惯量;Cy为水平振动的阻尼系数;Cφ为摇摆振动的阻尼系数;Ky为水平振动的刚度;Kφ为摇摆振动的刚度;h1为基础质心到底面高度;h2为基础质心至水平激振力Fy的高度。

按照《动力机器基础设计规范》确定式中的刚度和阻尼, 代入这些参数, 求解上述振动方程便可得出基础的动力响应。

2 地基土刚度参数的确定

地基土决定了动力方程中的刚度K和阻尼系数C, 相关的地基土参数包括:剪切模量Gs、泊松比μ、密度ρ、剪切波速vs。其中密度、剪切波速可以通过土工试验的方法直接获得。

2.1 有限元弹性模量取值

土体的应力应变关系呈现为复杂的弹塑性本构关系, 进行有限元分析时, 由于ANSYS谐响应分析不考虑材料塑性特性, 因此把基础周围的地基土当成理想弹性体。因此一些学者[7,8,9]提出了多种弹性模量的取值方法。由于各地土质情况变化较大, 为研究土弹性模量变化对振动台基础的影响, 仅需在相关范围内取一代表值, 故本文采用以下粗略的方法估算土的弹性模量。

剪切模量Gs与剪切波速vs的关系为:

弹性模量E与剪切波速vs的关系为:

根据文献及相关规范, 各种地基土质的密度、泊松比、剪切波速的经验值可取如表1所示的代表值, 由此得出地基土剪切模量和弹性模量值 (其中Gs=404 MPa是成都西南交大地震模拟振动台的地基土的实际值) 。

2.2 地基土抗压刚度系数Cz的取值

按照我国《动力机器基础设计规范》, 当仅改变土质而其他条件不变时, 影响刚度K值的因素主要决定于天然地基土抗压刚度系数Cz。工程设计中, 地基土的抗压刚度系数Cz值宜由现场试验确定, 但由于试验的难度和条件不允许, 可采用简化的理论计算方法[10,11]。

按弹性半空间理论应用于机器基础振动计算的等效集总参数法, 有:

其中, r0为基础底面的等效半径。

根据剪切模量Gs与弹性模量E的关系, 式 (5) 可改写为:

最后由Kz与Cz的关系得:

其中, A为基础底面的面积。

由式 (7) 可以估算出各种土质的抗压刚度系数Cz的代表值, 见表1。

3 西南交大地震模拟振动台基础的计算分析

西南交大地震模拟振动台由一大一小两个振动台阵组成。其中大振动台台面尺寸为8 m×10 m, 固定不动, 可单独进行建筑结构抗震试验;小振动台台面尺寸为3 m×6 m, 可在长条槽内平行移动, 与大振动台组合能进行可变跨度达33 m的多点地震波输入的地震模拟试验。采用ANSYS建立振动台基础简化模型见图2, 图3。

单独对大振动台进行模拟分析, 为计算方便, 将模型简化, 见图3。

本次计算分析只在大振动台基础支座处施加水平y向简谐激励, 最大加速度ay=1.0g。计算相关参数为:

基础外轮廓尺寸为37.4 m×24 m×9.2 m, 另外, h1=4.307 m, h2=3.893 m, 考虑到基础中配筋比较密集, 取混凝土平均密度ρ'=2 750 t/m3, 基础重量m=20 200 t。台面重量m1=140 t, 台面载重m2=160 t, 转动惯量Jx=1.19×106t·m2。工作频率范围0.1 Hz~40 Hz, 基础底面持力层为中密卵石层, 平均剪切模量Gs=404 MPa, 泊松比μ=0.25, 容重ρ=2 300 t/m3。

ANSYS谐响应分析时, 地基土和基础采用Solid45实体单元, 周边采用3D粘弹性人工边界[12,13], 网格大小为4 m。

1) 振幅、加速度频谱曲线对比。当土质取为西南交大振动台基础实际勘测值时, 得到控制点振幅频响和加速度频响的动力规范解和ANSYS解, 见图4。

由图4可得, 在激励力频率为8 Hz~9 Hz时, 系统发生共振, 共振区控制点振幅的动力规范解约0.24 mm, 有限元解为0.18 mm, 误差大约在25%, 而在低频区和高频区, 动力规范解和ANSYS解吻合得很好。

在共振区, 对控制点的加速度动力规范解约0.066 9g, 有限元解为0.057 6g, 误差约14%, 且均未超过容许值0.1g。在低频区和中频区, 两种解法吻合程度较高, 在高频区有限元解略大于动力规范解, 这可能是动力规范方法采取的各种理想简化模式造成的。

2) 地基土刚度变化时的响应对比。改变地基土土质, 地基土弹性模量E和抗压刚度系数Cz等相关参数分别按表1依次取值, 重新计算, 得到各种土质下控制点在共振时的最大振幅和加速度响应变化, 见图5。

由图5可得, 在土弹性模量较小时, ANSYS解和动力规范解有很小的误差, 而当地基土刚性较大时, 两条曲线基本重合。控制点最大振幅随着土弹性模量的增大而迅速减小, 符合实际情况。

在弹性模量为60 MPa~1 000 MPa范围内, 控制点最大加速度响应的有限元解随刚度增大, 由0.043g增大到0.057 6g, 而动力规范解在0.07g上下波动;大于1 000 MPa以后, 两种方法的加速度响应均趋于稳定, 有限元解稳定在0.054g左右, 而动力规范解则在0.071g附近保持, 变化的幅度很小。

4 结语

地基土刚度 第2篇

自改革开放以来, 我国地基处理技术发展很快, 主要反映在下述几个方面:

1、地基处理技术得到普及和提高

地基处理技术的普及和提高在我国发展都很快。为了满足土木工程建设对地基处理的要求, 我国引进和发展了多种地基处理新技术。到目前为止, 可以说, 国外有的地基处理方法, 我国基本上都有。各地还因地制宜地发展了许多适合我国国情的地基处理技术, 取得了良好的经济效益和社会效益, 如低强度桩复合地基技术和孔内夯扩技术等。我国在地基综合处理能力方面提高很快。如在澳门机场建设中, 综合应用了换填法、排水固结法、振冲挤密法和碾压法等多种处理技术。近些年来.越来越多的土木工程技术人员了解和掌握了各种地基处理技术、地基处理设计方法、施_[工艺、检测手段, 并在实践中应用。与土木工程有关的高等院校、科研单位积极开展地基处理技术的研究、开发、推广和应用。地基问题处理恰当与否关系到整个工程的质量、投资和进度, 其重要性已越来越多地被人们所认识。

通过工程实践, 人们对各种地基处理方法的优缺点有了进一步了解, 对采用合理的地基处理规划程序有了较深刻的认识, 在根据工程实际选用合理的地基处理方法方面减少了盲目性。

2、地基处理队伍不断扩大

地基处理技术发展还反映在地基处理队伍的不断扩大。从事地基处理施工的专业队伍不断增加, 很多土建施工单位也从事地基处理施工。除施工队伍外, 从事地基处理机械生产的企业发展也很快。在地基处理施工机械方面, 与国外的差距在逐步减小, 并研制了许多新产品。

3、地基处理理论的发展

我国地基处理发展还反映在理论上的进步。在探讨加固机理、改进施工机械和施工工艺、发展检验手段、提高处理效果、改进设计方法等方面, 每一种地基处理方法都取得不少进展。除了针对一类地基处理方法的理论得到发展外, 对一些共同性规律研究也取得不少成果。特别是复合地基理论发展很快。复合地基概念从狭义复合地基发展到广义复合地基, 形成了较系统的广义复合地基理论。

总之, 地基处理技术在我国得到广泛的普及, 地基处理水平得到不断提高。地基处理技术已得到土木工程界的各个部门, 如勘察、设计、施工、监理、教学、科研和管理部门的关心和重视。地基处理技术的进步带来了巨大的经济效益和社会效益。

二、复合地基理论概要

天然地基采用各种地基处理方法处理形成的人工地基大致上可以分为两大类:均质地基和复合地基。人工地基中的均质地基是指天然地基土体在地基处理趔程中得到全面的土质改良, 地基中土体的物理力学性质是比较均匀的。人工地基中的复合地基是指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强, 或被置换, 或在天然地基中设置加筋材料, 加固区是由基体 (天然地基土体) 和增强体两部分组成的人工地基。复合地基中地基土体性质是不均匀的。很多地基处理方法是通过形成复合地基来达到提高人工地基承载力和减小沉降的目的。

复合地基是一个新概念, 而且还处在不断发展之中。复合地基一词国外最早见于1960年左右, 国内还要晚一些。随着复合地基技术在土木工程建设中的推广应用, 复合地基概念和复合地基理论也得到较大的发展。

复合地基技术近年来在我国得到重视、发展是与我国工程建设对它的需求分不开的。1990年在河北承德, 中国建筑学会地基基础专业委员会在黄熙龄院士主持下召开了我国第一次以复合地基为专题的学术讨论会。会上交流、总结了复合地基技术在我国的应用情况, 有力地促进了复合地基理论和实践在我国的发展。近年来复合地基理论研究和工程实践日益得到重视, 复合地基在我国已成为一种常用的地基基础形式。

随着地基处理技术和复合地基理论的发展, 近些年来, 复合地基技术在我国各地得到广泛应用。目前在我国应用的复合地基类型主要有:由多种施工方法形成的各类砂石桩复合地基、水泥土桩复合地基、低强度桩复合地基、土桩、灰土桩复合地基、钢筋混凝土桩复合地基、薄壁筒桩复合地基、加筋土地基等。目前复合地基技术在房屋建筑 (包括高层建筑) 、高等级公路、铁路、堆场、机场、堤坝等土木工程建设中得到广泛应用。复合地基技术的推广应用产生了良好的社会效益和经济效益。

根据地基中增强体的方向, 复合地基可分为竖向增强体复合地基和水平向增强体复合地基两大类。竖向增强体复合地基习惯上称为桩体复合地基。根据桩体材料性质, 桩体复合地基又可分为散体材料桩复合地基和粘结材料桩复合地基两类, 粘结材料桩复合地基根据桩体刚度大小又可分为柔性桩复合地基和刚性桩复合地基两类。

三、基础刚度和垫层对桩体复合地基性状影响

在建筑工程中, 无论是条形基础, 还是筏形基础, 基础刚度都很大, 可称为刚性基础。在交通工程中, 人们发现路堤下的桩体复合地基性状与建筑工程中刚性基础下复合地基性状有较大差别。为叙述方便, 将类似土堤下的桩体复合地基称为柔性基础下复合地基。当复合地基各种参数都相同时, 在荷载作用下, 柔性基础下复合地基的桩土荷载分担比要比刚性基础下复合地基的桩土荷载分担比小, 也就是说刚性基础下复合地基中桩体承担的荷载要比柔性基础下复合地基桩体承担的大。现场试验研究表明 (吴慧明, 2002) :柔性基础下桩体复合地基和刚性基础下桩体复合地基破坏模式不同。当荷载不断增大时, 柔性基础下桩体复合地基破坏是由土体先破坏造成的, 而刚性基础下桩体复合地基破坏是由桩体先破坏造成的。桩体复合地基极限承载力大小与基础刚度有关。其他条件相同情况下, 刚性基础下复合地基比柔性基础下复合地基的极限承载力大。在应用式:Pcd=k1λ1mppf+k2λ2 (1-m) psf计算复合地基极限承载力时, 对刚性基础下复合地基, λ1=1.0 , λ2小于1.0;而对柔性桩基础下复合地基, λ2=1.0, λ1小于1.0。试验成果还表明:在相同的条件下, 柔性基础下复合地基的沉降比刚性基础下复合地基沉降要大。

柔性基础下桩体复合地基沉降较大的原因有两个方面:一是土中应力大, 二是桩会向上刺人像土堤这样的柔性基础。

为了提高柔性基础下复合地基桩土荷载分担比, 减小复合地基沉降, 可在复合地基和柔性基础之间设置刚度较大的垫层, 如灰土垫层、土工格栅碎石垫层等。不设较大刚度的垫层的柔性基础下桩体复合地基应慎用。

为了改善刚性基础下复合地基性状, 常在复合地基和刚性基础之间设置柔性垫层。柔性垫层一般为砂石垫层。设置柔性垫层可减小桩土荷载分担比, 同时可改善复合地基中桩体上端部分的受力状态。柔性垫层的存在使桩体上端部分中竖向应力减小, 水平向应力增大, 造成该部分桩体中剪应力减小, 这对改善低强度桩的桩体受力状态是非常有利的。设置柔性垫层可增加桩间土承担荷载的比例, 较充分利用桩间土的承载潜能。

刚性基础下复合地基桩土荷载分担比与设置的砂石垫层的厚度有关, 垫层愈厚, 桩土荷载分担比愈小。垫层厚度达到一定数值后, 继续增加垫层厚度, 桩土荷载分担比并不会继续减小。在实际工程中, 还需考虑工程费用。综合考虑, 通常采用300~500mm厚的砂石垫层。

摘要：本文通过对地基处理技术发展概况的分析, 概括说明了复合地基理论, 从而阐述了基础刚度和垫层对桩体复合地基性状影响。