龙门吊柜道软弱地基变形及加固的数值分析.pdf

第 3 6卷 第 1 期 2 0 1 1 年 2月 广西大学学报 自然科学版 J o u rna l o f G u a n g x i Un i v e r s i t y Na t S c i E d Vo 1 ． 3 6 No ． 1 F e b ． 2 0 1 1 文章编号 1 00 1 - 7 5 2 0 1 1 O 1 - 0 1 8 2 - 0 5 龙 门吊轨道软弱地基变形及加 固的数值分 析 王 忠昶 一， 杨庆 1 ．大连大学 辽 宁省复杂结构体系灾害预测 与防治重点实验室 ， 辽宁 大连 1 1 6 6 2 2 ； 2 ．大连理工大学 土木工程学 院岩土工程研究所 ， 辽宁 大连 1 1 6 0 2 4 摘要 为了获得滨海相沉积软土条件下轨道式龙门吊的地基的变形和加固参数 ， 采用有限元数值方法对龙门 吊走行轨天然及处理后地基在一定设计荷载下的沉降变形与承载能力进行了分析， 获得了考虑地基的沉降 变形量和强度要求的不同设计荷载下的地基加固处理后所需达到的相关力学参数。研究结果表明 随着地基 加固的增强 ， 龙门吊两端的沉降差逐渐减少， 地基的承载力也在逐渐增加。基础的左右边界附近均有一定量 的隆起 ， 在地基处理时 ， 有必要适 当扩大建筑基础 下地 基的处理范 围。 关键词 软弱地基 ； 沉 降； 数值计算 ； 变形模量 中图分 类号 T D 8 2 3 ． 2 文献标识码 A Nu m e r i c a l a na l y s i s o f d e f o r m a t i o n a n d r e i n f o r c e m e n t o f s o f t g r o un d f o r t he r a i l m o un t e d c o n t a i ne r g a nt r y c r a ne WA N G Z h o n g c h a n g 一．Y A N G Q i n g 1 ． K e y L a b o r a t o r y o f L i a o n i n g P r o v i n c e f o r P r e d i c t i o n＆C o n t r o l o n C o m p l i c a t e d S t r u c t u r e S y s t e m， D a l i a n Un i v e rsi t y，Da l i a n 1 1 6 6 2 2，C h i n a ； 2 ． I n s t i t u t e o f G e o t e c h n i c a l E n g i n e e r i n g ，S c h o o l o f C i v i l E n gi n e e ri n g ， D a l i a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， D a l i a n 1 1 6 0 2 4 ，C h i n a Abs t r ac t I n o r d e r t o o b t a i n t he d e f o r ma t i o n a nd c o n s o l i d a t e d p a r a me t e r s f o r t h e f o un d a t i o n o f t h e r a i l mo u n t e d c o nt a i n e r g a n t r y c r a n e o n ma rin e s o ft s o i l ，t h e s e t t l e me n t a n d b e a ring c a p a c i t y o f t h e n a t u r a l a n d c o mp o s i t e f o u nd a t i o n o f t h e r a i l mo un t e d c o n t a i n e r g a n t ry c r a n e u n d e r d e s i g n l o a d we r e a na l y z e d b y t h e f i n i t e e l e me n t me t ho d o n t h e b a s i s o f g e o l o g i c a l d a t a a n d f o u n d a t i o n t r e a t me n t ．Th e r e l a t i o n s h i p o f d e f o r ma t i o n mo d u l u s a n d f o u n d a t i o n b e a r i n g c a p a c i t y wa s o b t a i n e d b y c o n s i d e ri n g t h e s t r e n g t h o f t h e f o u n d a t i o n a n d t h e s e t t l e me n t ．I t wa s s h o wn t h a t t h e d i f f e r e n t i a l s e t t l e me n t d e c r e a s e s a n d t h e b e a ri n g c a p a c i t y o f f o u n d a t i o n w a s s t r e n g t h e n e d w i t h t h e i n c r e a s e o f g r o u n d s t r e n gth ．T h e r e wa s mu c h e mi n e n c e n e a r t h e l e f t a n d r i g h t bo u n d a ry o f b a s i s ．Th e t r e a t me n t r a n g e e x t e n s i o n o f f o u n - d a t i o n u n d e r t he b a s i s s h o u l d b e p r o pe r l y e x t e n d e d ． Ke y wo r d ss o ft g r o u n d；s e t t l e me n t ；n ume r i c a l c a l c u l a t i o n；d e f o rm a t i o n mo d u l u s 轨道式龙门起重机的应用是现代港 口集装箱装卸工艺发展方 向和趋势 ， 走行轨基础必须同时满足 承载力和变形的要求。滨海相沉积软土在沿海港 口广为分布， 软土地基承载能力低 ， 在荷载作用下地基 沉降变形大， 差异沉降也大。 目前地基沉降的理论分析方法主要有弹性力学法 、 以分层总和法为基 收稿 日期 2 0 1 0 -07 -02 ； 修订 日期 2 0 1 0 1 1 1 5 基金项目 国家自然科学基金资助项 目 5 1 0 0 9 0 1 5 ； 辽宁省教育厅科学技术研究资助项 目 L 2 0 1 0 0 3 8 通讯联系人 王忠昶 1 9 7 6 一 ， 男 ， 山东烟 台人 ， 大连大学讲师 ， 博 士 ； E - ma i l w a z o c h 1 6 3 ． e o m。 第 1 期 王忠昶 等 龙 门吊轨道软弱地基变形及加 固的数值分析 1 8 3 础的沉降计算方法 一 、 基于固结理论 的沉降计算方法 、 数值计算方法 、 曲线拟合法 、 反分析方 法 m 等。本文拟采用有限元数值方法对龙 门吊走行轨天然及处理后地基在一定设计荷载下的沉降变 形与承载能力进行 了分析 ， 获得考虑地基的沉降变形量和强度要求的不 同设计荷载下的地基加固处理 后所需达到的相关力学参数。 1 工程地质概况 新建集装箱中心站工程原地貌大部分为大窑湾海滩及海水淹没区， 现 已被填平 ， 场地 内大部地势平 坦 ， 根据现场勘探分析结果 ， 考虑地震液化范围， 选取典型钻孑 L 为钻孔 Z D 1 2 2， 钻孑 L Z D 1 2 2岩性特征 自 上而下分述如下 ①素填土。黄褐色 ， 潮湿， 2 ． 4 m以下为饱和， 松散 ， 主要由粉质黏土 ， 全风化板岩岩屑 及中粗砂组成。承载力特征值为 7 0 k P a 。②粉砂。灰黑色 ， 饱和， 松散 ， 主要 由粉质黏土 ， 全风化板岩岩 屑 、 淤泥及中粗砂组成。承载力特征值为 5 0 k P a 。③板岩。棕黄色 ， 全风化 ， 岩芯呈砂土状 ， 手捏易碎 ， 承载力特征值为 3 0 0 k P a 。龙门吊走行轨条形地基基础宽 3 m， 长度约5 0 0 m， 埋置深度 1 ． 8 m， 龙门吊每 侧有 8个轮 ， 吊重 W1 6 0 t ， 跨度 L 6 0 m， 高度 日 2 0 m， 天车重 W 26 t ， 6 5 t 龙门吊行走台车最大轮 压 P ⋯ 2 5 3 k N， 现场实际情况 ， 龙门吊最大负重仅 4 0 t ， 故取计算轮压 P 2 0 0 k N， 考虑龙门吊框 架和集装箱的自重 3 0 t 、 基础及上覆土体 自重 ， 取基底最大压力 为 1 0 0 k P a ， 根据龙 门吊稳定性的要 求 ， 基础沉降应控制在 3 0 c m， 基础 的倾斜 应控制 在 0 ． 2 ％ ， 考虑 一定安 全 系数， 假定 地基 土上承受 1 5 0 k P a 的压力 ， 来获得地基 的承载及变形值以及需要加固处理后达到的力学参数。 2 走行轨软弱地基的承载性能及加 固效果数值分析 2 ． 1 数值模型建立与参数选取 Z D 1 2 2各土层情况与参数见表 1 。模拟计算中采用 2 D模型 ， 计算模型中按最危险情况将地基及龙 门吊简化为荷载 1 8 0 k P a 作用到地基上， 采用分级加载方式 ， 取整个计算域 2 0 0 m， 深度按实际深度 ， 基 础附近加固区取为 7 m， 模型左右采用水平约束 ， 竖向可以 自由移动 ， 底边界采用 固定约束 ， 其有 限元简 化模型如图 l 所示 。 表 1 地基 Z D I 2 2 土层计算参数 T a b ． 1 P a r a me t e r s o f s o i l l a y e r s Z D 1 2 2 1 天然地基 2 加 固地基 图 1 Z D1 2 2钻孑 L 剖面有 限元计算模 型 Fi g． 1 Fi ni t e e l e me nt mod e l o f ZD1 22 bo r e ho l e pr ofil e 1 8 4 广西大学学报 自然科学版 第 3 6卷 2 ． 2屈服准则的确定 对于岩土等非线性材料本文使用 D r u c k e r p r a g e r 屈服 准则 ， 其屈服面并不随着材料 的逐渐屈服而改变 ， 没有强 化准则 ， 其屈服强度随着侧限压力 的增加而相应 的增加 ， 其塑性行为被假定为理想弹塑性 ， 屈服准则的表达式为 r 1 1 1 t F 3 卢 I 1{ S } [ ] { ．s } l 。 一 0 。 1 二 当材料参数 卢， 给定后 ， 其屈服面是一圆锥面， 此 圆锥面是六 角形 的 Mo h r ． c o u l o m b屈服面 的外切锥 面， 如 图 2 所 示 。 2 ． 3 地基土体的沉降及承载能力分析 2 ． 3 ． 1 地 基 土体 的沉 降变形分析 图 2 Mo h r - c o u l o mb和 Dr u c k e r - p r a g e r 屈服面 F i g ． 2 Yi e l d i n g s u r f a c e o f M o h r - c o u l o mb an d Dr u c ke r - pr a g e r l aws 图 3给出不同加 固工况下龙 门吊走行轨的地基沉降云图， 由图 3可见 ① 最大下沉量位于荷载作用中心， 以载荷作用中心呈轴对称状分布 ， 外载荷的作用下 ， 土体的表层 形成一个压缩区， 形状上呈漏斗状 ， 土体有压密的现象 。在此压缩区范围内， 土体 的位移沿径向逐渐向 两侧衰减， 在轴向上位移随着深度的增加而递减 ， 形成了一个类似的下沉盆地。 ② 龙门吊走行轨地基的加载载荷 的位移影响深度达到下面的软土层。荷载作用的左右边界附近 均有一定量的隆起 ， 由于地基沉降对其 附近挤压产生隆起 ， 周围的地面有 向两边排挤 的趋势， 该处也是 地基较薄弱 、 较容易破坏的地方。因此 ， 在地基处理时， 有必要适当扩大建筑基础下地基的处理范围。 1 天然地基，加载 8 0k P a 2 加固工况 1 ，1 2 0k P a 一- 31 9 80 3 一 ．28 2 4 41 一 ．245 07 9 一 ．2 07 7l 7 一 ．1 70 3 5 6 一 ．】 3 2 9 9 4 ． ．0 95 63 2 一 ．0 58 27l 一 ．0 20 9 0 9 ．0l 64 53 3 加固工况 2 ，1 4 0 k P a 4 』 J 口 崮工况 3 ，1 5 0 k P a 图 3 不 同加 固工况下加载时地基的竖向沉降云图 单 位 m F i 3 V e r t i c a l s e t t l e me n t o f t h e g r o u n d i n d i ff e r e n t c o n s o l i d a t e d c a s e u n d e r s t e p l o a d s U n i t m 2 ． 3 ． 2 地 基 剪切 破坏 分析 图4给出不同加 固工况下龙 门吊走行轨的地基土层剪应力云图， 由图4可见 龙门吊走行轨的地基 土层中剪切应力以载荷作用中心呈对称分布， 并且随着加载载荷值的增大其值逐渐增大 ， 并且向地基 的 两侧扩展， 范围逐渐增大。根据屈服准则 ， 随着地基加同的增强， 地基的抗剪强度逐渐增大 ， 而地基中的 剪损范围逐渐减少 。 394O 5 6 7 8 6 7 3 849 5O 3 22 O0999 0 369 2 5 703 3 如 ” 叭 I 口团 囹口 口豳 一 6 6 6O5 O 5O 5926936033 83949 5O6 3 529 742O757 加“ 叫叫 ． 1． ．． 1 ． - ． 一． _． I ． 1 ． ． 20 8 7 5 3 984 2 693 7 582 3 85 3O 85202 l8642 9 7 5 39 6 7 394O62 32211l000 ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● _ 一 一 一 ． 一 一 一 - 第 1 期 王忠昶等 龙 门吊轨道 软弱地基变形 及加固的数值分析 1 8 5 1 天然地基，加载8 0 k P a 曼 - 3 ； 96 1 8 42 5 1 1 0 5 5 圉 3 6 8 5 3 685 I L - - - 1 1 1 05 5 1 8 4 2 5 圈 I 32 3 5 69 ； 2 加固工况 1 ，1 2 0k P a 一- z 吕一 ． 口 囝 口 目 I； 371 8 4 4 3l 7 7 9 0 26 3 2 63 7 90 31 7 8 4 4 3 7l 3 J J u 固工况2 ，1 4 0 k P a 4 』 J u 阑工}兑3 ，l 5 0 k P a 图 4 不 同加 固工况下加载 时地基 的剪应 力云 图 单位 P a F i g ． 4 S h e a r s t r e s s o f t h e g r o u n d i n d i ff e r e n t c o n s o l i d a t e d c a s e u n d e r s t e p l o a d U n i t P a 2 ． 3 ． 3地 基 土体 的沉 降差及 承载 力分析 图5给出了 Z D 1 2 2钻孑 L 剖面处地基分级加载 的 p - s 曲线 ， 得到 1 5 0 k P a荷载作用下天然地基 、 经处理 后土层变形模量分别为 8 、 1 0 、 1 2及 1 5 M P a后的沉降 变形情况 。同时以 3 0 k P a应力差 集装箱的 自重 为 依据， 通过计算龙 门架两端 的沉降差 ， 来验算其局部 倾斜值是否在规范范围内， 如表 2所示。可见 随着地 基加 固的增强 ， 龙 门吊两端的沉降差逐渐减 少 ， 并且 当集装箱偏在一侧时， 龙门吊两侧 的倾斜值也逐渐在 减少 ， 而随着加 固的增强 ， 地基 的承载力也在逐渐增 加。考虑到工后沉降要求及数值计算与实际情况 的 0 ．0． 1 、． 0 ． 2 鞋 基 ‘ 0 ． 3 ； 一0 ． 6 分级加载应力／ k P a 30 5 0 70 9 0 1 l 0 1 3 0 1 5 0 l 7 0 图 5 Z D1 2 2钻子 L 剖面处地基分级加载 的 p - s曲线 Fi g ． 5 The P- S c ur ve of t he g r o und a t ZD1 2 2 d r i l l hol e unde r s t e p l oa d 差异 ， 取数值分析中沉降量在 3 0 c m左右对应那一级荷载作为地基承载力特征值 ， 并 由此进一步得到龙 门吊走行轨地基在处理后要取得相应的地基承载力特征值 ， 地基的变形模量同时满足表 2所示的要求。 考虑到实验室由压缩试验得到的压缩曲线确定的模量一般 比现场原位试验得到的值要小得多 ， 综合有 限元数值分析结果与分层总和法计算结果 ， 可以认为地基处理应满足表 2所示的要求。 表 2 不 同变形模量时的倾斜值 与地基承载 力 Tab． 2 i nc l i n e d va l u e a nd g r o und be a r i ng c apa c i t y unde r d i ffe r e nt de f o r mat i on m o dul us 3 结语 采用有限元数值方法对龙门吊走行轨天然及处理后地基在一定设计荷载下的沉降变形与承载能力 进行了分析 ， 得到以下结论 ① 龙门吊走行轨的地基最大下沉量位于荷载作用中心 ， 以载荷作用 中心呈轴对称状分布 ， 土体 的 8 3 8 3 8 8 3 8 3 8 5 2 8 5●l 8 2 5 6 6 5 5 5 5 2 7 2 7 2 2 7 2 7 2 l 口 口 口 圈 口 口 口 1 0 7 3 O 7 7 O 3 7 O 6 4 3 0 O 2 3 4 6 2 6 0 8 8 4 0 6 2 4 6 9l 3 3 9 6 4 3 2 1 i 2 3 - 口 口 口 口 口 口 口 l 1 8 6 广西大学学报 自然科学版 第 3 6卷 表层形成一个压缩 区， 形状上呈漏斗状 ， 土体有压密的现象。在此压缩区范围内， 土体 的位移沿径向逐 渐向两侧衰减 ， 在轴向上位移随着深度的增加而递减 ， 形成 了一个类似的下沉盆地。 ② 随着地基加固的增强 ， 龙门吊两端的沉降差逐渐减少 ， 并且当集装箱偏在一侧时 ， 龙门吊两侧的 倾斜值逐渐减少 ， 随着加固的增强 ， 地基的承载力也在逐渐增加 。龙 门吊走行轨的地基土层中剪切应力 以载荷作用 中心呈对称分布， 并且随着加载载荷值的增大其值逐渐增大 ， 并且 向地基 的两侧扩展 ， 范围 逐渐增大。根据屈服准则 ， 随着地基加固的增强 ， 地基的抗剪强度逐渐增大， 而地基 中的剪损范围逐渐 减少 。 ③ 通过对龙门吊走行轨地基的有限元数值分析 ， 在充分考虑沉降变形和地基强度的基础上得到不 同变形模量与地基承载力之间的关系。基础的左右边界附近均有一定量的隆起 ， 该处也是地基较薄弱 、 较容易破坏的地方 ， 因此 ， 在地基处理时， 有必要适 当扩大建筑基础下地基 的处理范围。 参考文献 『 1 ] 张海霞 ．地基沉降量计算方法的探讨 [ J ] ．中国高新技术企业 ， 2 0 0 9 2 1 1 4 6 1 4 7 ． [ 2 ] 付红梅 ．浅谈地基沉降的单向压缩分层总和法[ J ] ．山西建筑， 2 0 0 8 ， 3 4 8 1 3 9 1 4 0 ． [ 3 ] 郭喜斌 ．地基沉降计算分析[ J ] ．山西建筑， 2 0 1 0 ， 3 6 9 1 1 8 1 1 9 ． [ 4 ] 赵明华，杨明辉， 刘煜， 等．软土路基固结沉降机理及其预测方法研究[ J ] ．铁道科学与工程学报 ， 2 0 0 5 ， 2 4 l 6． 2 0． [ 5 ] 郭丰永 ， 史宇 ．高速公路软土地基沉 降的 F L A C 3 D数值模拟 [ J ] ．天津城市建设学院学报，2 0 0 5 ，1 1 4 2 03 2 06． [ 6 ] 韩永强， 魏俊，温雄 ．分层总和法计算地基沉降缺陷的改进[ J ] ．西安工业学院学报， 2 0 0 5 ， 2 5 3 2 7 1 2 7 3 ． [ 7 ] 赵明华， 刘煜，曹文贵 ．软土路基沉降变权重组合 s型曲线预测方法研究 [ J ] ．岩土力 学， 2 0 0 5 ，2 6 9 1 4 4 3一 l 4 4 7． [ 8 ] 刘吉福 ．沉降速率与剩余沉降的关系f J ] ．广西大学学报 自然科学版， 2 0 1 0 ， 3 5 1 1 9 3 1 9 8 ． 『 9 ] 冯震，王娜，王连俊 ． 沉降组合预测模型研究及其应用[ J ] ． 北京交通大学学报 ， 2 0 0 8 ， 3 2 1 2 9 - 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