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土與結(jié)構(gòu)的相互作用問題是地基基礎(chǔ)學(xué)科中的經(jīng)典問題，以有限元分析為主的數(shù)值方法在處理復(fù)雜模型和邊界問題時顯得更具優(yōu)勢，因此常常運用于基坑開挖、樁基礎(chǔ)分析等典型土與結(jié)構(gòu)相互作用的實際工程分析中，然而在這類問題分析中，如何將外部荷載很好地考慮到模型中，這對結(jié)果會產(chǎn)生很大的影響。現(xiàn)實中，許多有限元分析為了便于建模和計算，常常將實體作用簡化成荷載形式施加于待分析物體，這樣就忽略了荷載與結(jié)構(gòu)的相互作用，而堆煤倉對于地基結(jié)構(gòu)的作用無疑也屬于這一范疇。本文的目的是借助某堆煤倉的實際案例，分別采用傳統(tǒng)的荷載－結(jié)構(gòu)模型以及堆煤－結(jié)構(gòu)相互作用模型來進行有限元分析計算，來發(fā)現(xiàn)兩者結(jié)果之間的差別，并給出堆煤倉地基基礎(chǔ)設(shè)計有限元分析甚至其他類似有限元分析過程中的建議
某堆煤球形倉，初步設(shè)計為6座直徑120m儲煤中轉(zhuǎn)庫，現(xiàn)在分步進行實施，初期建造2座直徑120m儲煤庫。該球形倉的建筑高度約68m，球面半徑約69m，高度約48m。球面外殼表面積19200m2，水平投影面積11880m2，穹頂?shù)撞堪霃郊s63m。本工程球形倉采用分段式鋼筋混凝土環(huán)形檔料墻結(jié)構(gòu)，屋蓋采用雙層鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。該球形倉的環(huán)形擋料墻基礎(chǔ)采用PHC預(yù)應(yīng)力管樁方案，庫芯區(qū)采用PCC現(xiàn)澆混凝土大直徑管樁復(fù)合地基方案，但最終由于施工困難，仍采用PHC預(yù)應(yīng)力管樁作為樁基礎(chǔ)加固，中心堆取料機設(shè)備基礎(chǔ)采用后注漿灌注樁方案。
該場地位于鹽田和海產(chǎn)養(yǎng)殖池，人類生產(chǎn)和工程活動使得勘察區(qū)表層的土質(zhì)差別較大，屬于不均勻地基。表層粉質(zhì)粘土、粘土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土多呈軟塑—可塑狀，表層粉土為稍密狀，土質(zhì)較差，壓縮性高，承載力低，未經(jīng)處理不宜直接作為基礎(chǔ)持力層。①粉土呈中密—密實狀，土質(zhì)相對較好，該層土可作為一般淺基礎(chǔ)持力層，由于粉土有擾動后易液化現(xiàn)象，因此對其利用時，施工過程中應(yīng)避免過大的擾動。①粉土下部的②粘土為高壓縮性土層，地基承載力較小，在進行基礎(chǔ)設(shè)計時，應(yīng)進行軟弱下臥層驗算。地基土物理力學(xué)參數(shù)可見表1。
本案例的有限元建模分析采用Plaxis2D軟件進行，其程序中板單元可以用來模擬地層中細長的、且具有相當(dāng)抗彎剛度和軸向剛度的結(jié)構(gòu)對象，如擋土墻、隧道襯砌、樁基礎(chǔ)等。板的材料性質(zhì)主要由兩個參數(shù)決定，即抗彎剛度EI和軸向剛度EA，板的等效厚度可由公式確定。
Plaxis中還設(shè)置了用于模擬土與結(jié)構(gòu)相互作用的界面單元，眾所周知，樁基礎(chǔ)打入地層后會使得基樁周圍的土層松動、強度降低，因此，在Plaxis中可以設(shè)置樁周土體強度的折減系數(shù)Ｒinter來模擬松動區(qū)域的土層的強度降低，是一種有效的模擬方法。
鑒于整體堆煤倉模型關(guān)于中心取料機中心對稱，因此模型選擇為軸對稱模型，如圖1。
對于模型的邊界條件，如選取不當(dāng)，可能會對計算結(jié)果產(chǎn)生重要的影響。進行有限元分析時，主要需要考慮的是地基的邊界范圍和約束條件的確定。一般來說，地基邊界采用截斷邊界不會引起太大的誤差，截斷邊界應(yīng)遠離受力區(qū)域，因此，本模型在水平范圍內(nèi)，截斷邊界距離樁基礎(chǔ)仍留有2～3倍基礎(chǔ)寬度，深度方向考慮建模至變形微小的土層，因此最終確定的模型土層范圍選取為180m×70m。
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