ANSYS模拟与传统实验沉降量对比研究

邵迟，周斌，吴文凯，陈勇



ANSYS模拟与传统实验沉降量对比研究

邵迟1，周斌1，吴文凯2，陈勇2

（1.湖南工业大学土木工程学院，湖南株洲 412007；2. 湖南桃花江核电有限公司，湖南益阳 413000）

利用有限元对沉降量进行了分析，从位移和应力两个方面进行了论述，通过传统载荷试验取得了三个点的载荷试验数据，绘制了相应的P-S曲线，提出了建立物理-力学计算模型得到精确解的方法；进行了两种状态下混凝土沉降量研究，并通过计算取得了最佳的垫层厚度。研究结果表明，采用ANSYS模拟的沉降量比传统试验得到的沉降量小，且相对误差限为21%，达到了混凝土垫层设计厚度满足刚度要求的效果，解决了核电强夯区永久仓库能够存放货物的问题。

载荷试验；有限元；沉降量；模型；研究

根据国务院文件精神，桃花江核电厂工程暂停建设，但很多大型起重机、超重型货物以及大型的电仪设备遇到恶劣的天气容易发生锈蚀，用脚手架和篷布搭建临时棚厂需要人员定期养护，非常耗费资金、人力、物力，所以建一个永久仓库是必要的。永久仓库C库位于益阳桃花江沾溪镇，场地系低山丘陵区，仓库地基已进行回填夯实。土基回弹模量是路面结构设计中必不可少的设计参数，直接影响路面设计的厚度[1]。依据强夯检测报告[2]，地基承载力特征值满足150kPa要求。在浇筑仓库面层后­­­，湖南桃江核电有限公司要求在设计单位提供的仓库地坪设计荷载基础上，校核永久仓库地坪的实际承载能力是否满足150kPa要求。

为了找到地基承载力在同一土层不同点测定时的一般规律，选用直径62cm的圆形板作为承压板。在方形和圆形压板两种压板加载试验下，地表的变形曲线极其相似，复合地基中，承压板的面积大小对地基的沉降量有一定的影响，为反映复合地基的变形及工作性状，一般应选用与单桩处理面积相近的大面积压板进行载荷试验[3]。复合地基承载力特征值随着垫层厚度的增加，先增大，后减小。可见垫层厚度存在最优值，其对复合地基承载力特征值的影响也是很明显的[4]。

ANSYS按功能作用可分为一个前处理模块、一个分析计算模块、两个后处理模块和几个辅助处理模块等。前处理模块用于生成有限元模型；分析计算模块用于施加载荷及边界条件，完成求解计算；后处理模块用于获得求解结果，以便对模型作出评估[5]。但对于ANSYS模拟与传统实验沉降量对比研究，前人研究较少，有待进一步研究。因此，先用ANSYS分析出最大沉降量，再通过试验对比研究验证其合理性是很有必要的。

表1 模拟模型基本条件

参数模拟圆柱体面层直径（cm）模拟圆柱体面层厚度（cm）模拟圆柱体面层材料模拟圆柱体面层约束模拟圆柱体均布荷载方向圆形面均布荷载大小（kPa） 模型162（扩散后）20C30混凝土 无约束辐射作用于顶部向下沿负y方向420

1 步骤

选择三个具有代表性的测试点TL-01、TL-02、TL-03，运用垫层扩散理论进行载荷试验，目的非常明确。当上部结构有荷载作用时，地基土和地坪通过纵向联系共同分担，垫层将荷载传递给土体，避免应力集中。一般来说，垫层厚度越厚，应力扩散越明显，地坪承载力特征值也就越大。

选用实体SOLID92、COMBIN14；根据坐标生成节点，采用直接法构建有限元模型，模拟圆柱体面层直径162cm，模拟圆柱体面层厚度20cm，模拟圆柱体面层材料为C30混凝土，模拟圆柱体面层无约束，模拟圆柱体均布荷载方向为辐射作用于顶部向下沿负y方向，圆形面均布荷载大小为420kPa（表1）。

具体步骤为：选择单元类型→实常数→成有限元模型→出结果设置→网格划分→施加位移约束→施加均布荷载→求解→定义均布荷载处变量→节点位移、满载UY变形绘图显示→Von Mises应力、满载UX应力绘图显示→规律列表显示。

2 有限元模型的建立

2.1 单元选取

采用ANSYS软件的APDL参数化有限元技术分析，对垫层进行参数化建模，结果见图1~图2。

图1 节点位移

图2 满载UY变形

2.2 材料属性

垫层材料为C30混凝土，弹性模量为30GPa，泊松比为0.3，轴心抗压强度设计值20.1MPa，轴心抗拉强度设计值14.3MPa。采用ANSYS中的SOLID92实体单元通过10节点来定义网格划分，分析其刚度特性、应力状态，以提高模型的计算精度。圆形承载板直径62cm，根据垫层扩散理论，扩散半径81cm。

表2 有限元位移应力数值表

2.3 结果与分析

通过ANSYS的Preprocessor-Solution-General Postproc三个阶段的批处理，可以简单直观的得到节点位移云图、满载UY变形云图。

结合APDL参数化有限元分析，模型满足刚度要求，代数精度达到小数点后三位，因此在对试验装置初步模拟后，利用有限元分析软件模拟数值分析进一步求得精确解是很有必要的，下面依据传统现场载荷试验计算节点沉降量变化。

在模型的均布荷载作用位置，存在最大节点竖向位移0.529mm，圆柱体最边缘处存在最小竖向位移0.0588mm；UY水平位移在荷载作用中心存在最大水平位移0.0871mm，圆柱体最边缘处存在最小水平位移-0.0855mm，水平位移差值0.0016mm。

表3 设计材料厚度及控制参数

Mises等效应力从边缘到荷载作用中部变化范围为397.803kPa～3 653kPa，UX水平方向应力从边缘到荷载作用中部变化范围为-1 833kPa（受拉）～611.231kPa（受压）。

3 传统现场载荷试验

3.1 试验设计

1）几何尺寸（如图3）

图3 载荷试验点位置示意图

2）试验最大加载量计算

强夯地基的承载力特征值为P=150kPa，根据垫层扩散（如图4）理论，承载面积取1m2，垫层扩散角取20°。考虑2倍以上的安全系数，本次试验的最大加载量取420kPa。

图4 应力扩散计算简图

3）试验方案

根据强夯检测报告，结合仓库地坪现状的实际，在比较容易实现设备操作的吊车一跨内，选取地基承载力特征值较低的点，以使其具有代表性。具体选取的检验点位置：第一点（TL-01）在10轴与J轴之间，第二点（TL-02）在21轴与J轴之间，第三点（TL-03）在29轴与J轴之间。

表4 载荷试验成果汇总表

采用堆载反力平台提供反力，手动加载、卸载和记录试验数据，承载板直径62cm。试验时每级加荷30kPa，分14级加载，终止荷载为420kPa。沉降稳定标准为连续2h，沉降量每小时不超过0.1mm或连续1h沉降量每30min不超过0.05mm。

3.2 试验数据分析

试验点的最大沉降量见表4，P-S曲线见图5～图7。

图5 TL-01变形曲线

图6 TL-02变形曲线

图7 TL-03变形曲线

载荷试验结果显示：TL-01～TL-03的载荷试验p-s曲线较平缓，TL-01最大沉降量为0.15mm，TL-02最大沉降量为0.58mm，TL-03最大沉降量为0.52mm，既无明显的比例界限荷载，也无明显的极限荷载，取最大加载量（420kPa）的一半作为永久仓库C库地坪承载力特征值，即。

4 混凝土垫层沉降量及厚度的计算

永久仓库地坪的混凝土强度等级为C30，载荷试验的物理模型，设千斤顶和载荷板的刚度为无穷大，力学模型如图8。

混凝土地坪面层的强度等级为C30，厚度30cm；地坪垫层的强度级为C30，厚度为20cm，粘性土。荷载组合方式采用基本组合[5]，可变荷载按30kpa逐级加载，变化范围为30~420kpa。

集中力作用在圆形承载板上，取=1cm进行计算，则集中荷载可以等效为长为2R宽为的矩形窄条，并考虑垫层的应力扩散效应，扩散半径为r=30+20=50cm。

承载板直径62mm，厚度为40mm，容重为78.5kN/m3，所以当加载值达到最大时，出现最不利荷载位置，即荷载板边缘。

图8 力学模型

表5 B、C两点沉降量（计算值）

5 结论

1）建立基于ANSYS的有限元模型得到的均布荷载作用位置，存在最大节点竖向位移0.529mm；在传统试验计算结果中，存在最大节点竖向位移0.67mm，数据精度均达到四阶，模拟值小于实验值，相对误差限为。

2） UY水平位移在荷载作用中心存在最大水平位移0.0871mm，圆柱体最边缘处存在最小水平位移-0.0855mm，水平位移差值，对竖向位移的影响可以忽略。

4） 载荷试验中TL-01、TL-02、TL-03三点的沉降量分别为0.15mm、0.58mm、0.52mm，P-S曲线既无明显的比例界限荷载，也无明显的极限荷载，混凝土地坪也没出现裂缝，表明采用垫层扩散理论计算的垫层沉降量是正确可靠的，永久仓库地坪沉降量、强度、刚度和稳定性满足设计要求。

参考文献:

[1] 胡顺洋，刘海，严秀俊.强夯法处理吹填砂土基的试验研究[J].铁道建筑，2012，（03）：83.

[2] 湖南桃花江核电站强夯地基检测报告[R].

[3] 张珊菊.地基变形特性研究及其在平板载荷试验中的应用[D].广州：广东工业大学，2004.

[4] 史三元，杨砚宗，王浩然.垫层对载荷试验成果影响的试验分析[J].煤炭工程，2008，（07）：88.

[5] 王金龙.ANSYS12.0土木工程应用实例解析[M].机械工业出版社，2011.

Correlation of ANSYS Simulation and Traditional Experimental Settlement

SHAO Chi1ZHOU Bin1WU Wen-kai2CHEN Yong2

（1-Institute of civil engineering & architecture, Hunan University of Technology, Zhuzhou, Hunan 412007; 2-Hunan Taohuajiang Nuclear Power Co., Ltd., Yiyang, Hunan 413000）

The present paper has a discussion on settlement by finite element from displacement and stress and puts forward a physics-mechanics calculation model based on P-S curve. Concrete settlement in two states is studied and the best cushion thickness is calculated. The results indicate the settlement simulated by ANSYS is less than that by traditional test with the relative error limit of 21%, obtaining the result of concrete thickness of cushion design satisfying the requirement of stiffness.

load test; finite element settlement; model; research

TU470

A

1006-0995（2016）03-0457-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2016.03.026

2015-11-12

邵迟（1992-），男，湖北武穴人，硕士研究生，主要从事岩土工程方向研究