復(fù)合地基墊層破壞模式的試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬

朱小軍 趙學(xué)亮 龔維明 徐國(guó)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(jì)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(wú)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(kuò)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(shí)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(jī)理推導(dǎo)出計(jì)算剛性結(jié)構(gòu)層下褥墊層最小厚度的理論公式．

本文對(duì)不同厚度碎石墊層復(fù)合地基進(jìn)行室內(nèi)模型試驗(yàn)．在模型試驗(yàn)基礎(chǔ)上,對(duì)PFC軟件進(jìn)行二次開(kāi)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(shì)以及能模擬碎石顆粒細(xì)觀特性等特點(diǎn)[7],模擬了相應(yīng)情形下碎石墊層與樁頂?shù)钠茐臋C(jī)理．

1 模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)簡(jiǎn)述

剛性樁復(fù)合地基碎石墊層試驗(yàn)布置示意圖見(jiàn)圖1．模型箱深800mm,長(zhǎng)800mm,寬500mm,正面為20mm厚透明鋼化玻璃,其余四面為10mm厚鋼板．模型樁采用半模實(shí)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?。畼俄斾佋O(shè)碎石墊層,并用染色砂設(shè)置標(biāo)志層,試驗(yàn)地基土樣采用粉土．樁頂和土頂分別埋設(shè)量程為3和0.5MPa的土壓力盒．

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

試驗(yàn)采用快速荷載法,加載速率控制為0.05mm/s,每級(jí)荷載為40kPa,預(yù)計(jì)極限荷載為240kPa,每級(jí)加載30min后依次進(jìn)行土體位移場(chǎng)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)．?dāng)?shù)碼相機(jī)架設(shè)于模型箱前,拍攝數(shù)字照片，記錄土體變形觀測(cè)點(diǎn)和染色砂標(biāo)志層的變位．共進(jìn)行了3組模型試驗(yàn),詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1．

表1 模型試驗(yàn)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)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=2cm,復(fù)合地基加載到200kPa時(shí),沉降陡然增大,荷載-沉降曲線呈陡降型．當(dāng)T=4,8cm時(shí),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(jiàn)圖3．由圖可知,當(dāng)T=2cm時(shí),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(shí),樁土應(yīng)力比又陡然增大,這是由于在復(fù)合地基破壞時(shí)樁間土首先發(fā)生了破壞,增加的荷載主要由樁來(lái)承擔(dān)．當(dāng)T=4,8cm時(shí),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(shí),樁土應(yīng)力比趨于不變．

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(yàn)樁身均出現(xiàn)于負(fù)摩阻力區(qū);樁身軸力的最大點(diǎn)即為樁身負(fù)摩阻力的中性點(diǎn),在該點(diǎn)處樁的沉降與土沉降相等．圖中箭頭表示樁身中性點(diǎn)的位置變化趨勢(shì):隨著荷載的增大,中性點(diǎn)位置下移．當(dāng)T=2cm時(shí),加載初期中性點(diǎn)位置集中在0.2倍樁長(zhǎng)處,加載后期中性點(diǎn)位置變化到0.3倍樁長(zhǎng)處;而當(dāng)T=4,8cm時(shí),中性點(diǎn)位置變化比較大,中性點(diǎn)位置從0.4～0.5倍樁長(zhǎng)處變化為0.7～0.9倍樁長(zhǎng)處．

圖4 樁身軸力圖

1.2.4 碎石顆粒位移場(chǎng)

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(guò)程中對(duì)樁間土進(jìn)行流動(dòng)補(bǔ)償．

根據(jù)每級(jí)荷載下拍攝的數(shù)字照片,采用無(wú)標(biāo)點(diǎn)位移量測(cè)法獲得樁頂碎石顆粒位移的發(fā)展過(guò)程[8],結(jié)果見(jiàn)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=2cm時(shí),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(gè)三角核心區(qū);當(dāng)T=4,8cm時(shí),顆粒水平向位移集中在樁頂附近,樁頂墊層顆粒形成1個(gè)三角核心區(qū),并產(chǎn)生一個(gè)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(yùn)動(dòng)問(wèn)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(lái)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(xiě)入PFC程序模擬巴西試驗(yàn)得到其應(yīng)力-應(yīng)變曲線[10],與室內(nèi)試驗(yàn)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(shí)際碎石力學(xué)性能基本一致．PFC模型的基本參數(shù)見(jiàn)表2．

表2 PFC模型的基本參數(shù)

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)建立PFC模型．模型箱寬度為80cm,高度為80cm,樁徑為4cm,樁長(zhǎng)為60cm．利用4片墻體來(lái)模擬模型試驗(yàn)鋼板加載,寫(xiě)入伺服控制程序[11]以控制荷載等級(jí)．PFC模型的總顆粒數(shù)約為1.6×104(見(jiàn)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(cè)量圓內(nèi)顆粒接觸力的平均值,測(cè)試結(jié)果較離散,但總體趨勢(shì)與試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果一致．隨著加載的進(jìn)行,樁身軸力最大點(diǎn)(負(fù)摩阻力中性點(diǎn))沿樁身向下移動(dòng)．圖中箭頭標(biāo)注了中性點(diǎn)位置的變化趨勢(shì),與模型試驗(yàn)呈現(xiàn)的規(guī)律相同．

2.2.3 土體位移云圖

首先,利用PFC軟件中的FISH語(yǔ)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(jì)入搜索范圍內(nèi)．然后,導(dǎo)出所有顆粒的位移,利用Surfer畫(huà)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(jiàn)圖10)．由圖可知,當(dāng)T=2cm時(shí),墊層厚度小于樁徑,加載初期樁頂墊層顆粒會(huì)產(chǎn)生1個(gè)小的核心區(qū),隨著加載的進(jìn)行,樁頂土體由1個(gè)核心區(qū)逐漸演變成2個(gè)小三角核心區(qū),這與室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)果相吻合．當(dāng)T=4,8cm時(shí),樁頂處形成1個(gè)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(gè)完整的破壞線．

圖9 樁身軸力的PFC模擬曲線

3 結(jié)論

1) 針對(duì)復(fù)合地基墊層破壞模式的試驗(yàn)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(shí),樁頂墊層顆粒形成2個(gè)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(shí),樁頂墊層顆粒形成1個(gè)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(dòng)面,呈現(xiàn)整體剪切破壞．

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

圖10 墊層土體顆粒位移云圖

3) 對(duì)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(huì)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(guò)樁徑．當(dāng)墊層厚度大于等于樁徑時(shí),墊層的破壞模式和極限承載力幾乎相同,會(huì)造成材料浪費(fèi),且墊層沉降也隨之增大．

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