飽和軟黏土中沉樁以及隨后固結(jié)過程的數(shù)值模擬趙明華

摘 要：考慮土體的K0沉積過程，利用Flac2D軟件對沉樁以及隨后的固結(jié)過程進行了模擬.模擬過程前，首先對沉樁前不同應(yīng)力歷史土體中的原位有效應(yīng)力和剪切模量的取值方法進行了分析.通過數(shù)值模擬，得到了不同應(yīng)力歷史土體中沉樁后孔隙水壓力分布、有效應(yīng)力場，以及孔壓完全消散時的樁側(cè)有效應(yīng)力場.分析了不同應(yīng)力歷史、不同初始含水量、不同剪切模量對固結(jié)完成后樁側(cè)土體不排水抗剪強度提高幅度的影響，探討了土體結(jié)構(gòu)性對沉樁后樁側(cè)土體的孔隙水壓力以及固結(jié)完成時樁側(cè)土體徑向有效應(yīng)力、不排水抗剪強度的影響.傳統(tǒng)圓孔擴張理論將沉樁過程看作是一個平面應(yīng)變問題，忽略了問題的三維本質(zhì)，本文根據(jù)應(yīng)力路徑的相似性給出了考慮空間性的辦法.

關(guān)鍵詞：軟土；沉樁；固結(jié)；修正劍橋模型；不排水抗剪強度；應(yīng)力路徑

中圖分類號：TU4703 文獻標識碼：ANumerical

長期以來由于測試技術(shù)等方面的限制，工程界只關(guān)注到樁在加荷階段的應(yīng)力狀態(tài)，而一般忽略樁加荷前土體應(yīng)力狀態(tài)和加荷過程對最后結(jié)果的影響，自20世紀70年代以來，由于樁基工程給設(shè)計和施工提出了更高的要求以及測試技術(shù)的進步，國內(nèi)外進行了大量埋置儀器受壓樁的靜載試驗研究，結(jié)果表明沉樁過程引起的超孔隙水壓力、殘余應(yīng)力以及隨后的固結(jié)過程對軟黏土靜壓樁的實驗結(jié)果有很大的影響，人們逐漸認識到一個完整而合理的樁基礎(chǔ)設(shè)計應(yīng)當考慮沉樁過程、隨后的固結(jié)過程和加載過程.國內(nèi)外在這個方面開展了許多研究，模擬方法主要有圓孔擴張理論和應(yīng)變路徑法，模擬手段分為解析方法、數(shù)值方法和試驗研究.

圓孔擴張理論將沉樁過程看作是一個圓柱形孔的不排水擴張過程，采用平面應(yīng)變假定.Vesic＼[1＼]1972年首次得到了該問題的理論解，他假設(shè)土體是理想彈塑性材料，符合MohrCoulomb破壞準則，推導(dǎo)得出了無限土體內(nèi)初始半徑為r的圓筒形孔或球形孔，被均勻壓力p所擴張的一般解.Carter等人＼[2＼]初步運用修正的劍橋模型＼[3＼]去模擬樁周土體，以此來考慮應(yīng)力歷史對沉樁過程的影響.Randolph等人＼[4＼]根據(jù)修正的劍橋模型，以波士頓藍黏土為例，運用有限單元法，考慮了黏土的沉積形成、沉樁過程對樁周土體應(yīng)力場的影響，但是文中關(guān)于剪切模量與最大體積模量相聯(lián)系的作法值得商榷，而這對最后的結(jié)果有不小的影響.Carter等人＼[5＼]采用非關(guān)聯(lián)的流動法則，給出了砂土中圓孔擴張問題的解析解.

應(yīng)變路徑法＼[6＼]從問題描述上，能夠最準確反映沉樁的過程特性.該理論將地基看作一種特殊的流體，將樁體看成一個光滑的圓形剛體，以一定的速度貫入均勻流場，從而得到了獨立于本構(gòu)關(guān)系的位移場.但該方法沒有簡單的形式，限制了其應(yīng)用，同時假設(shè)土體不可壓縮且無摩擦也與實際有一定差別.

本文結(jié)合圓孔擴張理論，將沉樁看作是一個圓柱形孔的不排水擴張過程，考慮天然土體的K0沉積過程，利用Flac2D軟件對沉樁以及隨后的固結(jié)過程進行有限差分模擬.模擬過程前，首先對不同超固結(jié)比土體的原位有效應(yīng)力和剪切模量的取值進行分析.

6 結(jié) 語

本文運用有限差分程序Flac（5.0）2D對沉樁以及隨后的固結(jié)過程進行了數(shù)值模擬，得到如下結(jié)論：

1）沉樁結(jié)束時樁側(cè)超靜孔壓隨超固結(jié)比增加而減小，在徑向成對數(shù)遞減趨勢.

2）孔壓完全消散后，不同應(yīng)力歷史情形樁土界面處土體不排水抗剪強度提高幅度約為30%到50%，超固結(jié)比不變，剪切模量增大時，土體強度提高幅度會降低.土體靈敏度越高，成樁后樁側(cè)超靜孔壓會越高；孔壓消散時，樁側(cè)土體不排水抗剪強度會隨著靈敏度的升高而降低

3）仍然采取平面應(yīng)變假設(shè)，取樁側(cè)2個點進行數(shù)值計算就可以基本確定樁側(cè)的超靜孔壓分布和有效應(yīng)力場.

4）結(jié)構(gòu)性黏土的研究表明，天然土體由于非等壓固結(jié)作用，導(dǎo)致屈服面在qp′平面內(nèi)以K0線為對稱軸，而非p′軸，關(guān)于這一點對最后結(jié)果的影響，仍然需要進行進一步的研究.對土體的結(jié)構(gòu)性需要建立一個合理的描述框架，并與本構(gòu)關(guān)系有機地結(jié)合起來.本文在處理空間性時，一個隱含的假定是土體是單層的，這樣應(yīng)力路徑才會相似，然而實際中土體常常表現(xiàn)為成層性，如何將本文結(jié)果推廣到多層地基中需要進一步的工作.

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