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基于数值模拟的独立筒仓基础与地基相互作用研究

一、绪论

1.1研究背景与意义

独立筒仓作为一种常见的储存设备，在粮食、化工、烟草等众多行业中都有着广泛的应用。在粮食行业，筒仓用于储存大量的谷物，保障粮食的安全储备与供应，如在大型粮食储备库中，一排排的独立筒仓整齐排列，承担着粮食的长期储存任务；在化工领域，它可用于存放各类粉状、颗粒状的化工原料，确保生产的连续性，像一些化肥生产企业，筒仓储存着生产所需的大量原料；烟草行业中，独立筒仓用于存储烟草，对烟草的醇化和品质保持起着关键作用。随着各行业的不断发展，对独立筒仓的规模和性能要求也日益提高。

独立筒仓的基础结构是其承重的关键部分，基础的质量、形状和稳定性等因素，都会直接影响到独立筒仓能否安全使用。基础承担着筒仓自身以及所储存物料的全部重量，并将这些荷载传递给地基。若基础设计不合理，如强度不足或刚度不够，在长期承受巨大荷载的情况下，可能会发生基础开裂、下沉等问题，进而威胁筒仓的整体安全。而地基作为支撑基础的土体，其性质与密度的变化同样会对独立筒仓的稳定性产生重要影响。不同类型的地基土，如黏土、砂土、粉土等，具有不同的物理力学性质，其承载能力、压缩性等差异较大。当地基土的承载能力不足时，无法承受基础传递的荷载，会导致地基发生过大的沉降甚至失稳破坏，使筒仓倾斜、开裂，严重影响其正常使用。

因此，深入研究独立筒仓基础与地基的相互作用具有极其重要的意义。从理论层面来看，当前虽然在基础与地基相互作用领域已经取得了一定的研究成果，但由于实际情况的复杂性，如地基土的非均质性、基础与地基接触界面的非线性等因素，现有的理论和方法仍存在一定的局限性。对独立筒仓基础与地基相互作用进行深入研究，有助于进一步完善基础工程理论，揭示其内在的力学机制和规律，为后续的研究提供更坚实的理论基础。

在工程实践方面，准确掌握独立筒仓基础与地基的相互作用关系，能够为独立筒仓的设计和施工提供科学依据。通过合理设计基础的形式、尺寸和材料，以及对地基进行恰当的处理，可以有效提高筒仓的稳定性和安全性，降低工程事故发生的风险。同时，还能在满足工程安全要求的前提下，优化设计方案，避免过度设计造成的资源浪费和成本增加。在实际工程中，若能精确分析基础与地基的相互作用，就可以根据具体的地质条件和工程需求，选择最合适的基础类型和地基处理方法，如对于软弱地基，采用桩基础或地基加固处理措施，确保筒仓的稳定运行。此外，在独立筒仓的运营过程中，对基础与地基相互作用的研究成果也有助于进行结构的健康监测和维护管理，及时发现潜在的安全隐患并采取相应的措施，保障筒仓的长期安全使用。

1.2国内外研究现状

1.2.1圆形基础地基承载力研究现状

地基承载力的研究一直是岩土工程领域的重要课题，圆形基础作为一种常见的基础形式，在实际工程中有着广泛的应用，如高耸的灯塔、大型的油罐等常常采用圆形基础。对于圆形基础地基承载力的研究，国内外学者开展了大量的工作，并取得了一系列成果。

在国外，早期的研究主要基于理论分析和经验公式。太沙基（Terzaghi）提出了基于极限平衡理论的地基承载力计算公式，虽然该公式最初是针对条形基础提出的，但后来也被推广应用于圆形基础等其他基础形式。他通过对地基破坏模式的分析，考虑了土体的黏聚力、内摩擦角以及基础埋深等因素对承载力的影响。随后，斯肯普顿（Skempton）对饱和黏土中浅基础的承载力进行了研究，提出了适用于饱和黏土的承载力公式，其中也包含了圆形基础的情况。这些经典理论为圆形基础地基承载力的研究奠定了基础。

随着研究的深入，一些学者开始考虑更多复杂因素对圆形基础地基承载力的影响。Berezantzev等通过对砂土中深基础的研究，分析了基础埋深和地基轴对称压密变形对地基破坏模式的影响，但该公式在计算相对埋深（H/b）为2≤H/b≤5时的圆形深基础地基极限承载力时，与现场实测值相差较大。为了改进这一问题，刘贯飞和雷胜友通过分析地基土的颗粒移动、土体压密和土体剪切之间的关系，完整阐述了深基础下砂土地基破坏的全过程，将破坏土体分为压密区Ⅰ、剪切区Ⅱ和压密区Ⅲ这3个区，并考虑基础埋深、地基土相对密度和基底粗糙条件对地基破坏模式的影响，确定了各区的范围，建立了适用于相对埋深（H/b）为2≤H/b≤5时的圆形深基础下砂土地基破坏模式，推导了相应的极限承载力计算表达式，使计算结果更接近规范值。

在国内，众多学者也在圆形基础地基承载力研究方面取得了丰富的成果。通过对不同土性、不同基础埋深和尺寸的圆形基础进行理论分析和数值模拟，进一步完善了圆形基础地基承载力的计算方法。一些学者考虑了地基土的非线性特性、基础与地基的相互作用等因素，提出了更为精确的承载力计算模型。此外，还有学者通过现