考虑软基固结和混凝土徐变的闸首施工仿真方法

摘要

本发明公开了一种考虑软基固结和混凝土徐变的闸首施工仿真方法，步骤为：1、确定混凝土和软土地基的热学参数、混凝土的徐变计算参数、地基的固结参数、地基的弹塑性力学参数；2、建立闸首结构的有限元网格；3、确定计算的时间步骤，混凝土的初始温度，混凝土保温措施的等效放热系数；4、根据热学参数、时程分析步骤、初始条件和气温预测计算温度场；5、计算开挖后的软土地基的孔压和地应力分布；6、施加温度荷载、地基初始孔压、地基地应力和需要考虑的其他荷载进行应力计算。本发明方法综合考虑了混凝土的徐变特性和软土地基的弹塑性固结特性，能较完善的预测施工期闸首结构的应力。

说明书

技术领域

本发明涉及水利工程混凝土结构设计中软基上闸首结构施工期综合考虑软基固结和混凝土徐变的应力分析方法。

背景技术

内河水运具有运量大、成本低、效益大、对环境污染小等特点，对促进流域经济发展发挥了重要作用。船闸是水运工程中的主要通航建筑物。

闸首混凝土方量虽然相对于其他水工大坝等建筑物而言是较小的，但仍需要作为大体积混凝土结构进行考虑。尤其是底板，一般厚度达到2～3米，且大部分一次浇筑完成；边墩方量相对较小，但由于设置了廊道，空箱等薄壁结构，使得闸首结构错综复杂。

现有闸首计算方法主要以规范计算方法为主，即将上部结构、基础和地基各自独立分开，将每一部分作为独立的结构利用材料力学的方法进行计算。

现有研究分析，船闸的大体积混凝土结构开裂的主要是由于结构浇筑后混凝土的温度应力造成的。

软土地基的渗透性低，具有明显的固结特性，造成地基的沉降随时间是变化的，且现有土力学已指出土体具有弹塑性特性，传统的弹性理论已不适用。

地基的较大沉降和不均匀沉降会对上部结构的安全性和稳定性有着严重的影响，尤其对于闸首底板此类大体积混凝土板结构。

发明内容

本发明的目的在于针对现有软基上闸首结构设计的不足，综合考虑上部结构-基础-地基系统整体性、大体积混凝土的温度场和徐变特性、软土地基弹塑性固结沉降特性，提供一种多物理场整体分析的软基上闸首结构施工期的应力分析方法。

本发明所述的基于有限单元法的软基上闸首结构施工期结构应力的分析方法，包括如下步骤：

一种考虑软基固结和混凝土徐变的闸首施工仿真方法，包括以下步骤：

(1)若在前期设计过程中已进行足够的实验测试，则根据前期设计报告，确定船闸闸首结构的混凝土和软土地基在计算过程中所需要的热学和力学计算参数；若在前期设计过程中未进行足够的实验测试，则根据当地工程的参数经验值进行预计算，并通过施工前期的部分监测数据进行反演校正；

(2)根据闸首结构和地基开挖的设计方案，使用有限元前处理软件建立闸首结构与地基的三维几何模型，并进行网格划分，生成可用于有限元计算的有限元网格；

(3)根据闸首的施工方案，确定计算分析的时间步骤，同时估算混凝土浇筑的初始温度和计算期间内的气温，同时根据混凝土表面的保温措施，计算闸首结构与空气接触面部分的等效的对流换热系数；

(4)跟据上述所得的初始温度、对流边界条件、水化热和时程分析步骤，计算混凝土和地基的温度场变化；

(5)根据地基开挖的方案，计算开挖后的地基的初始孔压和地应力的分布；

(6)将已计算得到的温度场作为温度荷载施加到闸首结构和地基上，并在地基中应用步骤5中得到的初始孔压和地应力，并施加其他荷载(如重力)，混凝土采用徐变模型，软土地基采用弹塑性固结模型，进行多物理场计算。

进一步的，步骤1中所述的计算参数包括：混凝土的热传导系数、混凝土的比热、混凝土的密度、混凝土的水化热模型参数、混凝土的对流换热系数、混凝土的热膨胀系数、混凝土的弹性模量、混凝土的泊松比、混凝土的徐变模型参数、土体的热传导系数、土体的比热、土体的密度、土的对流换热系数、土的热膨胀系数、土体的渗透系数、土体的弹性模量和土体的弹塑性模型参数。

进一步的，步骤2中所述的闸首结构包括底板、廊道、空箱、切角和门库。

进一步的，步骤2中所述的地基根据真实的工程地质勘测进行合理的分层。

进一步的，步骤3中所述的气温，如果对于短期计算预测，则使用天气预报数据；如果对于长期计算预测，则使用工程经验模型。

进一步的，所述的混凝土的水化热模型参数，其中水化热模型采用双指数模型为：

$Q\left(\tau \right)=W_c{Q}_{\infty }(1-e^{-{\mathrm{a\tau }}^b})$

其中，W_c为混凝土中水泥用量，Q_∞为水泥最终水化放热量，a和b为混凝土水化热实验参数。

进一步的，所述的混凝土的弹性模量和徐变模型参数，其中弹性模量随时间的变化模型为：

$E\left(\tau \right)=E_{\infty }(1-e^{-{\mathrm{a\tau }}^b})$

其中，E_∞为最终弹性模量，a和b为混凝土弹性模量的实验参数；

徐变模型为：

C(t,τ)＝C_a(1+9.2τ^-0.45)[1-e^-0.3(t-τ)]+C_b(1+1.7τ^-0.45)[1-e^-0.005(t-τ)]

其中，C_a和C_b为实验参数，t为时间。

进一步的，所述的土体弹塑性模型参数，土体的弹塑性模型采用修正剑桥模型，其屈服函数为：

$f=\frac{q^2}{M^2}+p(p-p_0)$

其中，M为应力比，p为平均应力，q为广义剪切应力，p₀为预固结压力；在计算时所需要的参数有：正常固结线斜率λ，回弹线斜率κ，应力比M，预固结压力p₀。

本发明一种考虑软基固结和混凝土徐变的闸首施工仿真方法与现有技术相比，其优点在于：

第一、将上部结构-基础-地基系统进行整理考虑，不再将它们独立分开计算；

第二、考虑了对早期混凝土影响较大的徐变特性；

第三、考虑了软土地基的弹塑性固结特性。

以上三点使得闸首施工期的计算较为完善的考虑到各种影响因素，使得计算结果更为合理准确。

附图说明

图1为本发明分析方法流程图；

图2为某闸首和开挖后地基的有限元模型；

图3为温度监测点和数据提取点；

图4为日平均气温曲线；

图5为底板处温度监测值与计算值对比；

图6为开挖后孔隙水压力平衡值；

图7为开挖后铅直应力平衡值；

图8为弹性和弹塑性固结计算的S2点和M2点垂直位移的变化对比图；

图9为弹性和弹塑性固结计算的S1、S2、M1和M2点处最大主应力变化对比图；

图10为边底板浇筑完毕时地基孔隙水压力分布图。

具体实施方式

以下结合一个实例对本发明作进一步详细说明。

本实例中混凝土水化热采取公式热学计算参数参见表1。

表1热学参数

混凝土的弹性模量公式为其中E_∞＝34.25×10⁶kPa，a＝0.28，b＝0.52；混凝土的泊松比为0.167；混凝土徐变度公式为C(t,τ)＝C_a(1+9.2τ^-0.45)[1-e^-0.3(t-τ)]+C_b(1+1.7τ^-0.45)[1-e^-0.005(t-τ)]，其中C_a＝6.39×10^-6/MPa，C_b＝1.444×10^-5/MPa。

本实例中软土地基根据工程地质勘测共分为9层，使用修正剑桥固结模型，土的泊松比为0.3，其他计算所需要的参数值参见表2。

表2土体弹塑性固结参数

本实例中的有切角闸首结构在横河向宽为26.9m，在顺河向长为28.6m，在铅直向上的高度为11.9m(其中底板厚2.6m)，闸首结构和开挖后地基的有限元模型如附图2所示，其中的底板上的温度监测点(T1、T2和T3)和结果数据提取点(M1、M2、S1和S2)的示意图如附图3所示。

施工方案如表3所示，施工期间的气温如附图4所示。

表3施工步骤及时长

根据上述参数及时程步骤计算温度场，温度监测点T1、T2和T3的监测结果与计算结果的对比如附图5所示。

根据基坑开挖方案：分两级向下开挖，平台上坡比为1:2，中间平台宽度为5m，平台下坡比为1:2.5。进行开挖后的孔隙水压力和地应力的平衡。附图6为开挖后地基的孔隙水压力平衡值，附图7为开挖后地基的铅直应力平衡值。

将平衡后的孔隙水压力和地应力作为地基弹塑性固结计算的初始条件，将温度场结果作为闸首结构和地基的温度荷载，同时施加结构和地基的重力荷载。进行位移场和应力场的计算。

作为对比，同时进行了将地基作为弹性模型的计算。附图8为一段时间内的M2和S2点处垂直位移弹性计算和弹塑性固结结算的结果对比，可见弹塑性固结计算的结果具有明显的时间效应，并考虑到了施工过程中孔隙水压力变化的影响。

附图9为弹性和弹塑性固结计算的S2、S2、M1和M2点处最大主应力变化对比图。弹性计算的值总体上偏大，超过规范中的强度值，通过弹塑性固结计算得到的结果更为合理，更符合现场观测得到的结果。

使用弹塑性固结地基计算可同步得到软基中孔隙水压力的分布，从而反映孔隙水压力对上部结构的影响，如附图10为边底板浇筑完毕时地基的孔隙水压力分布图，由于软土的较低渗透性，孔隙水压力在边底板底部增大，从而影响边底板底部的位移和地基的沉降，随着孔隙水压力的消散，地基沉降会逐渐增大。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。