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碎石桩复合地基作为复合地基的一种主要形式,在土木工程建设中应用广泛。由于其可以应用于多种工程地质条件下,处理分析就存在着多样性,复杂性,易变性。数值模拟在最近几年普及应用,在分析工程诸多问题中也表现了极其重要的作用。本文着重在数值模拟方面对碎石桩复合地基加固性能研究分析,就某地码头料场堆载的具体工程实际,分别从其稳定性及沉降方面考虑,使用有限差分与有限元加以模拟。
有限差分与有限元数值模拟方法分属数值模拟两大主要方面,各有优劣。对于模拟桩土相互作用,孔压作用,有限差分更适用一些,所以主体应用有限差分方法分析研究目标的稳定性特点。本文分析对象码头料场地处长江河漫滩Ⅰ级阶地,工程地质条件复杂,场地范围大,影响因素多样,若使用一种数值模拟方法,即使从局部到整体研究,也偏于片面化,不足以反映场地的具体工程状况。同时选用了有限元方法加以辅助。
本文首先就碎石桩复合地基的基本理论及应用方法加一介绍。分析场地采用堆载预压方法加固软弱地基。排水减压,复合受荷,极大的提高了地基的承载稳定能力。碎石桩复合地基理论分析方法接近成熟,具体应用也很成功,采用数值方法也成为了其分析的一个重要方面。
在用有限差分数值方法分析的过程中,从三个方面求解模拟,分别为:流固耦合,稳定系数,整体稳定。流固耦合是工程分析中的一个难点,处理难度大,运算强度高,但是也是工程实际中普遍存在的问题,除了在受孔压影响不大的情况下,一般都应着重分析。在码头料场堆载预压的方式下,排水减压是产生作用的主要方面。联系桩体与上铺垫层组成的三维排水通道,分析场地在堆载作用下流固耦合作用效果,具体得出孔压特性及桩体特性。同时得到的沉降数据也可以同原始数据及有限元模拟结果对比,验证结果的可靠性。场地堆载体近似坡体,可以应用强度折减法求解其安全系数。安全系数是评定边坡稳定的一个主要方面,对于坡型堆载体也可使用。在稳定系数求解方法中存在的圆弧条分法,对于场地稳定性也有计算数据,两者对比分析也证实了折减法使用的可行性。
在局部分析的基础上,以场地整体建模。有限差分方法分析整体模型,侧重于料场在堆载作用下的稳定性。在结果中得到作用下的水平,垂向位移云图及场地的弹塑状态图。分析得到场地在堆载预压下表现是稳定的,仅局部存在危险性。有限元方法分析整体模型,侧重于料场在堆载作用下的沉降性。在堆载的沉降云图中,依然可以判断料场场的稳定特性,得到了同有限差分方法相似的结果。
本文有限差分与有限元应用分别使用的是FLAC3D与ANSYS软件。两种软件在数值模拟软件行业中均有着举足轻重的地位,皆在于其适用性及可靠性。有限差分方法理论上存在着隐式与显式的分类,并且适用范围与精确度也有差异。在有限差分分析章节中,专门对于收敛性及精度稍加论述。FLAC3D原义为显式有限差分程序,在使用中却有隐式的应用。而不同的方案往往会导致不同的结果。ANSYS应用在复合地基方面,一般选取的本构模型为DP模型。在有限元章节中对此模型也略加介绍。
在码头料场的加固效果分析中,使用两种数值模拟方法,希望可以相得益彰,让问题处理更全面。沉降分析中,分别得出预测沉降数值。结果间存在差异,也恰是分析方法的差异。各预测沉降数值与实际监测结果对比,相对误差均保持在20%以内,同时分析了误差存在的原因。最终对本文研究难以解决的问题在最后加以指出,以期日后得以完善。