數(shù)值模擬分析在建筑垃圾及篩余石強(qiáng)夯地基處理中的應(yīng)用

　　摘 要：由于新疆地區(qū)卵礫石分布較廣，改革開放后新疆經(jīng)濟(jì)和基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展，這種建筑材料被大量開采，導(dǎo)致新疆地區(qū)超深采砂坑分布廣泛。而大部分的采砂坑位于城市近郊或距離城區(qū)較近，隨著近幾年新疆地區(qū)的跨越式發(fā)展，城市的快速擴(kuò)張，土地資源日益緊缺。研究超深砂坑強(qiáng)夯法處理雜填土、篩砂濾料，在新疆地區(qū)尤其是對(duì)于城市近郊區(qū)域的采砂坑治理具有較大的意義。采用強(qiáng)夯法處理超深采砂坑的施工工藝，以獲得最佳的過程效果，積累處理雜填土及篩砂濾料的施工經(jīng)驗(yàn)，形成施工工法，為以后同類巖土工程的設(shè)計(jì)與施工提供借鑒。
　　關(guān)鍵詞：強(qiáng)夯；數(shù)值模擬分析
　　目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)結(jié)構(gòu)抗震的試驗(yàn)分析方法大體上分為三類，即擬靜力實(shí)驗(yàn)、地震模擬振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)、擬動(dòng)力實(shí)驗(yàn)。而針對(duì)地基的抗震分析評(píng)價(jià)尚無(wú)成熟的模型，主要依托地震模擬振動(dòng)臺(tái)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析�，F(xiàn)在最常用的方法主要采用有限元分析軟件進(jìn)行抗震模擬分析，在地震計(jì)算的方法中最常用的方法為反應(yīng)位移法、反應(yīng)加速度法和時(shí)程分析法。
　　一、三維數(shù)值分析概述
　　本抗震模擬分析采用MIDAS GTS NX軟件進(jìn)行三維數(shù)值分析模擬，綜合考慮強(qiáng)夯后各土層的彈性模量、泊松比、粘聚力、內(nèi)摩擦角等參數(shù)，分析在地震作用下土體的應(yīng)力、位移及整體抗震性能。midas GTS NX是針對(duì)巖土工程而開發(fā)的有限元軟件，該軟件具有簡(jiǎn)潔的界面、前后處理功能強(qiáng)大的巖土材料模型庫(kù)，能滿足大部分巖土體的破壞模式，因此用此軟件對(duì)強(qiáng)夯工程的建立三維數(shù)值模型，比較接近真實(shí)情況，且計(jì)算結(jié)果相對(duì)安全。
　　二、midas GTS NX軟件原理
　　2.1線性靜力分析
　　線性靜力分析是假定巖土及巖石材料為線性彈性材料后，基于靜力荷載作用假定的分析。巖土材料的線性彈性時(shí)期局限于施加荷載后變形率發(fā)生微小變化的加載初始階段。但是，線性彈性分析不考慮破壞，把應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系按直線形態(tài)理想化來(lái)執(zhí)行分析，應(yīng)用于確認(rèn)原場(chǎng)地的應(yīng)力分布或應(yīng)力集中部位等，或需要簡(jiǎn)單分析的情況。
　　2.2特征值分析（模態(tài)分析）
　　特征值分析用于分析巖土/結(jié)構(gòu)的固有動(dòng)力特性，通過特征值分析得到巖土/結(jié)構(gòu)的固有模態(tài)（振型形狀）、固有周期（固有頻率）、振型參與系數(shù)等。這些特性取決于結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度。換言之，結(jié)構(gòu)一旦確定，其固有頻率和固有模態(tài)也就確定，模態(tài)的數(shù)量與結(jié)構(gòu)自由度相同。實(shí)際情況中，結(jié)構(gòu)幾乎并不按照單獨(dú)一種模態(tài)形狀振動(dòng)并且表現(xiàn)出多模態(tài)重疊的復(fù)雜振型。
　　2.3反應(yīng)譜分析
　　反應(yīng)譜分析法是利用相對(duì)應(yīng)的譜數(shù)據(jù)并組合與各模態(tài)時(shí)間響應(yīng)的絕對(duì)最大值的分析方法。因?yàn)椴豢紤]各模態(tài)最大值的同時(shí)性，只組合絕對(duì)最大值，所以，其可以看做線性時(shí)程分析（振型疊加法）的近似解。但是，考慮各模態(tài)的相關(guān)關(guān)系而進(jìn)行的振型組合，可以更正各模態(tài)同時(shí)發(fā)生時(shí)的誤差。
　　三、計(jì)算模型與參數(shù)
　　1、計(jì)算模型
　　本次模型采取計(jì)算長(zhǎng)度50m、寬度 50m、深度31.64m。該項(xiàng)目土體采用莫爾-庫(kù)倫模型，荷載考慮為烏魯木齊市城北8度區(qū)的加速度時(shí)程曲線，邊界條件為土體四周自由場(chǎng)邊界，下邊界為位移固定邊界，分析類型為線性時(shí)程分析。
　　2、計(jì)算參數(shù)
　　根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)及鉆孔波速試驗(yàn)結(jié)果，得到強(qiáng)夯后的各土層動(dòng)物理參數(shù)如下表：
　　注：動(dòng)力分析與靜力分析是兩種不同的概念，包括荷載類型、邊界類型等都是不一樣的，如果用土體的靜力試驗(yàn)參數(shù)來(lái)計(jì)算動(dòng)力工況得到的結(jié)果將會(huì)相差很大。一般通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到動(dòng)剪切模量和動(dòng)泊松比，根據(jù)公式E=G（1+2μ）來(lái)計(jì)算彈性模量，式中E、G、μ分別為動(dòng)彈性模量、剪切模量和泊松比。
　　四、計(jì)算結(jié)果分析
　　在橫向剪切地震波作用下，地基變形和剪應(yīng)力值分析結(jié)果如下：
　�。�1）對(duì)地基的整體變形合位移，位移最大發(fā)生在地層上部，隨著地層深度變化位移逐漸減小。地基整體相對(duì)合位移在小震和中震時(shí)最大值分別為2.69mm和5.63mm，按擬建場(chǎng)地建筑物每層層高3m考慮，在小震和中震時(shí)結(jié)構(gòu)的層間位移角分別為：2.69/3000=1/1115和 5.63/3000=1/533，可見小震、中震時(shí)結(jié)構(gòu)仍處于彈性階段。
　�。�2）在水平方向，位移最大發(fā)生在地層上部，隨著地層深度變化位移逐漸減小。地基相對(duì)水平位移在小震和中震時(shí)最大值分別為2.57mm和5.45mm，按擬建場(chǎng)地建筑物每層層高3m考慮，在小震和中震時(shí)結(jié)構(gòu)的層間位移角分別為：2.57/3000=1/1167 和 5.45/3000=1/550，可見小震、中震時(shí)結(jié)構(gòu)仍處于彈性階段。
　�。�3）在垂直方向，地基沉降和隆起發(fā)生在場(chǎng)地沿地震波方向兩側(cè)，地基沉降量和隆起量在小震和中震時(shí)最大值分別為0.8mm和1.49mm，可見均小于建筑物地基變形允許值。
　�。�4）根據(jù)上述應(yīng)力圖結(jié)果，剪應(yīng)力變化由上至下依次增大，由場(chǎng)地中心向四周逐漸增大。剪應(yīng)力在小震和中震時(shí)最大值分別為48.8KN/㎡和97.9KN/㎡。
　　結(jié)語(yǔ)：
　　本抗震數(shù)值模擬分析基于建筑垃圾及篩余石強(qiáng)夯地基處理施工情況建立了空間3D模型，充分考慮了建筑垃圾及篩余石分層強(qiáng)夯的空間作用，地震對(duì)強(qiáng)夯后的地基變形影響。通過上述計(jì)算分析結(jié)果表明，地基有良好的整體抗震性能。

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