根式沉井基础水平承载性能数值模拟研究_戴良岩.pdf

2023 年 2 月总第 349 期基金项目 南京铁道职业技术学院青年基金项目（YQ220005）收稿日期：20221016；修回日期：20221125作者简介：戴良岩（1995），男，江苏徐州人，工学硕士，助教，主要从事地基基础研究，E-mail：。通信作者：邢光兵（1993），男，江苏南京人，工学硕士，助教，主要从事电力电子与电力传动研究，E-mail：。根式沉井基础水平承载性能数值模拟研究戴良岩，邢光兵摘要：为了适应现在复杂地形地质条件，针对根式沉井基础这种新型基础类型，采用 ABAQUS 有限元分析软件，考虑土体参数、边界条件、网格划分、荷载条件等方面，建立了模拟研究的模型系统，对根式沉井基础的水平承载性能进行了模拟，对模型的荷载位移和井身变形进行了有限元分析。经过模拟研究可以得出以下结论：根式沉井基础的根式结构可与周围土体作用，使周围土体也发挥出良好的承载性能。该研究可以弥补实际复杂工况下试验难度较大的缺陷，进一步验证结构安全稳定，为我国交通运输业尤其是桥梁建设提供一定参考依据，对维护交通运输安全具有较强的指导意义。关键词：桥梁构造；桥基；沉井；根式沉井基础；水平荷载；有限元模拟中图分类号：U443.13+1；TB24；TB115.1文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2023.02.139（南京铁道职业技术学院，江苏南京210031）文章编号：1674-9146（2023）0213903随着我国铁路运输的逐渐发展，高速铁路基础工程建设的地位日趋重要，其施工质量的好坏将决定工程整体质量水平，因此针对基础展开研究显得十分重要。目前由于各种特大桥梁、大型桥梁、中型桥梁对地基承载力的要求越来越高，因此传统的基础形式已经满足不了承载力与变形的要求，为此人们不断地改进基础形式，一种基于变截面思想和仿生学原理的改进型沉井基础根式沉井基础1-2被提出来。本文以模型试验为例，针对水平荷载作用下的根式沉井基础的性能展开模拟研究3。1模拟研究的模型系统1.1土体参数本次模拟研究采用的砂土的物理性质见表 1。沉井模型的材料为钢材，采用线弹性模型，弹性模量取 250 GPa，泊松比为 0.4，密度取 7 260 kg/m3。1.2边界条件和网格划分根据水平荷载作用下的根式沉井基础的受力特征，来确定网格模型数值计算过程中的边界条件。数值网格模型的侧面约束和底面约束为法向约束。在正面上施加对称边界条件 ZSYMM，在侧面上施加边界条件 x=0，在背面上施加边界条件 z=0，在底面上施加边界条件 y=0；并在沉井的侧面施加与集中力等效的均布面荷载。ABAQUS 软件中的模型结构单元网格可以选择六面体（Hex）、楔体（Wedge）和四面体（Tet），针对本次数值分析选用的土体和实体材料，本次模拟选用八结点线性六面体单元（C3D8）划分网格，具体划分网格的大小设置为 0.02 m。1.3荷载条件在本次模拟分析中，荷载通过 ABAQUS 软件中Load 模块进行施加，图 1 为具体的模拟受力简图。重度/kN m-3弹性模量 E/MPa泊松比粘聚力 c/kPa内摩擦角/()1728.620.2513.6426.56水平荷载 Qzx竖向荷载 P图 1模拟受力简图表 1砂土的物理性质*-139-SCI-TECH INNOVATION&PRODUCTIVITYNo.2 Feb.2023，Total No.3492模型有限元分析2.1荷载位移分析本次模拟研究针对根式沉井基础展开分析，图 2为其荷载位移云图的数值模拟结果。由图 2 可见，根式沉井在受到水平方向与竖直方向合力作用的条件下，井身整体出现旋转，旋转中心起始位于基础中轴线，随荷载增大而逐渐旋转；普通沉井基础前侧直接受力，中下部埋深约300 mm 以下土体受明显挤压，而根式沉井根键范围位移由 36.2 mm 下降至 15.3 mm，土体变形得到有效降低4-5。2.2井身变形分析有限元模拟分析直观地展示了井身变形工况，图 3 为根式沉井变形的数值模拟结果。其中，图3-a 为根式沉井基础的位移矢量图，描述了整体井身变形工况；图 3-b 为在分级荷载作用下根式沉井井身的水平位移分布图。由图 3-a 根式沉井基础的位移矢量图可见，根式沉井基础在水平荷载作用下整体向受荷侧发生旋转，力主要作用点位于根式沉井底部后侧；土体水平抗力作为抵抗水平荷载的主要来源，与土体强度有着直接关系，模拟条件下的土体整体固结度较好，因此其主要变形集中于根式沉井后侧底部以及前侧中上部；另外由于根键加强了土体的接触，因此根键间的土体在水平荷载作用下会发生整体转动6-7。根式沉井在水平荷载作用下整体水平位移分布呈线性，旋转中心位于埋深 300 mm 处；受荷初期水平荷载由根键摩阻力和土抗力共同承担，随着根键间的土体整体移动，摩阻力逐渐失效，全部水平荷载由土抗力进行平衡，且随着水平荷载的增大，水平位移的增长速度也随之增大。3结论本文采用 ABAQUS 软件对根式沉井基础进行建模，采用逐级加压的方式来对比探究根式沉井基础的水平承载性能。经过模拟研究可以得出以下结论：根式沉井基础的根式结构可与周围土体作用，图 2根式沉井基础荷载位移云图的数值模拟结果xz27.5524.4921.4218.3615.3012.239.1696.1053.042-2.15710-2-3.085-6.148-9.212U1/mm（a）300 N 水平荷载下的垂直方向位移云图-15-10-50510水平位移/mm50N100N150N200N250N300N050100150200250300350400450埋深/mm（b）在分级荷载作用下根式沉井井身的水平位移分布图（b）300 N 水平荷载下的水平方向位移云图14.4412.9311.429.9078.3956.8835.3713.8592.3460.8341-0.6780-2.190-3.702xzU3/mm（a）根式沉井基础的位移矢量图27.7325.4123.1020.7918.4816.1713.8611.559.2426.9314.6212.3100U合/mmxz应用 技 术Applied Technology图3根式沉井变形的数值模拟结果-140-2023 年 2 月总第 349 期2）方法二：第一步利用全角破拆钳钳掉护罩；第二步利用大 C 型套筒套住锁体，连接破拆钳后端，旋扭破坏锁芯，露出对瓣型锁孔；第三步利用冲芯螺锥在锁孔内进行旋扭开启主锁，然后按下把手，开启防火门。7结束语本文从灭火救援实战出发，切合应急救援任务时快速破拆防盗门的需要，研发新型消防用防盗门破拆工具组。其具有携带轻便、性价比高等特性。主要技术特点是破坏锁体、锁芯核心机构，在最大程度不破坏门体的情况下，利用工具进行机械联动开门，该装备应用范围广泛。（责任编辑王璐）Development and Application of New Anti-theft Door Breaking TechnologyDU Fan,FEI Hong-qiang(Jinan Public Security Fire Brigade,Jinan 250101,China)Abstract：In order to solve the problems that the anti-theft door has a variety of new types,a solid and complex structure,and a high degree of intelligence,so that the existing breaking tools and technologies can no longer meet the requirementsof fire emergency rescue tasks,a new type of anti-theft door breaking tool set for fire protection is studied.According to theactual needs,various types of anti-theft doors can be quickly broken.Key words：breaking plier;punch lock;punching screw cone;lock cylinder;fork使周围土体也发挥出良好的承载性能。该研究对维护交通运输安全具有较强的指导意义。参考文献：1张立奎,章征,殷永高.根式沉井基础水平向荷载试验研究J.桥梁建设,2009(3):33-36.2余竹,殷永高,杜宪亭.池州长江公路大桥根式基础承载力试验研究J.桥梁建设,2019,49(4):13-17.3周广腾,方诗圣,李贺才.根式基础水平承载力的弹塑性有限元分析J.路基工程,2014(6):140-144.4车承志,朱福春,殷永高.根式沉井基础在水平荷载作用下对周围土体影响的试验研究J.公路,2010(1):62-67.5张强,朱思宇,唐贺强.马鞍山长江大桥根式锚碇基础设计J.四川建筑科学研究,2013,39(2):162-164+169.6杨光武,黄茂松,张陈蓉.根式沉井基础力学分析与施工工艺J.桥梁建设,2011(2):50-54.7木林隆,黄茂松,龚维明.水平荷载作用下根式基础受力特性分析J.岩土力学,2010,31(1):287-292.（责任编辑邸开宇）Research on Numerical Simulation of Horizontal Bearing Capacityof Root Open Caisson FoundationDAI Liang-yan,XING Guang-bing(Nanjing Vocational Institute of Railway Technology,Nanjing 210031,China)Abstract：In order to adapt to the current complex terrain and geological conditions,for the root open caisson foundationthat is the new type of foundation,the ABAQUS finite element analysis software is used to establish a model system forsimulation study,considering soil parameters,boundary conditions,grid division,load conditions,etc.,to simulatethehorizontal bearing capacity of theroot opencaissonfoundation,andtoconductfiniteelementanalysisof theloaddisplacement and shaft deformation of the model.Through the simulation study,the following conclusions can be drawn:theroot structure of the root open caisson foundation can interact with the surrounding soil and make the surrounding soil alsoplay a good bearing capacity.This study can make up for the defects of the more difficult test under the actual complexworking conditions,further verify thesafety and