地基上水闸闸室结构性稳定分析研究

李岩磊

(安徽省水利水电工程检测有限公司,合肥 230022)

0 引 言

建在地基上的水闸闸室稳定包括闸室和地基两个方面:一是在各种计算情况下,闸室不会沿地基表面滑动;二是闸室的基底压力不超过地基容许承载力,且地基中不出现过大的沉降差,防止由于剪切破坏而使地基失去稳定。当不能满足上述要求时,则应采取相应的工程措施,以保证闸室的稳定。水闸地基的变形、渗流、地基处理等,对闸室结构位移、应力、闸室稳定有着重要的影响作用。因此,研究水闸地基与闸室结构之间的关系并总结其规律十分重要[1]。

地基的变形模量通常会影响到闸室结构的沉降和应力,土的变形模量在实际勘测中是重要的物理力学指标,经常用于判断土的特性如土的压缩性,或用于计算地基变形[2]。混凝土弹性模量的定义为:在荷载作用下混凝土构件应力与应变的比值,是混凝土构件在承受荷载作用或受到灾害影响后,分析结构力学特性的重要参数。同时,混凝土弹性模量也被用来评价混凝土耐久性及安全性[3]。因此,研究地基变形模量与混凝土弹性模量对闸室结构应力变化规律的影响,有着十分重要的意义。

为了提高闸室结构的稳定性,本文建立三维有限元模型,分析天然地基和复合地基水闸闸室的应力沉降,设定μ为地基变形模量与闸室混凝土弹性模量比,分析不同μ值对闸室沉降应力的影响。同时,分析渗流-应力耦合作用下,土体材料参数和渗流条件对闸室的安全稳定性产生的影响。

1 工程概况

某水闸位于河道东侧,闸室净宽16m,为钢筋砼整体坞式结构,采用升卧式平面钢闸门。节制闸底板顺水流向长14.0m,垂直水流向18.2m,底板厚1.80m,底板顶面高程0.00m。根据防洪水位和超高要求,闸门顶高程7.20m,闸门平卧后底高程9.35m。闸室持力层在中、重粉质壤土上。作用在闸室上的荷载有以下几个类型:固定荷载、回填土荷载、水荷载。该水闸处于地震烈度为7度,地震加速度值为0.10g,故需进行抗震复核,地震荷载通过Abaqus软件中的质量加速度施加,在质量结构上施加加速度荷载。将原点设置底板顶与闸墩的交界点,顺水流方向为X轴,指向下游为正;垂直水流方向为Y轴,指向左侧闸墩为正;竖直方向为Z轴,向上为正[4]。闸室和地基整体模型简图见图1。

图1 闸室和地基整体模型简图

由图1可知,顺水流方向取3倍闸室宽度,为42.0m;垂直水流方向取3倍闸室长度,为54.6m;地基深度为30m。设定地基土体料为弹塑性材料,闸室与桩体为线弹性材料,以上材料满足摩尔-库仑屈服准则。

2 地基变形和渗流对闸室结构性态影响

2.1 地基变形对闸室结构性稳定的影响

地基变形是指地基在水闸闸室上部荷载作用下,岩土体被压缩而产生的相应变形。若地基变形量过大,将会影响水闸闸室的正常使用,甚至危及水闸闸室的安全。地基变形特征表现为水闸闸室的沉降量、沉降差、倾斜和局部倾斜等,这些数值都不应大于地基的容许变形值,该值是根据水闸闸室上部结构对地基变形的适应能力和使用上的要求来确定的。当地基承载力不满足要求或沉降超过允许值时,改良土壤、加固地基、控制沉降、加深埋深、加设地基加固桩等均可以提高地基承载力。闸室上部结构承受各种外部荷载,然后传递给承台,承台再把受到的力分配到桩群,继而传递到承载力较强的地基土层中。

为了改善地基的抗荷载性能,提高施工质量,可以采用复合地基。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(天然地基土体或被改良的天然地基土体)和增强体两部分组成的人工地基。在荷载作用下,基体和增强体共同承担荷载的作用。复合地基具有节约造价、强度高、工艺简单、抗震性高等优点,并且在提高闸室稳定安全系数中有着较为明显的效果。

分析闸室部分、地基土和桩群各部分之间的相互影响,有助于相互协调实现作用[5-6]。研究各部分之间较为复杂的相互作用,采用有限元法。其基本原理是将整体的结构离散为许多单元,用单元集合来代替原结构,单元内的真实场变量用相近的函数来表示,从而给出离散模型的解析。有限元法分析计算的思路和做法可归纳为:物体离散化、选择位移模式、分析力学性质、等效节点力。物体离散化后,假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元。但对于实际的连续体,力是从单元的公共边传递到另一个单元中去的。因而,这种作用在单元边界上的表面力、体积力和集中力都需要等效的移到节点上去,也就是用等效的节点力来代替所有作用在单元上的力。

以某水闸为例,研究通过有限元分析软件Abaqus,对不同地基参数的天然地基和复合地基水闸的位移、应力进行分析,并对参数改变前后闸室结构应力位移进行对比。地基变形模量与闸室混凝土模量是影响闸室结构安全系数较为重要的参数,因此改变这些变量,闸室结构的应力沉降也会改变。通过改变地基变形模量与闸室混凝土模量的比值,来研究闸室结构沉降对该比值的敏感性[7]。

2.2 地基渗流对闸室结构性稳定影响

地基渗流可能会改变土体的重力特性,导致土体内部的水力压力增加,引起土体的溶解和流失,从而影响水闸闸室结构性稳定。当土体有水头差存在时,地基中的水就会沿着孔隙流动,流动的水就会产生动水压力,这种动水压力就是渗透体积力[8]。渗透体积力在地基土体上的作用方式是外部荷载,在外部荷载的作用下,地基土体的应力场变化较大。在应力场中应力的作用下,土体颗粒会发生位移,发生位移后的土颗粒与之前的位置不同。土体的应力场和位移场发生改变后,孔隙率也因此改变,土体的渗透系数也随之发生改变,以上一系列的变化就会引起土体渗流场发生变化。

依据理想状态下弹塑性本构模型和摩尔-库伦屈服准则理论,对闸室稳定性进行分析研究,运用Abaqus软件实现强度折减法是比较简单和便捷的,计算结果相对精确[9]。为了得到计算结果,首先定义场变量Fr,然后逐渐减小土体黏聚力c和内摩擦角φ。若场变量初始较大,土体则会发生初始破坏,因此通常定义场变量初始值小于1,以避免土体发生破坏。当计算终止时的折减系数,即为水闸闸室的安全系数。在实际工程中,天然地基水闸中的土体多是结构复杂的多孔介质体,地基土主要被渗流场和应力场共同控制。两者并不是完全独立的,而是互相影响、共同作用的[10]。若不考虑两者之间的相互影响,单一地研究应力场与位移场是不准确的,所以研究渗流场和应力场间的耦合作用是有必要和有意义的。

根据对渗流场和应力场相互作用相互影响的关系分析,可以建立渗流-应力耦合数学模型,先分别得出一种场在另一种场影响下的数学模型,得到两种数学模型后,对其进行组合计算,即可得到渗流-应力耦合的有限元数学模型。将模型写成矩阵形式,公式如下:

(1)

式中:ΔFs为因渗流场的变化而变化的渗流体积力结点载荷量;k为渗透系数;K为土体刚度矩阵;Δδ为位移变化量;ΔF为土体所承受的外部荷载引起的结点载荷变化量;K(σij)为渗透系数矩阵;H为土体两侧的水头差;{f}为渗流场水头分布函数。

先对模型进行初始条件和边界条件的定义,再通过式(1)计算,即可实现渗流-应力的耦合。

3 地基变形和渗流对闸室结构性稳定影响结果分析

通过地基变形模量与闸室混凝土弹性模量比,对闸室结构位移、应力变化规律的影响进行有限元分析。假设μ为地基变形模量与闸室混凝土弹性模量比,地基变形模量分别取42.6、63.9、85.2、106.5MPa,闸室混凝土弹性模量为3.0×104MPa,分别求出μ为0.001 42、0.002 13、0.002 84、0.003 55时闸室在正向设计、正向校核、反向设计、反向校核以及地震5种工况下的沉降、水平位移、应力分布情况,并总结其变化规律。当μ取值为0.001 42、0.002 13、0.002 84、0.003 55时,闸室在正向设计、正向校核、反向设计、反向校核以及地震5种工况下的最大沉降量变化见图2。

由图2可知,随着μ值的增大,闸室最大沉降量变化曲线整体呈下降趋势。μ为0.001 42时,正向校核下闸室最大沉降量为162.9mm;μ增大至0.003 55时,正向校核下闸室最大沉降量为143.2mm,表明适当増加μ值,可以减小闸室结构的最大沉降量。

不同μ值在5种工况中的最大水平位移变化见图3。由图3可知,μ为0.001 42时,正向设计下闸室最大水平位移为5.644mm;μ增大至0.003 55时,正向设计下闸室最大水平位移为5.254mm。正向设计、正向校核和地震工况下,随着μ值增大,闸室最大水平位移与μ没有明显比例关系,其原因是水平位移主要与闸室两侧水头差大小有关。

图3 不同工况下的最大水平位移变化

天然地基闸室底板最大主压、拉应力随μ值变化见图4。由图4(a)可知,地基闸室底板最大主压应力随μ值增大,闸室底板最大主压应力呈减小趋势,变化幅度先是较大,然后减小,表明适当增加μ值,可以减小闸室底板的最大主压应力。由图4(b)可知,随μ值的增大,地基闸室底板最大主拉应力逐渐减小。

图4 天然地基闸室底板最大主压应力和最大主拉应力变化对比

天然地基与复合地基水闸闸室在各工况下,最大沉降量和闸室整体结构水平位移变化对比见表1。由表1可知,在没有进行地基处理时的水闸闸室最大竖向位移量为162.9mm;进行地基处理后的水闸即复合地基水闸闸室最大竖向位移量为36.19mm。两者相比,最大竖向位移减小77.8%。因此,复合地基相较于天然地基,闸室最大沉降量显著减小,复合地基可以有效减小间室最大沉降量。天然地基水闸闸室和复合地基水闸闸室最大水平位移分别为5.745和3.421mm,两者相比,最大水平位移减小41.5%。因此,对地基进行处理可以有效减小闸室最大水平位移。

表1 两种地基水闸闸室结构最大沉降量水平位移变化对比

在各工况下,天然地基水闸与复合地基水闸两种模型水平位移的变化规律为:随着高程增加,闸室部分的水平位移也在增加。这是因为闸室顺水流方向两侧受到方向和大小不同的水平水压力,所以闸室受到的水平荷载矢量指向水平水压力较小的方向。当闸室受到该水平总压力时,闸室即将向矢量所指方向位移的趋势,所以闸室结构上部的水平位移比下部大。

以天然水闸为例,从土体材料参数和渗流条件两个角度,研究闸室本身条件与外部条件对闸室安全系数的影响。土体材料参数包括土体黏聚力、土体内摩擦角、土体变形模量、土体泊松比,渗流条件即渗透系数和水头高度,分析上述条件下影响闸室安全稳定系数的规律。初始状态下,土体黏聚力为10kPa,土体内摩擦角为15°,土体变形模量为40MPa,土体泊松比为0.1,渗透系数为0.000 02cm/s。当研究某一变量的影响时,其他参数保持不变,建立不同参数下的闸室模型。根据计算结果,绘出安全稳定系数随某一变量的变化,见图5。

图5 安全稳定系数随不同变量的变化对比

由图5(a)可知,随着土体剪胀角的增大,安全系数增加,增加幅度先是较大然后减小,所以土体剪胀角越大,土体抵抗闸室滑动能力越强,安全系数越大。

由图5(b)可知,随着土体变形模量的增加,安全系数的变化幅度平缓,所以闸室安全系数对土体变形模量的敏感性不大。随着土体泊松比的增大,安全系数基本无变化,所以闸室安全系数对土体泊松比的变化不敏感。

由图5(c)可知,土体黏聚力从10kPa增加至30kPa,内摩擦角从15°至35°,闸室安全稳定系数分别增加38.76%和20.97%。这是由于土体黏聚力和内摩擦角增大后,土体的抗剪强度增加,抵抗土体发生破坏的能力增加,所以闸室安全稳定系数增加,闸室强度增加。

4 结 论

为了提高闸室结构的稳定性,本文分析了天然地基和复合地基水闸闸室的应力沉降,设定μ为地基变形模量与闸室混凝土弹性模量比,分析不同μ值对闸室沉降应力的影响。同时,分析了渗流-应力耦合作用下,土体材料参数和渗流条件对闸室结构的安全稳定性产生的影响。结果表明,随着μ值的增大,闸室最大沉降量变化曲线整体呈下降趋势。μ为0.001 42时,正向校核下闸室最大沉降量为162.9mm。土体黏聚力从10kPa增加至30kPa,内摩擦角从15°至35°,闸室安全稳定系数分别增加38.76%和20.97%。