纖維水泥攪拌樁數(shù)值模擬分析

武朝光，阮波

纖維水泥攪拌樁數(shù)值模擬分析

武朝光1，阮波2

(1. 長沙中大建設(shè)監(jiān)理有限公司，湖南 長沙 410075；2. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

采用FLAC3D軟件，分別建立水泥攪拌樁和纖維水泥攪拌樁的基坑支護三維數(shù)值計算模型。計算結(jié)果表明：開挖引起基坑底部隆起，基坑底部中心處的隆起量最大；樁體水平位移沿深度近似線性分布，最大位移量發(fā)生在樁頂處；相較于水泥攪拌樁，采用纖維水泥攪拌樁進行基坑支護，基坑最大水平位移、最大沉降及樁體最大水平位移分別下降了81.3%，89.3%和74.0%。

纖維水泥攪拌樁；水泥攪拌樁；FLAC3D；基坑水平位移；基坑沉降；樁體水平位移

水泥攪拌樁是一種常見的基坑支護結(jié)構(gòu)，在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。然而水泥攪拌樁抗彎強度和抗折強度較低，當基坑內(nèi)無其他支撐時，所需水泥土厚度較大，工程成本也相應(yīng)增加。為了提高水泥土材料本身的力學(xué)性能，在水泥土中加入纖維逐漸成為研究熱點。楊博瀚等[1]通過劈裂抗拉強度試驗和無側(cè)限抗壓強度試驗研究了聚丙烯纖維水泥黃土在浸水和不浸水條件下的力學(xué)特性。鹿群等[2]通過無側(cè)限抗壓強度試驗對水泥土和纖維水泥土的力學(xué)性能進行了研究，試驗結(jié)果表明：相對于水泥土，纖維水泥土的殘余強度和峰值應(yīng)變都有一定的提高，加入纖維能增強其塑性和延性。葉之琳等[3]進行了無側(cè)限抗壓強度4因素4水平的正交試驗，結(jié)果表明：影響抗壓強度的主次順序依次為水泥摻入比、養(yǎng)護齡期、纖維摻量和纖維長度。Tran等[4]通過抗壓試驗和劈裂抗拉試驗研究了纖維水泥土的力學(xué)性能，研究結(jié)果表明加入纖維可提高其抗壓強度及劈裂抗拉強度，并提出了一個預(yù)測纖維水泥土抗壓強度及劈裂抗拉強度的模型。Festugato 等[5]基于劈裂抗拉試驗和無側(cè)限抗壓試驗提出了預(yù)測拉壓比的理論模型。Estabragh等[6]通過室內(nèi)試驗研究發(fā)現(xiàn)尼龍纖維水泥穩(wěn)定黏土的抗壓強度隨纖維摻量的增大而增大，但是當纖維摻量超過1%時，纖維摻量對尼龍纖維水泥穩(wěn)定黏土抗壓強度的影響就不是很明顯了。Kumar等[7]通過劈裂抗拉強度試驗和無側(cè)限抗壓強度試驗研究了纖維和水泥對黏性土強度的影響，研究表明，加入纖維后，水泥土的劈裂抗拉強度、無側(cè)限抗壓強度和峰值應(yīng)變都得到了相應(yīng)的提高，降低了水泥土峰后強度的損失，改變了水泥土的脆性特征，使水泥土表現(xiàn)出更強的塑性。阮波等[8]通過無側(cè)限抗壓試驗研究了纖維摻量和纖維長度對試樣無側(cè)限抗壓強度的影響，試驗結(jié)果表明：加入纖維能提高水泥土的延性，改善水泥土的脆性，提高水泥土的殘余強度。高常輝等[9]通過劈裂抗拉試驗和無側(cè)限抗壓強度試驗研究了玄武巖纖維摻入量和摻砂量對水泥粉質(zhì)黏土強度特性的影響，研究結(jié)果表明，隨玄武巖纖維摻入量的增大，玄武巖纖維水泥粉質(zhì)黏土的抗拉強度先增大后減小，玄武巖纖維摻量為1.5%時達到峰值。胡亞元等[10]通過三軸固結(jié)排水試驗研究了纖維摻量對聚乙烯醇纖維水泥固化淤泥土鄧肯?張模型參數(shù)的影響，研究表明，聚乙烯醇纖維水泥固化淤泥土的應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出雙曲線的變化規(guī)律，纖維水泥固化淤泥土的黏聚力隨纖維摻量的增加顯著增大，但其內(nèi)摩擦角變化不明顯。國內(nèi)外學(xué)者對纖維水泥土的試驗研究比較多，數(shù)值模擬分析相對較少。本文采用FLAC3D軟件，分別建立采用水泥攪拌樁和纖維水泥攪拌樁進行基坑支護的模型，對比研究二者對基坑水平位移及沉降的影響。

1 模型的建立

1.1 計算模型

本工程基坑長40 m，寬24 m，開挖深度約5.00 m，樁長9.00 m，樁徑800 mm，樁間距500 mm。工況1采用水泥攪拌樁，工況2采用纖維水泥攪拌樁?；娱_挖影響范圍一般取開挖范圍及尺寸的3~5倍[12]，本文取4倍。由于該基坑為一個長方形，基坑開挖及地質(zhì)條件左右前后均對稱，本次建模取整個復(fù)合地基1/4實體進行建模，模型尺寸為80 m×48 m×20 m(長×寬×深)，模型產(chǎn)生9 405個單元，11 274個節(jié)點。如圖1所示。

(a) 開挖前；(b) 開挖完成后

1.2 邊界條件設(shè)置

假設(shè)中心線左右受力及位移正對稱，因此邊界條件為：地基土的下部邊界視為無位移的固定邊界，中心對稱面和側(cè)面各節(jié)點限制水平位移，即在=0處(模型底面)限制其，和3個方向上的節(jié)點位移，在=0及=48 m處限制方向位移，在=?11 m和=9 m處限制方向的位移，模型頂面不限制位移。

1.3 材料參數(shù)

本工程中，土體采用摩爾庫倫模型，所需參數(shù)如下：密度，體積模量，剪切模量，黏聚力，摩擦角，剪脹角及抗拉強度。彈性模量和泊松比比較容易獲取，然而在FLAC3D中，常使用體積模量和剪切模量代替彈性模量和泊松比，這是因為體積模量和剪切模量適用的材料更廣泛，而彈性模量和泊松比對于一些材料不適用，2組參數(shù)一般可按照下式進行轉(zhuǎn)換：

本工程中，樁體采用結(jié)構(gòu)單元進行模擬，如圖2(a)所示，在FLAC3D中，圓形截面的樁簡化為一系列結(jié)構(gòu)構(gòu)件，結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間采用節(jié)點連接。其中，節(jié)點的作用是連接結(jié)構(gòu)構(gòu)件或與周圍的實體網(wǎng)格單元進行連接，進而實現(xiàn)樁土相互作用。樁結(jié)構(gòu)單元模型見圖2(b)。

通過三軸固結(jié)排水試驗和劈裂抗拉強度試驗，得到水泥土、纖維水泥土的黏聚力、內(nèi)摩擦角、彈性模量、泊松比和劈裂抗拉強度等。土體材料參數(shù)見表1，水泥土及纖維水泥攪拌樁材料參數(shù)見表2。

(a) 樁結(jié)構(gòu)單元的模擬；(b) 樁結(jié)構(gòu)單元模型

表1 土體材料性質(zhì)參數(shù)

表2 樁結(jié)構(gòu)單元參數(shù)

1.4 基坑開挖過程

地層土體由于長期處在重力作用下，已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，所以基坑在開挖之前，需要對模型進行初始狀態(tài)的模擬。模擬之后開始計算之前，應(yīng)先將位移場和速度場初始化為零。在邊界條件和初始條件都設(shè)定好以后，就可以根據(jù)基坑實際開挖情況分工況對基坑進行開挖模擬計算?；庸卜譃?次開挖，每次開挖深度為1 m。

2 計算結(jié)果及分析

由圖3~7可得，在基坑開挖過程中，基坑底部中心隆起最大，樁體最大水平位移發(fā)生在樁頂處。工況1采用水泥攪拌樁進行支護，基坑最大水平位移為16.6 cm，最大沉降為12.2 cm，樁體最大水平位移為23.5 cm；工況2采用纖維水泥攪拌樁進行支護，基坑最大水平位移為3.1 cm，最大沉降為1.3 cm，樁體最大水平位移為6.1 cm。對比研究表明，采用纖維水泥攪拌樁進行支護，基坑水平位移減少了81.3%，沉降減少了89.3%，樁體水平位移減少了74.0%。

(a) 工況1；(b) 工況2

(a) 工況1；(b) 工況2

(a) 工況1；(b) 工況2

(a) 工況1；(b) 工況2

(a) 工況1；(b) 工況2

3 結(jié)論

1) 在開挖過程中，基坑底部出現(xiàn)隆起，基坑底部中心隆起最大，基坑中部邊緣水平位移最大。

2) 樁體水平位移沿深度方向近似呈線性分布，最大位移發(fā)生在樁頂處。而在平面方向，基坑各邊中部的樁頂位移較大。

3) 基坑采用纖維水泥攪拌樁，相較于水泥攪拌樁，基坑最大水平位移、最大沉降及樁體最大水平位移分別下降了81.3%，89.3%和74.0%。

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Numerical simulation analysis of fiber cement-soil mixing pile

WU Chaoguang1, RUAN Bo2

(1. Changsha Central South University Construction Supervision Co., Ltd, Changsha 410075, China; 2. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

FLAC3Dsoftware was used to build the foundation pit models for supporting the foundation pit using cement soil pile and fiber reinforced cement soil pile respectively. The results show that excavation causes the uplift of the bottom of the foundation pit, and the uplift at the center of the bottom of the foundation pit is the largest. The horizontal displacement of pile is approximately linearly distributed along the depth, and the maximum displacement occurs at the top of pile. Compared with cement soil pile, the maximum horizontal displacement of foundation pit, maximum settlement and maximum horizontal displacement of pile body decreased by 81.3%, 89.3% and 74.0% respectively.

fiber reinforced cement soil; cement soil; FLAC3D;

pit supporting; horizontal displacement of foundation pit; settlement of foundation pit; horizontal displacement of pile

TU411

A

1672 ? 7029(2019)07? 1690 ? 05

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.07.012

2018?10?22

阮波(1972?)，男，河南新縣人，副教授，從事土木工程施工與管理研究；E?mail：1780619221@qq.com

(編輯 涂鵬)