载也呈一次线形分布 ,给实际仍然带来不便 ,所以现
以图 3 为基础提出托梁上荷载分布形式为阶梯形 ,
图 3 托梁沿 z 轴的应力曲线
三种不同荷载分布形式的托梁内力图如图 5 所 示 。从图中可以看出 : 31211 剪 力
剪力分布形式大致相同 , 最大值出现在桩轴线 上 ,以均布荷载的最大 , 为 3 300kN , 另外两种约为 3 000kN 。 31212 弯 矩
水电站设计
第
21
卷
第
3
期
D H P S 2005年9月
桩基托梁挡土墙结构托梁内力的合理计算
刘 黎 ,何昌荣 ,谯春丽 ,孙丽梅
(四川大学 水利水电学院 ,四川 成都 610065)
摘 要 :采用三维有限元计算了岩基情况下桩基托梁挡土墙结构托梁上的应力分布 ,提出了托梁上应力分布的新假设 。通过对计 算结果的分析比较 ,指出了在托梁设计中应注意的问题 。 关键词 :挡土墙 ; 桩基托梁 ; 内力计算 ; 有限元法 中图法分类号 :U417111 ; TU47311 文献标识码 :B 文章编号 :1003 - 9805 (2005) 03 - 0026 - 03
4 结 论
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图 4 托梁上荷载分布简化 (kPa)
图 5 托梁内力
(1) 在岩基情况下 , 托梁上应力集中较为明显 , 因此应考虑局部加强托梁或调整结构的连接形式与 尺寸 。
本次 研 究 的 桩 基 托 梁 挡 土 墙 结 构 的 挡 墙 高 12m ,上下墙墙高比 4∶6 ,由浆砌块片石组成 ; 托梁厚 度 016m ,由钢筋混凝土组成 ; 桩是人工挖孔灌注的 钢筋混凝土桩 , 尺寸为 115m ×2m 。对整个结构取 一跨 10m 长为研究对象 , 墙前地面为水平 , 墙后填 土水平 ,没有考虑墙后水压力 。计算简图见图 1 。
共划分了 22 867 个节点 , 20 580 个单元 。各材料的 物理力学计算参数见表 1 。
表 1 各材料物理力学参数
参数
挡土墙
托梁
桩
填土 基岩
E/ kPa
110 ×107 310 ×107 310 ×107
μ
0123
012
012
γ/ kN·m - 3
23
25
25
19
23
</ (°)
25
35
适当减薄托梁的厚度 ,达到节约工程成本的目的 。 (3) 桩基与托梁的连接简化为固端结构更符合
工程的情况 ,计算的弯矩较铰支座小 。
参考文献 :
[1 ] 魏永幸 1 内昆铁路岩堆路基工程技术研究 [ J ] 1 铁道勘察 , 2004 , (2) :27 - 301
[ 2 ] 张学岩 1 岩土塑性力学[ M ]1 北京 :人民交通出版社 ,19931
(2) 托梁顶部的压应力并非常规计算中的均布 分布 ,而是呈曲线分布 , 其分布规律大致为 : 在两桩 头对称的位置应力集中明显 ,达到最大值 ,往两边逐 渐减小 ,在跨中趋于零 。可将其简化为一次曲线 (折 线三角形) 或常数 (阶梯形) ,较均布分布更符合实际 情况 ,据此计算的托梁剪力和弯矩明显减小 ,因此可
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三角形荷载的两个极值弯矩均为最小 , 分别为 1 875kN·m 和 458kN ·m , 阶梯形荷载的两个极值弯 矩分别为 2 021kN·m 和 728kN·m , 均布荷载的两个 极值弯矩分别为 2 200kN·m 和 2 750kN·m 。
可见 , 桩基托梁结构的内力计算简图对托梁内 力影响很大 。依据工程实际情况和上述分析认为 , 桩基托梁作为固端 ,托梁荷载以总荷载为基准 ,分布 形式以三角形或阶梯形更合理 ,相比而言 ,阶梯形更 简单 。
图 2 托梁正应力分布 (MPa)
简化图如图 4 (b) 所示 ; 而在实际工程中 , 为了方便 , 常把托梁上的荷载以总荷载为基准简化为均布荷 载 ,桩基托梁连接简化为铰支座 (见图 4 (c) ) 。
图 1 计算简图 (cm)
托梁顶面与底面的正应力分布见图 2 (a) 、( b) 。
从图中可以看出 , 托梁顶面的正应力最大值出现在
2 计算模型及计算参数
211 有限元计算范围及模型 采用“ANS YS”有限元分析软件对结构进行计
算 。以托梁顶部 0 点 (如图 1 所示) 为原点 , 以一跨 10m 作计算 , 挡墙后填土取 16m 宽 、挡墙前地基取 12m 宽 、桩基以下地基取 10m 深作为计算范围 。在 结构离散中 , 所有实体单元均采用 8 结点 SOLID45 六面体单元模拟 。在挡土墙和其后填土之间设置了 面 - 面接触的接触面单元 ,挡土墙被当作“目标面”, 用 TARGE170 模拟 ; 填土被当作“接触面”, 用 CON2 TAC174 来模拟 。计算域除了地基地面和填土边界 是三向约束外 ,其余边界切开面均取法向位移约束 。
σ2 = - z + 415 (2 ～ 5m)
(4)
σ3 = + 1215 (8 ～ 10m)
桩基与托梁的连接简化为固端 , 荷载的简化如
图 4 (a) 所示 。基于图 2 托梁顶部应力分布情况 , 大
部分墙底压力都集中在桩基附近 , 图 4 (a) 简化的荷
中较为明显 。
312 托梁上的剪力和弯矩
为了计算托梁上的剪力和弯矩 , 在托梁顶面正
应力分布图上沿 x 方向切出几条与 z 轴平行的分布
曲线 (如图 3 所示) , 以应力最大的曲线为基础简化
托梁上的竖向分布荷载 , 并用以下分段函数模拟该 应力曲线 (σ表示托梁上的正应力) :
σ1 = 1125 z (0 ～ 2m)
3 成果分析
311 托梁上的应力
收稿日期 :2004 - 11 - 12 作者简介 :刘 黎 (1982 - ) ,女 ,重庆人 ,硕士研究生 ,研究方向为岩土工程 。
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α, k ———与材料摩擦系数 tanφ和凝聚力
C 有关 ,由下式计算 :
α = tanφ/ 9 + 12tan2φ
(2)
k = 3 C/ 9 + 12tan2φ
(3)
213 荷 载
分析中考虑了墙身重力和挡土墙上的列车荷
载 ,将列车荷载换算成 316m ×314m 的土柱作用于
墙后填土表面 。
C/ kPa
25 1 000
212 弹塑性计算模型
本次计算分析采用理想弹塑性模型 。按常用的
Druker - Prager 屈服准则[2] 判断材料是否进入塑性
状态 :
f ( I1 , J 2) = J 2 - αI1 - k
(1)
式中 I1 和 J2 ———分别为应力张量的第一不变量 和应力偏张量的第二不变量 ;
1 前 言
桩基托梁挡土墙结构是铁路交通等工程中广泛 应用的一种支挡结构形式[1] 。一般情况下挡土墙长 度非常大 ,如能减薄托梁厚度 ,将大大降低成本 。在 实际工程中 ,常把托梁上的应力分布简化为均布荷 载形式 ,桩基与托梁之间的连接简化为铰支座 ,这种 简化方式不甚合理 。本次研究的目的是要模拟出托 梁上的受力情况 ,提出托梁的合理受力模式 。
桩基支承部位 , 位置靠近墙后 ( 填土侧) , 量值达到
218MPa ,应力向四周逐渐扩散降低 , 靠近墙前趋于
零 ,两桩之间的应力从桩往中间逐渐减小 。
托梁底面与顶面的正应力分布趋势总体上基本
一致 ,但量值比顶面大 ,最大正应力达到 415MPa , 两
桩之间有一较大范围应力为零的区域 。托梁应力集