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摘要：本文结合具体施工情况，应用有限元模拟计算法，重点阐述了大型建筑物在正常生产运行条件下，进行水平置换分离技术过程中切割面区应力变化情况。
关键词：有限元计算水平置换切割应力变化
1工程概况
某大型基础改造，要求在不停产条件下切割基墩上部1.80米部分，完成基础拆除前切割剥离面施工。基础的基墩直径为19.6m，基础高5.29m，竖向荷载10000t。
基础配筋量按原设计图纸，周围立筋Ф32@150，箍筋Ф22@150，基础顶部配筋Ф32@150。基墩混凝土材料弹性模量取C25混凝土的弹性模量
，泊松比 。
基础中钢筋弹性模量取二级螺纹钢的弹性模量。基础切割拆除拟钻孔孔径取108mm，孔距为1.56m，采用间隔开孔。 绳锯锯口宽取10.5mm，每一切割回次切割面积约30m2±,采用间隔切割。切断面填充材料弹性模量取
。
无收缩灌浆料抗压强度取1天为22-27Mpa ，3天为38-45Mpa。
2技术路线
为了确保间隔作业切割形成断面过程中，始终处在稳定状态且不影响正常生产活动的进行,要求对已切割单元横断面钻孔或锯口缝，采用充填置换压力注浆技术对其进行充填置换补强处理,并且要通过建立基墩钻切置换充填过程力学计算模型, 采用有限元程序(I-deas)模拟切割面区应力变化进行分析，分析计算预测切割面区附近的应力情况及发展趋势，为设计安全高效的施工方案提供依据。
3有限元分析
3.1有限元模型
根据结构的对称性，取一半结构作为计算模型。图1是此地基的有限元模型。模型中混凝土体采用四面体，六面体单元，钢筋采用梁单元，其中体单元215879个，梁单元19625个。
图1有限元网格图
图2有限元边界条件图
3.2有限元计算
（1）钻孔
首先我们对模型进行未钻孔前进行有限元解算。然后根据绳锯切割面积要求，钻12个孔，对此一半模型钻6个孔，从对称面延直径依次钻空，孔截面，孔距1.56m。分别对钻孔模型进行有限元解算。计算边界条件如图2所示，底面施加边界约束，侧面施加对称约束，顶面施加均布压力，对模型整体施加重力载荷，采用静力解法解算。通过计算分析，模型整体在受载后最大沉降量是，模型最大应力出现在底面，其值是。钻孔1模型整体在受载后最大沉降量是，模型最大应力出现在底面，其值是。钻孔处有应力集中，其处最大应力值是。七个模型的计算结果见表1。
表1钻孔与原模型结果列表
模型
结果 未钻孔 挖1孔 挖2孔 挖3孔 挖4孔 挖5孔 挖6孔
最大位移
6.92 6.93 6.87 6.93 6.88 6.93 7.81
X方向最大应力 0.0189 0.0189 0.0281 0.028 0.028 0.028 0.028
Y方向最大应力 0.0233 0.0253 0.0349 0.0345 0.0344 0.0344 0.0344
Mises应力
0.442 0.445 0.445 0.445 0.522 0.522 0.59
从表1 可以看出，C25号混凝土的设计强度轴心抗压为，轴心抗拉。从表中可以看出钻孔对结构位移及应力影响不大，应力值远小于设计强度。因此，钻孔顺序可按合理的施工要求进行。
（2）极限孔距
钻孔结束后，我们在拟定切割单元顺序前，不考虑钻石绳锯的切割能力，和每次切割填充后应力从分布的影响,只考虑结构的设计强度，计算基墩最大切割长度。根据所拟定的孔距，从对称面沿直径切割，每次切割。计算边界条件如图2所示，底面施加边界约束，侧面施加对称约束，顶面施加均布压力，对模型整体施加重力载荷。采用静力解法解算。
表2 极限孔距切块模型结果列表
模型
结果 切1块单元 切2块单元 切3块单元
最大位移
8.59 8.86 9.51
X方向最大应力 0.138 0.387 1.06
Y方向最大应力 0.333 0.997 2.25
Z方向最大应力 0.26 0.28 0.57
Mises应力
1.02 3.96 5.98
表2列出了极限孔距切块模型结果列表，从表中数据可知Y方向最大应力值比其他两个方向的大。当切割2块（即一次切割长度为2.34m）时Y方向最大应力值达到.当切割3块（即一次切割长度为3.9m）时Y方向最大应力值达到此时结构拉应力最大早已被拉坏。
3.3结果分析
（1）方案1的结果分析
表3是方案1的计算结果,从结果中可以看到随着切割块数的增加各个结果值均有增长。
表3方案1的计算结果列表
模型
结果 1块 2块 3块 4块 5块 6块
最大位移
8.59 9.14 9.13 9.19 9.12 9.7
X方向最大应力 0.138 0.108 0.117 0.148 0.15 0.177
Y方向最大应力 0.333 0.294 0.301 0.303 0.372 0.393
Z方向最大应力 0.26 0.189 0.289 0.56 0.56 0.56
Mises应力
1.02 1.68 2.05 1.81 1.93 2.82
由上表知最大拉应力为，设计强度轴心抗拉。按最大拉应力理论，
可算出安全储备
（2）方案2结果分析
表4是方案2的计算结果,从结果中可以看到随着切割块数的增加各个结果值均有增长。
表4方案2的计算结果列表
模型
结果 1块 3块 5块 2块 4块 6块
最大位移
8.59 8.84 9.05 9.41 9.61 9.64
X方向最大应力 0.138 0.179 0.127 0.109 0.155 0.157
Y方向最大应力 0.333 0.322 0.371 0.4 0.398 0.371
Z方向最大应力 0.26 0.224 0.217 0.193 0.328 0.339
Mises应力
1.02 1.47 1.95 1.98 1.74 2.46
由上表知最大拉应力为，设计强度轴心抗拉。按最大拉应力理论，
可算出安全储备
4结论
(1)以有限元模拟计算数据为依据，按照“间隔钻孔、对称切割、及时填充置换”的原则系统整合剥离面生产技术的工艺。 (2) 由于切块顺序不同，对模型应力分布会有不同影响。拟定两种计算方案，第一种顺次切割123456块，第二种按135246顺切割。由上结果分析可知,方案2较方案1安全储备大,应力增长变化相对小,因此应采用间隔切割。
参考文献:
张伟.地质钻探技术发展有关问题的思考[J].探矿工程（岩土钻掘工程）,2007,1
李建森 管磨机有限元计算及应力分析 中国建材工业出版社 (2009-11)
张应迁、 张洪才 ANSYS有限元分析從入门到精通. 人民邮电出版社 (2010-07)
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：有限元计算水平置换切割应力变化
1工程概况
某大型基础改造，要求在不停产条件下切割基墩上部1.80米部分，完成基础拆除前切割剥离面施工。基础的基墩直径为19.6m，基础高5.29m，竖向荷载10000t。
基础配筋量按原设计图纸，周围立筋Ф32@150，箍筋Ф22@150，基础顶部配筋Ф32@150。基墩混凝土材料弹性模量取C25混凝土的弹性模量
，泊松比 。
基础中钢筋弹性模量取二级螺纹钢的弹性模量。基础切割拆除拟钻孔孔径取108mm，孔距为1.56m，采用间隔开孔。 绳锯锯口宽取10.5mm，每一切割回次切割面积约30m2±,采用间隔切割。切断面填充材料弹性模量取
。
无收缩灌浆料抗压强度取1天为22-27Mpa ，3天为38-45Mpa。
2技术路线
为了确保间隔作业切割形成断面过程中，始终处在稳定状态且不影响正常生产活动的进行,要求对已切割单元横断面钻孔或锯口缝，采用充填置换压力注浆技术对其进行充填置换补强处理,并且要通过建立基墩钻切置换充填过程力学计算模型, 采用有限元程序(I-deas)模拟切割面区应力变化进行分析，分析计算预测切割面区附近的应力情况及发展趋势，为设计安全高效的施工方案提供依据。
3有限元分析
3.1有限元模型
根据结构的对称性，取一半结构作为计算模型。图1是此地基的有限元模型。模型中混凝土体采用四面体，六面体单元，钢筋采用梁单元，其中体单元215879个，梁单元19625个。
图1有限元网格图
图2有限元边界条件图
3.2有限元计算
（1）钻孔
首先我们对模型进行未钻孔前进行有限元解算。然后根据绳锯切割面积要求，钻12个孔，对此一半模型钻6个孔，从对称面延直径依次钻空，孔截面，孔距1.56m。分别对钻孔模型进行有限元解算。计算边界条件如图2所示，底面施加边界约束，侧面施加对称约束，顶面施加均布压力，对模型整体施加重力载荷，采用静力解法解算。通过计算分析，模型整体在受载后最大沉降量是，模型最大应力出现在底面，其值是。钻孔1模型整体在受载后最大沉降量是，模型最大应力出现在底面，其值是。钻孔处有应力集中，其处最大应力值是。七个模型的计算结果见表1。
表1钻孔与原模型结果列表
模型
结果 未钻孔 挖1孔 挖2孔 挖3孔 挖4孔 挖5孔 挖6孔
最大位移
6.92 6.93 6.87 6.93 6.88 6.93 7.81
X方向最大应力 0.0189 0.0189 0.0281 0.028 0.028 0.028 0.028
Y方向最大应力 0.0233 0.0253 0.0349 0.0345 0.0344 0.0344 0.0344
Mises应力
0.442 0.445 0.445 0.445 0.522 0.522 0.59
从表1 可以看出，C25号混凝土的设计强度轴心抗压为，轴心抗拉。从表中可以看出钻孔对结构位移及应力影响不大，应力值远小于设计强度。因此，钻孔顺序可按合理的施工要求进行。
（2）极限孔距
钻孔结束后，我们在拟定切割单元顺序前，不考虑钻石绳锯的切割能力，和每次切割填充后应力从分布的影响,只考虑结构的设计强度，计算基墩最大切割长度。根据所拟定的孔距，从对称面沿直径切割，每次切割。计算边界条件如图2所示，底面施加边界约束，侧面施加对称约束，顶面施加均布压力，对模型整体施加重力载荷。采用静力解法解算。
表2 极限孔距切块模型结果列表
模型
结果 切1块单元 切2块单元 切3块单元
最大位移
8.59 8.86 9.51
X方向最大应力 0.138 0.387 1.06
Y方向最大应力 0.333 0.997 2.25
Z方向最大应力 0.26 0.28 0.57
Mises应力
1.02 3.96 5.98
表2列出了极限孔距切块模型结果列表，从表中数据可知Y方向最大应力值比其他两个方向的大。当切割2块（即一次切割长度为2.34m）时Y方向最大应力值达到.当切割3块（即一次切割长度为3.9m）时Y方向最大应力值达到此时结构拉应力最大早已被拉坏。
3.3结果分析
（1）方案1的结果分析
表3是方案1的计算结果,从结果中可以看到随着切割块数的增加各个结果值均有增长。
表3方案1的计算结果列表
模型
结果 1块 2块 3块 4块 5块 6块
最大位移
8.59 9.14 9.13 9.19 9.12 9.7
X方向最大应力 0.138 0.108 0.117 0.148 0.15 0.177
Y方向最大应力 0.333 0.294 0.301 0.303 0.372 0.393
Z方向最大应力 0.26 0.189 0.289 0.56 0.56 0.56
Mises应力
1.02 1.68 2.05 1.81 1.93 2.82
由上表知最大拉应力为，设计强度轴心抗拉。按最大拉应力理论，
可算出安全储备
（2）方案2结果分析
表4是方案2的计算结果,从结果中可以看到随着切割块数的增加各个结果值均有增长。
表4方案2的计算结果列表
模型
结果 1块 3块 5块 2块 4块 6块
最大位移
8.59 8.84 9.05 9.41 9.61 9.64
X方向最大应力 0.138 0.179 0.127 0.109 0.155 0.157
Y方向最大应力 0.333 0.322 0.371 0.4 0.398 0.371
Z方向最大应力 0.26 0.224 0.217 0.193 0.328 0.339
Mises应力
1.02 1.47 1.95 1.98 1.74 2.46
由上表知最大拉应力为，设计强度轴心抗拉。按最大拉应力理论，
可算出安全储备
4结论
(1)以有限元模拟计算数据为依据，按照“间隔钻孔、对称切割、及时填充置换”的原则系统整合剥离面生产技术的工艺。 (2) 由于切块顺序不同，对模型应力分布会有不同影响。拟定两种计算方案，第一种顺次切割123456块，第二种按135246顺切割。由上结果分析可知,方案2较方案1安全储备大,应力增长变化相对小,因此应采用间隔切割。
参考文献:
张伟.地质钻探技术发展有关问题的思考[J].探矿工程（岩土钻掘工程）,2007,1
李建森 管磨机有限元计算及应力分析 中国建材工业出版社 (2009-11)
张应迁、 张洪才 ANSYS有限元分析從入门到精通. 人民邮电出版社 (2010-07)
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。