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冻土断裂力学在桩基冻拔稳定计算中的应用

发布时间:2019-12-14 12:50源自:未知作者:admin阅读()

  大连理工大学工程力学系,大连116024; 中国科学院兰州冰川冻土研究所冻土工程国家重点实验室,兰州730000) 摘要对桩基冻拔的冻土工程问题进行了断裂力学分析, 并给出简化模型. 在此基础上讨论了断裂 判据以及应力强度因子的计算表达式. 最后通过实际算例详尽的说明断裂力学方法在桩基冻拔稳定性 计算中的应用, 并与现行方法做了对比. 比较结果表明, 断裂力学方法不仅是有效的, 而且比现行方 法更为完善. 关键词冻土断裂力学应力强度因子断裂判据桩基冻拔 中图法分类号P64214 第一作者简介李洪升, 大连理工大学教授,长期从事固体力学教学与科研, 1983 引言冻土破坡坏的性质是其重要力学特性之一. 工程中,堤坝、基坑边坡的稳定性以及是否产生裂 纹滑坡破坏, 路基的冻胀裂纹的发生与发展, 木工程、矿山及环境工程中采用人工冻结法构筑的土堤、临时支护的安全评定, 均可用断裂力学方法 来分析计算. 例如, 整体长度较大的挡土墙, 后水平冻胀力作用下将向非填土侧弯曲,使挡墙外 表面受拉, 便产生竖向开裂裂 对这个问题可简化为张开型 断裂力学问题;假如挡墙在 墙后填土水平冻胀力和墙前冰 或冻土)压力作用 产生水平裂缝,这个问题可简化滑开型 断裂力学问题.应用断裂力学的理论, 除直接评价工程问题的 稳定性、可靠性外, 还可以研究冻土与结构物相互 作用的机理, 研究冻土微裂发生发展过程及其演化 的机制, 借以建立全新的冻土破坏准则, 从而丰富 和发展冻土力学理论, 并为冻土工程的设计与施工 及冻害防治提供新的方法和依据. 的冻拔破坏主要是切向冻胀力作用的结果使桩基整体上拨, 如图1 析冻拔的原因可知,抗冻拔稳定性条件为: 上部荷 及总摩擦力F之和大于总切向 冻胀力, 为冻土深度;为切向冻胀 应力. 假如在切向冻胀力作用下首先使冻土层产生剪 切破坏, 则切向冻胀力也就作用不到桩体上去, 而不会产生冻拔.基于这个考虑, 可分析冻土层的 受力及破坏情况. 我们知道, 土体冻结期间, 靠近基础的土表面 常常是不均匀的出现变形, 越靠近基础, 冻土层受 到基础的约束作用越大, 地表面位移量越小. 远离 基础的地方冻胀位移量越大, 因此冻土层地表发生 弯曲. 一般说来, 有效的约束范围可达基础直径的 童长江等,1985) 如果将有效约束范围内的冻土层简化为一悬臂梁 冻土层与桩基冻结在一起看作是固定端,在其下层 受有冻胀力的作用, 由于冻胀力通常是非均匀的( 故可以简化为三角形分布,在固定端 作用的冻胀力即为切向冻胀力 如图1所示. 材料力学可知,此分布力在梁的固定端处受有剪力 本文于1997-10- 20 收到/ 属国家自然科学基金 59578039)和冻土工程国家重点实验室资助项目. GEOCRYOLOGYVol20 桩基冻拔问题简化模型Fig1Simplified model frostuplift pile 又因为L= 7D, 所以 的作用下,首先在靠近固 定端附近产生裂纹, 则这个受力模型可简化为图1 所示的断裂模型,称为 若剪力远小于弯矩的作用,则可简化为型裂 纹问题. 断裂判据与应力强度因子计算表达式所谓断裂判据, 就是指明冻土发生断裂的临界 条件及表达式. 根据线弹性断裂力学理论, 断裂判 据可定义为: 对于载荷作用下的含裂纹结构 当其应力强度因子K达到某一临界值KC 李洪升等,1990) 料的参数,可由实验测定 李洪升等,1995a, 是表征裂纹尖端附近应力场强弱的唯一参量,裂纹是否导致断裂与裂纹尖端的应力场强度有关, 所以用这个参量建立断裂判据是恰当的. 现在我们回到具体问题上来, 仍然讨论桩基冻 拔问题. 关于冻拔条件的表达式 严格说这个条件是不完备的. 如果切向冻胀力达到一定程度, 使冻土层发生断裂, 力就传不到基础上, 这个条件 就无意义. 因此式 其充分条件就是断裂判据.对桩基的冻拔稳定性 不冻拔)判据应该是 非扩大式基础,埋深超过冻深) 判据1充分必要条件K KIC必要条件 均可.由以上的讨 论可以看出, 断裂判据不是对现行方法的否定, 反是对现行方法的补充和发展,使之更严格和科学 现在讨论应力强度因子K,K的表达式及其 计算. 计算K 值采用的方法有理论分析、实验标定 及有限元数值计算等. 各种情况下的强度因子 为当地应力(裂纹附近的应力) 10)考虑了边界条件、裂纹位 置与形状等因素的影响. 因此, 对不同情况 确定,归结为 的确定,通常 的形式.现在仍以桩基冻拔问题为例, 其冻土受力状态 简化为悬臂梁 在弯矩作用 Wierzbich,1985; Tomin et al 李洪升等:冻土断裂力学在桩基冻拔稳定计算中的应用 桩基冻拔稳定性计算实例某桩基直径 最大冻深为1 及摩阻力F之和 为310 kN, 冻土断裂韧度 试问在下列情况下是否抗冻拔稳定:情况1 冻胀率 09MPa, 情况2冻胀率 14MPa, 计算:总切向冻胀力 90=70 kN因为 所以抗冻拔稳定.总切向冻胀力 140=329 kN因为 所以产生冻拔.下面按断裂力学方法计算: 12)代入式 11)计算K 310MPa 13)计算 006MPa 所以冻土层发生破坏,根据判据 107MPa 020MPa 所以冻土层不会发生断裂, 但由于N 冻拔的必要条件不成立,根据判据2, 产生冻拔. 从以上计算结果看, 两种方法的结论是一致 说明了断裂力学方法的有效性.但两者的内涵 却不相同. 对情况1, 通过断裂力学方法计算, 土层必然在靠近基础表面附近产生断裂,冻拔力也 就失去了作用. 因此, 再用现行方法通过阻拔力大 于冻拔力来判断不会产生冻拔也就失去了物理意 在这种情况下,断裂力学方法完全可以代替现 行方法, 而且力学物理意义清楚. 对情况2, 断裂 判据起到了对现行方法的补充和发展, 增加了一个 充分条件, 使现行方法的判断更完善. 结束语自从 1993 开始将断裂力学理论引入到冻土力 学以来, 取得了很大的进展, 本文把断裂力学方法 应用在冻土工程中. 通过对桩基冻拔的断裂力学分 建立了简化模型,在此基础上讨论了抗冻拔稳 定性的判据, 通过实例计算表明, 断裂力学方法和 传统方法的计算结果是一致的, 进一步说明了断裂 力学方法是对传统方法的补充和发展. 本文的工作 还是初步的, 还有更多更复杂的问题有待进一步研 李洪升等,1990. 工程断裂力学. 大连理工大学出版社, 27~ 29 李洪升等, 1995a. 冻土断裂韧度 的测试研究.冰川冻土, 17 328~333 李洪升等, 1995b. 冻土断裂韧度的K 测试研究.冰川冻土, 17 66~70 1993.松永涝区扩大式桩基础桥抗冻设计与应用. 冰川 冻土, 15 388~390 童长江等, 1985. 土的冻胀与建筑物冻害防治. 北京: 水利电力出 80~81, 140~ 141 Tomin 1986.Analysis failuremodels damageprocesses reshwat er ice OMAE86,Vol. 867~878 Wierzbich 1985.Spalling icesheets, ASCE Arct ic 85conf erence, San Francisco, 953~ 961 FractureMechanics FrozenSoil PileFoundation Uplift LI Hong- Sheng LIUZeng- Li ZHUYuan- lin Depar Engineeri ng Mechani cs Dalian 116023; StateKey Laborat ory Frozen Soi Engineering, LIGG, CAS, 730000) frozensoil engineering problem pilefoundat ion uplift analyzedusing racture me- chanics method, simplifiedmodel stabilit pilefoundat ion uplif presented.Base fracturecret eria stress int ensit application racture mechanics met hod actualfrozen soil engineering detail. racture mechanics met hod rozensoil com-pared conventionalmet hod illustration. Keywores fracturemechanics rozensoil, stress intensity fact racture cret eria, pile oundation up- lift 李洪升等:冻土断裂力学在桩基冻拔稳定计算中的应用

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