基于Terzaghi有效应力的地下粮仓浮力折减研究

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五谷者万民之抄命,国之重宝,粮食问题自古至今都是维持社会稳定的大事。地下粮仓因其机械化程度高、隐蔽性高、节约土地、节能、恒低温等优点成为了未来粮仓的发展趋势。如今的地下结构包括地下粮仓的抗浮设计主要是依靠Archimedes定律进行浮力计算地下结构所受浮力,进而进行抗浮设计,未考虑地下粮仓受到周围土体的侧摩阻力、吸附力等有利因素的影响。因此,本课题以实际的地下粮仓为研究背景,基于Terzaghi有效应力,考虑地下粮仓侧壁回填二八灰土的工况,通过地下粮仓缩尺模型,以注水高度模仿地下水浮力变化的思路,分别对地下粮仓直径分别为400mm、500mm、600mm三组,每组又分为侧壁回填10cm、20cm、30cm三种工况,做了共9组注水上浮试验。研究分析了以下内容:(1)提出了基于Terzaghi有效应力的地下粮仓受到的侧壁土体对地下粮仓的侧摩阻力、吸附力的计算方法,并就此构建了实际浮力的计算模型,并设计了地下粮仓注水试验的试验方案。(2)通过二八灰土的密度试验和土工试验,采集到了注水试验时侧壁回填二八灰土的干密度、饱和密度以及作为土体抗剪强度指标的内摩擦角、粘聚力等物理参数。(3)基于Terzaghi有效应力计算了地下粮仓受到其侧壁土体的吸附力、侧摩阻力,进而计算出了地下粮仓的实际浮力。(4)使用ABAQUS有限元模拟软件,对试验结论进行对比验证。通过对研究内容的研究和试验结果的分析得到以下结论:(1)对地下粮仓的运动状态受力分析时的起浮水位,要早于试验观察测量到的地下粮仓发生位移的起浮水位,说明地下粮仓的起浮相较于受力角度的运动状态具有一定的滞后性,也证明了地下粮仓受到了侧壁回填土对其的侧摩阻力和吸附力等有利于其起浮的力。(2)当地下粮仓的直径为400mm时,改变地下粮仓侧壁回填二八灰土的高度分别为10cm、20cm、30cm时的浮力折减系数分别为0.98、0.95、0.92;当地下粮仓的直径为500mm时,改变地下粮仓侧壁回填二八灰土的高度分别为10cm、20cm、30cm时的浮力折减系数分别为0.96、0.94、0.90;当地下粮仓的直径为600mm时,改变地下粮仓侧壁回填二八灰土的高度分别为10cm、20cm、30cm时的浮力折减系数分别为0.94、0.91、0.88。试验结果表明地下粮仓侧壁回填土高度的增加会提高地下粮仓的抗浮能力,具体为地下粮仓侧壁回填土高度每增加10cm,其能多抵抗3%的浮力。(3)利用ABAQUS有限元软件对地下粮仓注水起浮试验进行模拟,结果表明,通过构建有限元模型,得到的地下粮仓注水起浮试验的起浮水位和浮力折减系数的模拟结果和试验结果变化规律基本一致。起浮水位的最大偏差率绝对值为3.6%,浮力折减系数的最大偏差率绝对值为2.2%。说明通过构建有限元模型模拟基于Terzaghi地下粮仓受到的地下粮仓受到的地下水位的影响是可靠的,为以后的抗浮设计提供参考。(4)把地下粮仓与其侧壁回填二八灰土的接触面积作为自变量时,发现随着接触面积的增加,地下粮仓起浮时的起浮水位逐渐升高,地下粮仓的抗浮能力增强。具体为地下粮仓与其侧壁回填土的接触面积每增加1m~2,地下粮仓起浮时的起浮水位就增加0.257m。(5)通过MATLAB软件,采用最小二乘法推导出回填工况下地下粮仓在起浮时的起浮水位和浮力折减系数的计算公式,为以后的抗浮设计提供理论指导。
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