基床式大直径圆筒土压力数值分析

Numerical Analysis on the Soil Pressure of Base Bed Type Large Diameter Cylinder

Zhao Jinhu

（College of Ocean Environment and Engineering，Shanghai Maritime University，Shanghai 200135，China）

摘要：采用ABAQUS软件对基床式大直径圆筒结构土压力进行分析，主要分析大直径圆筒周围截面上的应力变化趋势。结果显示位于中间位置圆筒的土压力相对两边的圆筒土压力要小很多。对于筒前土压力，三个圆筒有相似的状况，土压力峰值不是出现在筒底，而是距筒底有一定的距离，证实了大直径圆筒结构排筒状况下土拱效应的存在。

Abstract: By using the ABAQUS software, the paper analyzed the soil pressure of base bed type large diameter cylinder, and mainly analyzed the change trend of the pressure of the surrounding section of large diameter cylinder. Results showed that the soil pressure of diameter cylinder that located in the middle position was much smaller than that in opposite sides. For the soil pressure before cylinder, three cylinders had a similar situation. The peak of soil pressure did not appear in the bottom of cylinder, but there is a certain distance to the bottom, which proved the existence of soil arching effect under the condition of large diameter cylinder structure row.

关键词：基床式 大直径圆筒 土压力 数值分析

Key words: base bed type；large diameter cylinder；soil pressure；numerical analysis

中图分类号：TH12 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）２6-0033-01

0引言

大圆筒结构是一种新型的水工结构[1-2]，与经典的水工结构相比，该结构对于某些淤泥地基具有不可替代的优势。圆筒是三维空间柱结构体系，与一般的作为二维平面应变问题的重力式码头结构计算上有较大差异。圆筒无底，内外土体通过地基土相连通，筒内外作用的土压力可以通过地基土相互传递，从而使得结构与土体之间的作用机理十分复杂。钟晓红[3]等（2005）提出原土面以上回填部分采用杨森公式计算，原土面以下则采取矩形分布计算。许英[4]（2004）提出将填料土压力分为三部分计算，除杨森区和矩形分布区外，在基底附近侧壁土压力由基底应力确定。为此，本文对大直径圆筒结构土压力的分布规律作进一步探讨。

1数值分析

1.1 有限元分析模型大直径圆筒结构采用大小相同的三个并列钢筋混凝土圆筒，筒体尺寸为外径12，内径11，筒壁厚度为1，筒高为20。基床土体采用直径90m、厚度为70m圆柱体。大直径圆筒、筒内填土、基床土体均采用三维六面体实体单元进行模拟。并设定其为弹性模型，参数见表1。土体本构模型采用D-P模型，参数见表2。

1.2 边界条件本文所建立的模型均采用圆形边界，边界与圆筒距离足以消除边界影响，故设定边界条件为竖向边界在U1和U2方向固定，土体底部对三向自由度全部约束，即u1=u2=u3，圆筒基床土体迎水面边界在U1和U2方向固定。

1.3 荷载加载步骤模拟计算过程对圆筒施加六个分析步，起始步添加大圆筒的边界条件，在分析过程中对大直径圆筒结构施加五个分析步的荷载：重力、填土顶部均布荷载10kpa/m2，圆筒顶部线荷载10kpa/m、圆筒底部迎水面均布荷载50kpa/m2、基床土体顶部均布压力100kpa/m2。

2计算结果及分析

大直径圆筒结构采用大小相同的三个并列钢筋混凝土圆筒，并以中间筒体为主要研究对象，对该筒的筒前后截面土压力进行分析。选取的截面示意图如图1。

并排三个筒筒前截面土压力分别记为筒前土压力1、2、3，同样筒后截面土压力分别记为筒后土压力1、2、3。

在筒后截面分别选取5个节点，筒前截面选取7个节点，对大直径圆筒的土压力进行分析。结果见图2。

由筒体前后土压力分布图对比可知，基床式大直径圆筒的筒前土压力要大于筒后土压力，并且三个并排筒的土压力状况有很大的不同。位于中间位置圆筒的土压力相对两边的圆筒土压力要小很多。对于筒前土压力，三个圆筒有相似的状况，土压力峰值不是出现在筒底，而是出现在距筒底有一定距离的位置。对于筒后土压力，土压力呈线性变化趋势，土压力峰值并没有类似筒前土压力的变化。

3结论

本文采用ABAQUS有限元分析软件对大直径圆筒的土压力分布进行分析，结果显示筒前土压力的分布有别于筒后土压力，证实了大直径圆筒结构排筒状况下土拱效应的存在。对大直径圆筒结构的实际应用有一定的借鉴。

参考文献：

[1]陈万佳主编.水工港口建筑物[M].北京:人民交通出版社，1997.

[2]交通部第三航务工程勘察设计院主编.码头新型结构[M].北京:人民交通出版社，1999.

[3]钟晓红，肖仕宝，周锡礽.软土地基中插入式大直径薄壁圆筒结构的一种简化数值计算方法[J].海洋技术，2005，（6）:42-46.

[4]许英.大直径薄壁圆筒结构土压力研究[D].河海大学硕士论文，2004.

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