復(fù)合地基墊層破壞模式的試驗研究與數(shù)值模擬

朱小軍 趙學(xué)亮 龔維明 徐國平

(1 東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京210096)

(2 中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京100088)

剛性樁復(fù)合地基的樁體剛度大，樁體承擔(dān)大部分荷載，無法充分發(fā)揮樁間土體的承載力.在剛性樁頂設(shè)置碎石墊層，可改善樁土荷載的分配［1］.毛前等［2］采用理想球形孔擴張模式探討了樁頂刺入墊層的破壞模式;王年云［3］在討論墊層最大厚度時采用了太沙基破壞模式;池躍君等［4］認(rèn)為墊層破壞模式可采用Mandel Salencon 破壞模式;王風(fēng)池等［5］根據(jù)復(fù)合地基墊層的厚度確定其破壞模式;周龍翔等［6］根據(jù)褥墊層的受力機理推導(dǎo)出計算剛性結(jié)構(gòu)層下褥墊層最小厚度的理論公式.

本文對不同厚度碎石墊層復(fù)合地基進(jìn)行室內(nèi)模型試驗.在模型試驗基礎(chǔ)上，對PFC 軟件進(jìn)行二次開發(fā)，借助顆粒流理論在處理土與結(jié)構(gòu)物的相互作用、大變形與破壞方面的優(yōu)勢以及能模擬碎石顆粒細(xì)觀特性等特點［7］，模擬了相應(yīng)情形下碎石墊層與樁頂?shù)钠茐臋C理.

1 模型試驗

1.1 試驗簡述

剛性樁復(fù)合地基碎石墊層試驗布置示意圖見圖1.模型箱深800 mm，長800 mm，寬500 mm，正面為20 mm 厚透明鋼化玻璃，其余四面為10 mm厚鋼板.模型樁采用半模實心鋼樁，半模樁貼于模型箱鋼化玻璃內(nèi)側(cè)，樁身表面貼有應(yīng)變片，并用硅膠包裹住.樁頂鋪設(shè)碎石墊層，并用染色砂設(shè)置標(biāo)志層，試驗地基土樣采用粉土.樁頂和土頂分別埋設(shè)量程為3 和0.5 MPa 的土壓力盒.

圖1 試驗裝置示意圖

試驗采用快速荷載法，加載速率控制為0.05 mm/s，每級荷載為40 kPa，預(yù)計極限荷載為240 kPa，每級加載30 min 后依次進(jìn)行土體位移場記錄、樁身應(yīng)變記錄、樁頂和樁間土的土壓力盒數(shù)據(jù)采集、墊層位移讀數(shù).數(shù)碼相機架設(shè)于模型箱前，拍攝數(shù)字照片，記錄土體變形觀測點和染色砂標(biāo)志層的變位.共進(jìn)行了3 組模型試驗，詳細(xì)參數(shù)見表1.

表1 模型試驗參數(shù)

1.2 試驗結(jié)果與分析

1.2.1 荷載-沉降曲線

圖2給出了復(fù)合地基的荷載-沉降曲線.由圖可知，當(dāng)T=2 cm，復(fù)合地基加載到200 kPa 時，沉降陡然增大，荷載-沉降曲線呈陡降型.當(dāng)T =4，8 cm時，復(fù)合地基沉降緩慢，曲線呈緩降型.

圖2 荷載-沉降曲線

1.2.2 荷載-樁土應(yīng)力比曲線

復(fù)合地基的荷載-樁土應(yīng)力比變化曲線見圖3.由圖可知，當(dāng)T=2 cm 時，復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比曲線較陡，達(dá)到極限承載力時，樁土應(yīng)力比又陡然增大，這是由于在復(fù)合地基破壞時樁間土首先發(fā)生了破壞，增加的荷載主要由樁來承擔(dān).當(dāng)T=4，8 cm 時，復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比曲線逐漸平緩，在達(dá)到極限承載力時，樁土應(yīng)力比趨于不變.

圖3 荷載-樁土應(yīng)力比曲線

1.2.3 樁身軸力分布特征

圖4為樁身軸力圖.由圖可知，由于墊層的存在，3 組試驗樁身均出現(xiàn)于負(fù)摩阻力區(qū);樁身軸力的最大點即為樁身負(fù)摩阻力的中性點，在該點處樁的沉降與土沉降相等.圖中箭頭表示樁身中性點的位置變化趨勢:隨著荷載的增大，中性點位置下移.當(dāng)T=2 cm 時，加載初期中性點位置集中在0.2 倍樁長處，加載后期中性點位置變化到0.3 倍樁長處;而當(dāng)T=4，8 cm 時，中性點位置變化比較大，中性點位置從0.4～0.5 倍樁長處變化為0.7～0.9倍樁長處.

圖4 樁身軸力圖

1.2.4 碎石顆粒位移場

圖5為墊層在加載前后的照片.由圖可知，樁頂墊層染色砂標(biāo)注線從直線變?yōu)楣靶螤?，墊層土體在加載過程中對樁間土進(jìn)行流動補償.

根據(jù)每級荷載下拍攝的數(shù)字照片，采用無標(biāo)點位移量測法獲得樁頂碎石顆粒位移的發(fā)展過程［8］，結(jié)果見圖6.圖中，橫縱坐標(biāo)X，Y 表示數(shù)字圖像的處理范圍.由圖可知，當(dāng)T=2 cm 時，水平位移集中在樁頂附近，墊層土體從樁頂往兩側(cè)擠出，樁頂墊層顆粒形成2 個三角核心區(qū);當(dāng)T =4，8 cm時，顆粒水平向位移集中在樁頂附近，樁頂墊層顆粒形成1 個三角核心區(qū)，并產(chǎn)生一個完整的破壞線，從樁頂核心區(qū)延伸到土體表面.

圖5 加載前后墊層變化圖

圖6 碎石顆粒矢量位移云圖

2 墊層破壞模式顆粒流模擬

離散單元法由Cundall［7］于1971年提出，用于分析巖石邊坡的運動問題，并于1979年將其推廣至顆粒介質(zhì)的細(xì)觀力學(xué)研究中［9］.本文采用的二維顆粒流方法屬于離散單元法的一種，采用接觸剛度模型來表述碎石顆粒之間的接觸本構(gòu)關(guān)系.

2.1 模型建立

首先，寫入PFC 程序模擬巴西試驗得到其應(yīng)力-應(yīng)變曲線［10］，與室內(nèi)試驗用碎石力學(xué)性能相匹配，反復(fù)調(diào)整PFC 模型的輸入?yún)?shù)，直到模擬結(jié)果與實際碎石力學(xué)性能基本一致.PFC 模型的基本參數(shù)見表2.

表2 PFC 模型的基本參數(shù)

根據(jù)室內(nèi)試驗建立PFC 模型.模型箱寬度為80 cm，高度為80 cm，樁徑為4 cm，樁長為60 cm.利用4 片墻體來模擬模型試驗鋼板加載，寫入伺服控制程序［11］以控制荷載等級.PFC 模型的總顆粒數(shù)約為1.6×104(見圖7).

圖7 PFC 模型

2.2 模擬結(jié)果分析

2.2.1 樁土應(yīng)力比模擬結(jié)果

圖8為復(fù)合地基樁土應(yīng)力比曲線.圖中，顆粒流中的土壓力是指測量圓內(nèi)顆粒接觸力的平均值，測試結(jié)果較離散，但總體趨勢與試驗結(jié)果一致.

圖8 樁土應(yīng)力比的PFC 模擬曲線

2.2.2 樁身軸力圖模擬結(jié)果

復(fù)合地基的樁身軸力分布如圖9所示.由圖可知，模擬結(jié)果的曲線形式與模型試驗結(jié)果一致.隨著加載的進(jìn)行，樁身軸力最大點(負(fù)摩阻力中性點)沿樁身向下移動.圖中箭頭標(biāo)注了中性點位置的變化趨勢，與模型試驗呈現(xiàn)的規(guī)律相同.

2.2.3 土體位移云圖

圖9 樁身軸力的PFC 模擬曲線

首先，利用PFC 軟件中的FISH 語言編制土體顆粒的位移函數(shù)，墊層以下土體顆粒的位移不計入搜索范圍內(nèi).然后，導(dǎo)出所有顆粒的位移，利用Surfer 畫圖軟件導(dǎo)入顆粒位移，進(jìn)行差值處理.最后，將樁的邊界函數(shù)導(dǎo)入，即可得到墊層顆粒的位移云圖(見圖10).由圖可知，當(dāng)T =2 cm 時，墊層厚度小于樁徑，加載初期樁頂墊層顆粒會產(chǎn)生1 個小的核心區(qū)，隨著加載的進(jìn)行，樁頂土體由1 個核心區(qū)逐漸演變成2 個小三角核心區(qū)，這與室內(nèi)模型試驗結(jié)果相吻合.當(dāng)T =4，8 cm 時，樁頂處形成1個三角核心區(qū)，不同位移土體顆粒從樁頂三角核心區(qū)產(chǎn)生滑移，一直延伸到土體顆粒上部，形成一個完整的破壞線.

3 結(jié)論

1)針對復(fù)合地基墊層破壞模式的試驗和顆粒流數(shù)值模擬結(jié)果均表明:當(dāng)墊層厚度小于樁徑時，樁頂墊層顆粒形成2 個小三角核心區(qū)，土體滑移線從核心區(qū)延伸到土體內(nèi)部，未到達(dá)土體表面，屬于局部剪切破壞;當(dāng)墊層厚度大于樁徑時，樁頂墊層顆粒形成1 個三角核心區(qū)，土體滑移從核心區(qū)一直延伸到土體顆粒表面，形成完整的滑動面，呈現(xiàn)整體剪切破壞.

圖10 墊層土體顆粒位移云圖

2)墊層厚度不同，則樁身負(fù)摩阻力中性點位置不同.當(dāng)墊層厚度小于樁徑時，中性點位置集中在0.2～0.4 倍樁長處，樁土應(yīng)力比增長較快，沒有呈現(xiàn)穩(wěn)定的趨勢;當(dāng)墊層厚度大于等于樁徑時，中性點位置在0.7～0.9 倍樁長處，樁土應(yīng)力比增長緩慢，最后趨于平緩.

3)對復(fù)合地基墊層破壞模式的分析結(jié)果表明，墊層的厚度不宜太薄，否則會使樁頂產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致碎石被壓碎，且不利于樁側(cè)土體分擔(dān)荷載.墊層厚度也不宜取得太厚，最大厚度不宜超過樁徑.當(dāng)墊層厚度大于等于樁徑時，墊層的破壞模式和極限承載力幾乎相同，會造成材料浪費，且墊層沉降也隨之增大.

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