上拔條件下擴(kuò)底基礎(chǔ)碎石土地基破壞特征分析

安占禮

(三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北宜昌 443002)

0 引言

擴(kuò)底基礎(chǔ)是指以混凝土和鋼筋骨架灌注于機(jī)械或人工掏挖成型的土胎內(nèi)的基礎(chǔ)。它是以天然土構(gòu)成的抗拔土體保持基礎(chǔ)的上拔穩(wěn)定，能充分發(fā)揮原狀碎石土良好的抗剪抗側(cè)性能，具有良好的抗拔能力。由于受到較大上拔荷載作用，擴(kuò)底基礎(chǔ)地基土體會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞，為獲得其在上拔作用下的破壞特征，本文基于彈塑性理論，采用有限差分方法，對(duì)碎石土地基土體在擴(kuò)底基礎(chǔ)經(jīng)歷上拔荷載作用下的破裂形態(tài)進(jìn)行數(shù)值分析。分析成果可為碎石土場(chǎng)地?cái)U(kuò)底基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 理論與方法

擴(kuò)底基礎(chǔ)材料為鋼筋混凝土，其在上拔過(guò)程中的變形為線性彈性變形，因此對(duì)擴(kuò)底基礎(chǔ)的變形分析采用彈性理論進(jìn)行。由于碎石土場(chǎng)地?cái)U(kuò)底基礎(chǔ)相對(duì)較淺(一般都小于7 m)，其彈塑性本構(gòu)模型采用理想彈塑性本構(gòu)模型［1］。擴(kuò)底基礎(chǔ)地基土體采用的屈服準(zhǔn)則是廣義米賽斯準(zhǔn)則(Drucker-Prager準(zhǔn)則)與莫爾—庫(kù)侖準(zhǔn)則［2］。地基土體與基礎(chǔ)接觸面本構(gòu)模型采用無(wú)厚度的接觸面模型［3］。本文采用 FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua，連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日分析方法)方法［4］對(duì)上拔荷載作用下的擴(kuò)底基礎(chǔ)碎石土地基土體變形破壞計(jì)算進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 擴(kuò)底基礎(chǔ)尺寸

擴(kuò)底基礎(chǔ)尺寸與荷載施加方向示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 擴(kuò)底基礎(chǔ)尺寸示意圖

2.2 數(shù)值網(wǎng)格

擴(kuò)底基礎(chǔ)及地基的數(shù)值計(jì)算模型范圍為:20m×20 m×20m，擴(kuò)底基礎(chǔ)與土層單元均采用8節(jié)點(diǎn)六面體等參單元進(jìn)行劃分。數(shù)值網(wǎng)格模型共劃分255 042個(gè)單元，267 355個(gè)節(jié)點(diǎn);本次利用FLAC3D程序最終建立的模型以及選取的坐標(biāo)系統(tǒng)如圖2所示。

2.3 計(jì)算參數(shù)

依據(jù)碎石土場(chǎng)地地質(zhì)勘查報(bào)告，本文采用的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 擴(kuò)底基礎(chǔ)及碎石土地基數(shù)值網(wǎng)格

表1 擴(kuò)底基礎(chǔ)及碎石土地基物理力學(xué)參數(shù)

2.4 邊界條件

根據(jù)擴(kuò)底基礎(chǔ)的受力特征，對(duì)數(shù)值網(wǎng)格模型的4個(gè)側(cè)面及底面采用固定約束，土體上表面為自由邊界，擴(kuò)底基礎(chǔ)頂施加上拔荷載。

2.5 計(jì)算結(jié)果分析

采用文獻(xiàn)［5］中的極限平衡狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)碎石土場(chǎng)地?cái)U(kuò)底基礎(chǔ)在上拔荷載作用下破壞特征數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。極限平衡狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)為:1)地基土體出現(xiàn)明顯的位移分界面;2)地基土體出現(xiàn)連續(xù)貫通的塑性破壞區(qū)。在對(duì)擴(kuò)底基礎(chǔ)在上拔荷載作用下進(jìn)行數(shù)值模擬過(guò)程中，上拔荷載由500 kN逐漸增大到2 250 kN，當(dāng)施加的上拔荷載為2 250 kN時(shí)，擴(kuò)底基礎(chǔ)地基土體達(dá)到極限平衡狀態(tài)，其位移分布和塑性區(qū)分布圖如圖3，圖4所示。

圖3 擴(kuò)底基礎(chǔ)地基土體位移分布圖

圖4 擴(kuò)底基礎(chǔ)地基土塑性區(qū)分布圖

由圖3可以看出，擴(kuò)底基礎(chǔ)周?chē)鼗馏w出現(xiàn)了明顯的位移分界面，分界面上部地基土體與分界面下部地基土體有一定的位移差，說(shuō)明擴(kuò)底基礎(chǔ)地基在位移分界面處出現(xiàn)了錯(cuò)動(dòng)且出現(xiàn)整體滑移破壞。由圖4知，擴(kuò)底基礎(chǔ)周?chē)馏w單元全部出現(xiàn)塑性破壞且塑性破壞區(qū)全部貫通，說(shuō)明在上拔極限荷載作用下擴(kuò)底基礎(chǔ)地基土體出現(xiàn)整體破壞。

根據(jù)對(duì)上拔荷載作用下擴(kuò)底基礎(chǔ)地基土體破壞過(guò)程數(shù)值計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行分析，可認(rèn)為擴(kuò)底基礎(chǔ)地基土體的位移分界面為其在上拔荷載作用下的破壞面(見(jiàn)圖5)。由圖5可以看出，擴(kuò)底基礎(chǔ)地基土體破壞面由基礎(chǔ)底部延伸到地基土體表面且呈軸對(duì)稱(chēng)分布，與國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)研究獲得的擴(kuò)底基礎(chǔ)抗拔樁的破壞面的趨勢(shì)相符合［6，7］。

圖5 擴(kuò)底基礎(chǔ)地基土體1—1剖面處破壞面

3 結(jié)語(yǔ)

1)應(yīng)用FLAC軟件對(duì)上拔荷載作用下碎石土場(chǎng)地?cái)U(kuò)底基礎(chǔ)地基土體破壞形態(tài)進(jìn)行計(jì)算分析可知，其在上拔荷載作用下地基土體破壞面由基礎(chǔ)底部延伸到地基土體表面且呈軸對(duì)稱(chēng)分布。

2)通過(guò)FLAC軟件對(duì)上拔荷載作用下碎石土場(chǎng)地?cái)U(kuò)底基礎(chǔ)地基土體破壞形態(tài)特征進(jìn)行數(shù)值分析，獲得其破壞形態(tài)特征與前人研究結(jié)論相符合，說(shuō)明可以應(yīng)用FLAC軟件對(duì)碎石土場(chǎng)地?cái)U(kuò)底基礎(chǔ)地基土體進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

［1］ 龔曉南.土塑性力學(xué)［M］.杭州:浙江大學(xué)出版社，1999.

［2］ 鄭穎人，陳祖煜，王恭先，等.邊坡與滑坡工程治理［M］.北京:人民交通出版社，2007.

［3］ 羅先啟，劉德富.西北口面板堆石壩面板溫度應(yīng)力分析［A］.第六屆全國(guó)水利水電工程青年學(xué)術(shù)詞論會(huì)論文集［C］.北京:水利水電出版社，1995.

［4］ 張振華.深切河谷岸坡開(kāi)挖過(guò)程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警方法研究［D］.武漢:中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，2008.

［5］ 崔 強(qiáng)，張振華，魯先龍，等.擴(kuò)底基礎(chǔ)上拔土體破壞模式及滑動(dòng)面特征研究［J］.金屬礦山，2010(413):161-164.

［6］ Meyerhof，Adams.The Ultimate UP lift Capacity of Foundation［J］.CanGeoteehJ，1968，5(4):225-244.

［7］ 茜平一，劉祖德.淺埋斜錨板板周土體的變形破壞特性［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，1992，14(1):62-66.