外部作业对既有桥桩、桥柱安全影响的模拟分析.docx

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1、目录X、基坑开挖对既有挡土墙安全影响的模拟分析2Xj计算软件2X.2建模方式3X.3模型范围3X4模型材料属性4X.5计算工况5X.6模拟结果7X.6.1初始状态模拟7X.6.2既有桥柱、桥桩变形8X.7本章小结12X、外部作W对既有桥桩、桥柱安全影响的模拟分析X.1计算软件midasGTS/NX(NeWeXPerienCeofGeOTeChniCaIanaIySiSSyStem)是一款基于尖端的计算机处理和分析技术研发而成的新一代通用岩土分析软件。该软件包含施工阶段的应力分析和渗透分析等岩土所需的几乎所有分析功能的通用分析软件。GTS/NX将通用分析程序MIDASZCivil的结构分析功能和

2、前后处理程序MIDAS/FX+的几何建模和网格划分功能结合后，加入了适合于岩土领域的专用分析功能。(1)专业性尖端的可视化界面操作，通用且专业的岩土分析功能：三维施工阶段模拟、地下、水渗流、考虑应力-渗流耦合的有效应力分析、固结分析、动力分析等。在岩土结构中，除需要考虑岩土自身的作用外，同时也需要考虑结构部分对岩土部分的作用。MlDAS/GTS也为用户提供了各种结构单元来模拟结构部分的作用，包括：桁架单元、梁单元、桩单元、只受拉单元、只受压单元、板单元以及平面应力单元、接触单元、弹簧单元等结构单元。通过这些单元的设置，可以分析各种地下结构。(2)便利性直观的三维建模对于一些复杂的模型，往往需要

3、用户对几何体进行繁琐的操作，这样将会占用用户大量的时间。而在MIDAS/GTS中提供的各种自动生成网格命令，可以迅速的建立复杂的模型，减少建模时间，增加工作效益。同时程序提供多种网格划分的方式，根据用户的需要划分网格。MIDAS/GTS在后处理方面，可以选择输出结构信息，如单元的应力，应变，位移等信息。分析完成后，可以通过后处理单元直接查看结构信息，如结构等值线、等值面、剖断面等，同时可以导出结果数据到EXCEL进行处理。(3)强大性MlDAS/GTS不仅在前后处理方面方便易用，在求解方面也是性能卓越。提供多种迭带求解方法：CG,GMRES,ILUT,JaCObi。根据模型的大小自动义最大迭带

4、次数和收敛误差。在求解速度方面，相比其它的有限元程序也有较明显的优势。(4)可靠性MIDAS/GTS由世界上最大的土木工程软件公司开发，而且已经在大量的实际工程中得到应用，工程实践证明该程序的计算结果是比较可靠的。X.2建模方式岩土工程中结构与结构的相互影响分析主要有两种方法：一类是荷载-结构法，一类是地层结构法。第一类方法:荷载结构法是指荷载结构模型认为地层对结构的作用只是产生作用在地下建筑结构上的荷载（包括主动地层压力和被动地层抗力），结构在荷载的作用下产生内力和变形，与其相应的计算方法。这一方法与设计地面结构时习惯采用的方法基本一致，区别是计算结构内力时需考虑周围地层介质对结构变形的约束

5、作用。计算时先按地层分类法或由实用公式确定地层压力，保证结构能安全可靠的承受地层压力等荷载的作用下，按弹性地基上结构物的计算方法计算衬砌的内力，并进行结构截面设计。早年常用的弹性连续框架（含拱形构件）、假定抗力法和弹性地基梁（含曲梁）法等都可归属于荷载结构法。本模型由于设计构件多，并且传力路径复杂，难以用荷载-结构法来模拟。地层结构法主要包括地层的合理化模拟、结构模拟、施工过程模拟以及施工过程中结构与周围地层的相互作用、地层与结构相互作用的模拟。地层结构模型的计算理论即为地层结构法。其原理是将衬砌和地层视为整体，在满足变形协调条件的前提下分别计算衬砌与地层的内力，并据以验算地层的稳定性和进行构

6、件截面设计。与荷载结构法相比，地层结构法充分考虑了地下结构与周围地层的相互作用，结合具体的施工过程可以充分模拟地下结构以及周围地层在每一个施工工况的结构内力以及周围地层的变形更能符合工程实际。但是由于周围地层以及地层与结构互相作用的模拟的复杂性，地层结构法处于发展阶段，在很多工程应用中，仅作为一种辅助手段。不过随着今后的研究和发展，地层结构法将会得到广泛应用和发展。本次模型采用地层-结构法建模。X.3模型范围计算分析地层结构模型见下图所示，为了确保模型有足够的计算精度并保证计算效率，最终模型尺寸选择为X方向取60m,Y方向取60m,Z方向取50m。图1场地整体有限元模型图2道路、微型钻孔灌注桩

7、与桥桩、桥柱位置关系有限元模型X.4模型材料属性（1）结构材料参数根据设计资料桥柱：C30；弹性模量:3.00XlO10Pa泊松比：0.2桥桩：C25：弹性模量:2.80IO10Pa泊松比：0.2微型钻孔灌注桩：C35；弹性模量：3.15IO10Pa泊松比：0.2（2）工程场地地质材料模型施工场地地基模型按照勘查报告资料选取。由于有限元单元规模限制，单元网格尺寸设定在2-5m,针对复杂地层土分布，尽可能模拟真实的地层土的分布规律和力学特征，当单元尺寸限制将局部小区域材料归一化处理时，考虑数值分析的偏于安全的要求，土层选用力学性能低的材料。地基上的非线性本构与屈服力学特性层采用修正摩尔库伦模型描

8、述，土层材料摩擦角、粘聚力等参数按照第地质勘查报告推荐的力学参数选取（由于工程推荐参数已作安全系数折减，模型计算中直接选用）。21淤泥33粉、细砂3-1亚黏土3-4中、粗砂33粉、细砂全风化强风化中风化弱风化图3施工场地地质模型X.5计算工况本评估工作的目的是分析外部作业对既有桥柱、桥柱结构的安全风险，忽略施工过程不必要的细节。本次建模各工况情况见下表2,计算工况示意图见下图4。表2施工工况表工况名详细工序工况1初始地应力场分析工况2桥柱、桥桩施工（位移清零）工况3微型钻孔灌注桩施工工况名详细工序工况4轻质土换填工况5道路施工图4初始地应力场分析图5桥柱、桥桩施工（位移清零）图6微型钻孔灌注桩

9、施工图7轻质土换填图8道路施工X.6模拟结果X.6.1初始状态模拟首先需要地应力平衡计算，获得初始地应力平衡计算，获得初始地应力。初始位移理想状况为零值。【DATAJjflXftX7tmffilW.利的地5力.DO-i(WA1.000).IUWT)kM.m图11模型初始竖向应力(单位kNm2)从计算结果可以看出，地层应力分布较为均匀，初始计算结果可靠。X.6.2既有桥柱、桥桩变形DATA J iU工落初植射*DCR-I OOAD-I.OOO). I 】 kH.图12微型钻孔灌注桩施工(1)总体变形IDATAJiKftl7tffilW.&质士，DCR-IOjOAD-LOOO).图13轻质土换填D

10、IWUCFTTOTUT,M(DATAJitXB17l三lW.MftI.IWCR-IA1,000).(VWITJ.图14道路施工序号施工步序总体变形(mm)1微型钻孔灌注桩施工5.572轻质土换填6.133道路施工11.58外部作业诱发既有桥柱、桥桩最大总体变形11.58mm。(2)水平变形(MTA】富鼻工五箝检IdDCR-I(WAD-LOCO).(W11T)kF.M图19微型钻孔灌注桩施工(DATAJitXB17l三lW.粒质士*.DO-I(WAP-I.OOO).IWiITkM.m图20轻质土换填IDATAi*xi7f三w.MftI.IITR-IA1,000).(UWITJU.图21道路施工序

11、号施工步序水平变形(mm)1微型钻孔灌注桩施工3.522轻质土换填3.783道路施工4.99外部作业诱发既有桥柱、桥桩最大水平变形4.99mmo(3)竖向变形DictucweftM ？ W*I DATA 微力以扎遵注陆国工.DKl-I (WAD-UOOO). I UXIT ) HL图26微型钻孔灌注桩施工NXXirt -Sl?，力诉(DATA Jtta.UCR-IOOAD-I.OOO).IUHIT)kW.图27轻质土换填(DATA Jilft2t*W.WL im-l A1,000).( UIT J图28道路施工序号施工步序竖向变形（mm）1微型钻孔灌注桩施工5.192轻质土换填5.773道路施工11.33外部作业诱发既有桥柱、桥桩最大竖向变形11.33mm。X.7本章小结从施工过程模拟计算结果，可以得到以下初步结论：外部作业诱发既有桥柱、桥桩最大总体变形11.58mm；外部作业诱发既有桥柱、桥桩最大水平变形4.99mm；外部作业诱发既有桥柱、桥桩最大竖向变形11.33mm。