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        抗滑樁的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

        2012-10-27 09:30:28舒成彬劉松林
        四川建筑 2012年1期
        關(guān)鍵詞:變位抗滑樁內(nèi)力

        盧 松,舒成彬,劉松林

        (西南交通大學(xué)峨眉校區(qū)土木工程系,四川峨眉614202)

        抗滑樁,是穿過滑坡體深入于滑床的樁柱,用以支擋滑體的滑動(dòng)力,起穩(wěn)定邊坡作用,適用于淺層和中厚層滑坡,是抗滑處理的一種主要措施。與其他抗滑工程相比,它具有抗滑能力強(qiáng),適用條件簡便,施工安全簡便等突出優(yōu)點(diǎn)。由于抗滑樁在治理滑坡中的突出優(yōu)點(diǎn),使抗滑樁廣泛應(yīng)用于公路、鐵路滑坡,工業(yè)與民用建筑基坑支護(hù)。使抗滑樁計(jì)算過程自動(dòng)化,將大大有利于工程設(shè)計(jì)人員。

        本文對(duì)工程中常用的計(jì)算彈性抗滑樁錨固段的兩種不同的地基系數(shù)法進(jìn)行了分析(下面分析中的“樁頂”,指的是抗滑樁錨固段的頂部)。

        1 用m法計(jì)算彈性樁內(nèi)力和變位的計(jì)算機(jī)分析

        m法是指地基系數(shù)隨土層深度成正比例增長,是計(jì)算抗滑樁錨固段內(nèi)力和變位的常用方法之一,m法內(nèi)力和變位的計(jì)算公式見式(1),其中:M0,Q0表示樁頂?shù)膹澗睾图袅?a為樁的變形系數(shù);E為樁的彈性模量,I為樁的慣性矩;以上參數(shù)均為已知數(shù)據(jù)。Ai、Bi、Ci、Di(i=1,2,3,4)隨距離樁頂?shù)奈灰贫兓?,能夠通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算結(jié)果,故可暫時(shí)列為已知值。x0,φ0表示樁頂?shù)奈灰坪娃D(zhuǎn)角,值未知;xy,φy,My,Qy表示距離樁頂距離為y處的位移、轉(zhuǎn)角、彎矩和剪力,為待求值。要解式(1),還需要增加2個(gè)已知數(shù)。考慮樁底的約束條件,很容易增加兩個(gè)已知數(shù):比如考慮樁底約束條件為固定鉸時(shí):xy=h=0,φy=h=0;考慮樁底為自由端時(shí):My=h=0,Qy=h=0。然后結(jié)合上述給出的樁底約束條件和式子1,解出x0,φ0的值;x0,φ0解出后,就可以根據(jù)式(1)求出任意樁深處的位移、轉(zhuǎn)角、彎矩、剪力。通過上述分析得出:用m法對(duì)彈性樁進(jìn)行內(nèi)力分析計(jì)算最關(guān)鍵的部分就是對(duì) Ai、Bi、Ci、Di(i=1,2,3,4)的計(jì)算。下面主要討論編制樁基礎(chǔ)內(nèi)力分析軟件時(shí)上述16個(gè)參數(shù)的自動(dòng)化計(jì)算。考慮到上述16個(gè)參數(shù)的計(jì)算十分相似,故本文只討論A1的計(jì)算。

        為了防止計(jì)算機(jī)發(fā)生溢出錯(cuò)誤,需要將上式進(jìn)行變換。

        設(shè)m為一整數(shù),且2≤m≤10000

        用上述代數(shù)式迭代求出A1,將不會(huì)發(fā)生溢出錯(cuò)誤。

        同理其他15個(gè)參數(shù)也可類似計(jì)算,這里就不敘述了。

        2 用K法計(jì)算抗滑樁的內(nèi)力和變位的計(jì)算機(jī)分析

        3 采用計(jì)算機(jī)用K法計(jì)算樁基礎(chǔ)內(nèi)力和抗滑樁內(nèi)力

        K法的計(jì)算和m法計(jì)算過程非常相似。K法和m法的區(qū)別來源主要是:K法中地基系數(shù)隨深度不變,m法中地基系數(shù)隨深度成正比例增加。由于k法和m法都是基于彈性地基梁理論的方法,為同一種理論編制兩種不同的計(jì)算規(guī)則是得不償失的。下面將嘗試討論將上述兩種理論的計(jì)算歸于一體。

        圖1 計(jì)算簡圖

        如果按上述討論簡化,那么K法就可以看成是m法的一個(gè)特例了,就可以使用同一種算法來編制用于k法和m法計(jì)算的程序了。

        對(duì)一個(gè)微段使用K法,將式子1簡化:

        則: [ui]= [Ti][ui-1],

        式中:i表示第i微段,第一個(gè)微段的i=1;[Ti]為與第i段微段樁的a,h,E,I相關(guān)的一個(gè)矩陣,微段樁及其設(shè)計(jì)參數(shù)一旦被給定,[Ti]便是確定的了;[ui]是由第 i段微樁的樁頂或第i-1段微樁的樁底得水平位移、轉(zhuǎn)角、彎矩、剪力組成的矩陣。

        所以只要知道了[u0],就可以求出任意樁深的位移、轉(zhuǎn)角、彎矩和剪力。同樣可以通過樁底的約束條件求出[u0]中的未知量x0,φ0。[u0]確定后,就可以使用計(jì)算機(jī)編程自動(dòng)計(jì)算任意樁深的內(nèi)力和變位。

        圖2為樁內(nèi)力和自動(dòng)分析系統(tǒng)的交換模型。

        筆者根據(jù)本文第1節(jié)和第3節(jié)介紹的方法,編制了抗滑內(nèi)力和變位計(jì)算程序。下面將通過實(shí)例比較上述兩種方法計(jì)算的計(jì)算結(jié)果。

        圖2 樁內(nèi)力和變位自動(dòng)分析系統(tǒng)

        4 計(jì)算實(shí)例

        已知某抗滑樁頂彎矩M0=300 kN·m,剪力Q0=300 kN,樁型為圓形樁,樁直徑為4 m,樁長為8 m,彈性模量為260 000 kPa,樁底的約束條件為:My=h=0,Qy=h=0;地基系數(shù)為5 000 y,其中y為距離樁頂?shù)纳疃取T噺臉俄數(shù)綐兜?,每?.1 m計(jì)算一組樁的彎矩、剪力、位移和轉(zhuǎn)角。

        解:通過計(jì)算機(jī)編程分析計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見表1、表2。

        表1 以第1節(jié)中的原理編寫的程序的運(yùn)行結(jié)果截取

        表2 用第3節(jié)中的方法編制的程序運(yùn)行結(jié)果

        續(xù)表2

        對(duì)比上述兩表中的數(shù)據(jù),可以發(fā)現(xiàn)兩種方法的計(jì)算結(jié)果在誤差允許范圍內(nèi)是相同的。所以用K法簡化樁基礎(chǔ)的內(nèi)力和變位計(jì)算是可行的,這樣就可以將抗滑樁內(nèi)力和變位的計(jì)算方法大大簡化,便于編制抗滑樁輔助設(shè)計(jì)軟件。

        5 結(jié)論

        本文對(duì)抗滑樁內(nèi)力和變位分析中的K法和m法進(jìn)行了分析和計(jì)算,這里面包含了一種以微分解決實(shí)際問題的思想,這充分利用了計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。在工程實(shí)踐中,應(yīng)該時(shí)刻注意計(jì)算機(jī)在工程實(shí)踐中的應(yīng)用,將工程實(shí)例抽象成一個(gè)或多個(gè)模型,然后利用計(jì)算機(jī)高級(jí)語言編程解決該模型的計(jì)算問題。

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