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我国多流域、多湖泊,是世界上洪涝灾害最严重的国家之一,有三分之二的国土面积存在不同程度和类型的洪涝灾害。随着经济的发展,社会财富逐年增加,洪涝灾害造成的损失也随之增加。为了减少人民生命财产的损失,国家每年要投入大量的人力和财力用于防汛抢险和流域治理。在众多的防汛抢险和流域治理的方法中,沉桩作业起到的作用不可替代。
防汛抢险螺旋桩机系统是近几年发展起来的用于防汛抢险沉桩作业的一套系统。该系统主要由机架、减速电机、控制开关、螺旋接头和防汛抢险螺旋桩组成,有便携,沉桩耗时短,桩体能够重复利用等特点。为了使螺旋桩能够更好地运用于现实沉桩作业,需要了解桩土的作用规律,提升桩机系统性能和工作效率。
本论文针对防汛抢险沉桩过程进行研究：
(1)通过算例比对分析侵蚀接触算法、SPH法和ALE算法,选定ALE算法作为本论文的仿真算法。
(2)利用ANSYS/LS_DYNA建立桩锤-木桩-土壤模型,采用ALE算法动态模拟打桩过程,探讨了打桩过程中木桩受力情况,以及土壤应力变化情况,解析打桩过程中的冲击效应,揭示打桩产生次生灾害的原因。
(3)建立螺旋桩-土壤有限元模型,采用ALE算法对螺旋桩沉桩过程进行仿真分析。根据具体的计算机硬件水平,在计算的过程中采用弹性体一刚体互换的方法减少计算时间。根据现场作业情况,对螺旋桩施加固定的旋转载荷和位移载荷,分析沉桩过程中桩体受力及应变情况,为优化桩体结构提供参考。通过对沉桩过程的仿真分析,得出螺旋桩旋进过程所需的最小扭矩值为491.57Nm和桩机系统最小功耗值为1.208kW,仿真输出扭矩曲线与试验测得曲线相近。
(4)仿真分析了不同桩体结构参数下螺旋桩沉桩过程,包括不同桩体外径和不同螺旋导程对沉桩过程中桩体受载扭矩的影响。通过仿真计算得出在一定范围内桩体受载扭矩随着桩体外径的增加而增大,随着螺旋导程的增加而减小。
(5)进行木桩和螺旋桩的挂缆效果仿真,得出两种桩在5000N缆绳拉力作用下的桩顶偏移量,分别为89.7mm和76.1mm,说明了采用螺旋桩具有可行性。