可破碎顆粒材料中螺旋樁貫入特性的離散元模擬

和 睿，曹 冬，史旦達(dá)

(上海海事大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201306)

1 研究背景

砂土等天然顆粒材料在外力作用下，尤其是在高應(yīng)力狀態(tài)下會(huì)發(fā)生顆粒破碎現(xiàn)象。鈣質(zhì)砂具有疏松多孔結(jié)構(gòu)特征，且顆粒強(qiáng)度較低，顆粒破碎現(xiàn)象尤為明顯。20世紀(jì)70年代，Cundall等[1-2]提出了適用于砂土等顆粒材料宏細(xì)觀力學(xué)特性分析的離散單元法(Discrete Element Method,DEM)，為顆粒破碎等課題的研究提供了重要方法。目前，采用DEM模擬顆粒破碎主要有2種方法：一種為黏結(jié)顆粒方法(Bonded-Particle Method,BPM)，該法將多個(gè)小顆粒通過黏結(jié)的方法組成團(tuán)聚體，并代表一個(gè)可破碎顆粒；當(dāng)黏結(jié)斷裂時(shí)，小顆粒分離，顆粒破碎發(fā)生[3-5]。BPM方法能夠較好地反映顆粒破碎強(qiáng)度特征及力學(xué)行為，并且能夠模擬復(fù)雜顆粒間的相互作用，但其缺點(diǎn)是生成每個(gè)顆粒團(tuán)聚體需要耗費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間，且內(nèi)部最小單元不會(huì)發(fā)生破碎。另一種為碎片替代法(Fragment Replacement Method，F(xiàn)RM)，在該法中，當(dāng)顆粒受力達(dá)到預(yù)定破碎準(zhǔn)則時(shí)，用一組更小的顆粒對(duì)原始顆粒進(jìn)行替換[6-7]。與BPM相比，F(xiàn)RM的計(jì)算效率較高，但模擬結(jié)果的精準(zhǔn)程度有賴于破碎準(zhǔn)則和破裂模式的選擇。

DEM常用于等截面樁或靜力觸探貫入的模擬，例如，McDowell等[8]通過建立三維大尺度優(yōu)化模型對(duì)靜力觸探過程進(jìn)行了離散元分析，數(shù)值模擬驗(yàn)證了變粒徑模型的可靠性。Wang等[9-10]采用二維離散元方法研究了等截面樁貫入時(shí)砂土的顆粒破碎現(xiàn)象，數(shù)值模擬重點(diǎn)分析了土體應(yīng)力分布、孔隙率演化等細(xì)觀規(guī)律。螺旋樁是一種新型完全擠土樁，樁身布有螺紋或葉片，通過旋進(jìn)的方式貫入地基，因其施工高效、樁體承載力較高等優(yōu)勢(shì)近年來受到了工程界的廣泛關(guān)注[11-12]。相對(duì)于等截面樁，螺旋樁的安裝方式有所不同，螺旋葉片的切削旋進(jìn)會(huì)使土體處于壓-剪耦合應(yīng)力狀態(tài)，因此，研究螺旋樁貫入的宏細(xì)觀特性對(duì)于掌握螺旋樁的承載性能具有重要意義。例如，鄧益兵等[13]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)對(duì)密砂中螺旋擠擴(kuò)鉆具的成孔機(jī)制進(jìn)行了研究。Pucker等[14]采用有限元數(shù)值模擬方法，研究了砂土地基中螺旋樁的貫入特性，并重點(diǎn)考察了樁型構(gòu)造對(duì)貫入特性的影響。Krasinski[15]采用有限元PLAXIS軟件，通過軸對(duì)稱建模研究了砂土中螺旋樁的貫入特性。Shi等[16]在室內(nèi)模型試驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用三維離散元方法分析了松砂中螺旋樁的貫入安裝效應(yīng)，并分析了轉(zhuǎn)速比對(duì)宏細(xì)觀貫入特性的影響。然而，目前關(guān)于鈣質(zhì)砂等可破碎顆粒材料中螺旋樁貫入響應(yīng)的研究，無論是室內(nèi)試驗(yàn)還是數(shù)值模擬均缺乏相關(guān)成果。

本文以鈣質(zhì)砂為研究對(duì)象，基于離散元PFC3D(Particle Flow Code in 3-Dimension)數(shù)值模擬平臺(tái)，建立了可用于考慮顆粒破碎的螺旋樁貫入細(xì)觀模型。數(shù)值模擬中采用FRM模擬顆粒破碎，通過與實(shí)際鈣質(zhì)砂三軸試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比來標(biāo)定數(shù)值模型的細(xì)觀參數(shù)，數(shù)值模擬重點(diǎn)分析了初始應(yīng)力水平、貫入轉(zhuǎn)速比等因素對(duì)貫入特性的影響。

2 DEM建模

2.1 顆粒破碎準(zhǔn)則

對(duì)于處于顆粒集合體中的某一顆粒p，作用在其上的應(yīng)力可由式(1)計(jì)算， 即

(1)

式中：i、j為笛卡爾分量；VP為顆粒的體積；Nc為接觸個(gè)數(shù)；fj(c)為接觸點(diǎn)(c)處j方向接觸力分量；di(c)為兩顆粒連線在接觸點(diǎn)(c)處i方向的向量分量。

McDowell和Bono[17]對(duì)FRM應(yīng)用中的破碎準(zhǔn)則進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，研究表明，在考慮多點(diǎn)接觸條件下，八面體剪應(yīng)力準(zhǔn)則較適合砂土的顆粒破碎模擬。因此，本文采用文獻(xiàn)[17]提出的八面體剪應(yīng)力準(zhǔn)則作為顆粒破碎準(zhǔn)則，公式為

q=1/3[(σ1-σ2)2+(σ2-σ3)2+(σ3-σ1)2]1/2。

(2)

式中：q為八面體剪應(yīng)力；σ1、σ2、σ3分別為作用在顆粒上的大、中、小主應(yīng)力，其數(shù)值可由式(1)計(jì)算得到。

McDowell和Amon[18]研究表明，對(duì)于砂土等顆粒材料，單顆粒強(qiáng)度滿足Weibull分布，公式為

σ0∝d-3/m。

(3)

式中：σ0為殘余概率37%的特征應(yīng)力；d為顆粒粒徑；m為Weibull系數(shù)。

根據(jù)文獻(xiàn)[19]的研究，八面體剪應(yīng)力準(zhǔn)則中的顆粒特征應(yīng)力q0與式(3)中單軸壓縮試驗(yàn)得到的顆粒特征應(yīng)力σ0存在如下?lián)Q算關(guān)系，即

q0=0.9σ0。

(4)

在本文數(shù)值模擬中，當(dāng)作用于某一顆粒上的八面體剪應(yīng)力q>q0時(shí)，此顆粒發(fā)生破碎。破碎準(zhǔn)則中采用的參數(shù)值來源于文獻(xiàn)[20]的鈣質(zhì)砂單顆粒壓碎試驗(yàn)結(jié)果，該試驗(yàn)中鈣質(zhì)砂(形狀為近似球形) 粒徑為4 mm，特征應(yīng)力σ0=5.7 MPa，m=2.56。由式(4)計(jì)算得到q0=5.1 MPa，破碎產(chǎn)生的子顆粒碎片的特征應(yīng)力由式(3)計(jì)算得到。

2.2 顆粒破裂模式

數(shù)值模擬采用的顆粒破裂模式如圖1所示。對(duì)于粒徑為d的目標(biāo)顆粒，當(dāng)滿足破碎準(zhǔn)則后，首先刪除目標(biāo)顆粒，替換為2個(gè)相切的粒徑均為0.5d的子顆粒。為了滿足質(zhì)量守恒原則，再對(duì)2個(gè)0.5d子顆粒粒徑放大1.587倍，通過程序內(nèi)置的循環(huán)，使得生成的子顆粒與容器內(nèi)其他顆粒形成新的穩(wěn)定的線性接觸。Astrom等[21]研究表明，碎片數(shù)量的多少不影響加載后期顆粒級(jí)配的分形分布特征。因此，本文從計(jì)算效率的角度出發(fā)，選擇子顆粒數(shù)量最少(2個(gè))的形式開展模擬。若破碎生成的子顆粒在模擬過程中滿足破碎準(zhǔn)則，會(huì)再次破碎為粒徑更小的子顆粒，此過程便稱之為2級(jí)破碎。同理也會(huì)發(fā)生3級(jí)、4級(jí)乃至更多級(jí)破碎。從計(jì)算效率角度出發(fā)，本文限制顆粒破碎的級(jí)數(shù)為4次。

圖1 破裂模式示意圖Fig.1 Particle breakage mode

圖2 三軸數(shù)值試樣Fig.2 Triaxial numerical sample

2.3 三軸試驗(yàn)驗(yàn)證

在建立螺旋樁貫入的離散元模型之前，首先利用小尺度三軸數(shù)值試驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定。三軸數(shù)值試樣的直徑為60 mm、高為120 mm，顆粒集合體為直徑4 mm的純球形均一粒徑顆粒(與文獻(xiàn)[20]室內(nèi)試驗(yàn)保持一致)，初始孔隙比為0.5，數(shù)值試樣如圖2所示。顆粒之間采用線性接觸剛度模型，顆粒與顆粒之間的法向接觸剛度和切向接觸剛度均為2×106N/m，顆粒之間的摩擦系數(shù)為0.5，顆粒密度為2 860 kg/m3。三軸數(shù)值試樣的四周邊界均采用剛性墻體，墻體與顆粒之間的法向接觸剛度與切向接觸剛度均為4×106N/m，制樣過程中墻體與顆粒間無摩擦，加載過程中墻體與顆粒之間的摩擦系數(shù)設(shè)為0.5。顆粒的破碎參數(shù)取自文獻(xiàn)[20]試驗(yàn)結(jié)果，即q0=5.1 MPa、m=2.56。數(shù)值模擬中，首先通過伺服機(jī)制對(duì)四周墻體實(shí)施一定的各向均等圍壓，再通過上、下墻體相對(duì)移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)三軸壓縮加載，上、下墻體的移動(dòng)速度均為6 mm/s。

圖3(a)和圖3(b)分別給出了圍壓200 kPa條件下，三軸數(shù)值模擬得到的偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變和體應(yīng)變-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線，其中體應(yīng)變正值表示膨脹，負(fù)值表示收縮。為了與實(shí)際鈣質(zhì)砂三軸試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，將汪軼群等[22]試驗(yàn)曲線結(jié)果也繪于圖3中。文獻(xiàn)[22]鈣質(zhì)砂的級(jí)配為0.5～2.0 mm，相對(duì)密實(shí)度為50%，三軸試驗(yàn)施加的圍壓為200 kPa。由圖3可知，三軸數(shù)值試樣表現(xiàn)出的力學(xué)響應(yīng)與實(shí)際鈣質(zhì)砂試樣基本吻合，DEM試樣的峰值強(qiáng)度比室內(nèi)試樣的強(qiáng)度稍低，其原因主要是兩者之間的級(jí)配及顆粒形狀存在一定差異。

圖3 數(shù)值模擬與室內(nèi)試驗(yàn)曲線對(duì)比Fig.3 Comparison of results between numericalsimulation and laboratory test

除圍壓200 kPa，三軸數(shù)值試驗(yàn)還設(shè)置了高圍壓工況，以便于從細(xì)觀角度分析試樣內(nèi)部的顆粒破碎演化情況。圖4給出了不同圍壓下剪切完畢后顆粒破碎示意圖，其中綠色顆粒為破碎后的子顆粒，低圍壓情況下顆粒破碎主要在上下加載板附近發(fā)生，圍壓更高情況下，破碎顆粒數(shù)量增加，破碎帶從加載板附近延伸至圓柱空腔中部。

圖4 不同圍壓條件下破碎情況示意圖Fig.4 Particle breakage under different confiningpressures

為了量化顆粒破碎程度，Hardin[23]定義了相對(duì)破碎指標(biāo)Br，其計(jì)算公式為

Br=Bt/BP0。

(5)

式中：Bt為總破碎勢(shì)；BP0為初始破碎勢(shì)。相對(duì)破碎率Br的下限值為0，表示沒有顆粒破碎發(fā)生；理論上限值為1，表示所有顆粒都將破碎為0.074 mm以下的細(xì)顆粒。

圖5給出了本文數(shù)值試樣與實(shí)際鈣質(zhì)砂樣(文獻(xiàn)[22])的破碎率對(duì)比情況。由圖5可知，DEM試樣與鈣質(zhì)砂樣的Br值均隨著初始圍壓的增大而增大。但DEM試樣中Br隨圍壓增長(zhǎng)的線性規(guī)律更為明顯，其原因主要與兩者之間的顆粒級(jí)配存在差異有關(guān)，文獻(xiàn)[22]試驗(yàn)中鈣質(zhì)砂級(jí)配為0.5～2.0 mm，級(jí)配良好，三軸剪切過程中試樣內(nèi)大小顆粒之間能互相填充咬合，模擬文獻(xiàn)中鈣質(zhì)砂級(jí)配制樣，樣品配位數(shù)為6.50，顆粒集合體的平均配位數(shù)較高，因此破碎率較低；本文數(shù)值模型為均一粒徑顆粒，集合體內(nèi)顆粒的平均配位數(shù)為6.04，相對(duì)較低，在高圍壓下更易發(fā)生破碎。

圖5 相對(duì)破碎率Br對(duì)比Fig.5 Comparison of crushing rate Br between DEMsimulation and laboratory test

2.4 樁體貫入建模

首先，由上、下底面及環(huán)形側(cè)面圍成一圓柱形虛擬容器來生成地基土體，容器直徑Dc=150 mm，高度H=100 mm。顆粒生成采用半徑膨脹法，顆粒粒徑d=4 mm，均一級(jí)配，初始孔隙比為0.563，顆粒數(shù)量33 664個(gè)，數(shù)值試樣如圖6(a)所示。顆粒之間采用線性接觸剛度模型，參數(shù)設(shè)置與三軸試驗(yàn)相同。顆粒滿足一定的破碎準(zhǔn)則和破裂模式，特征應(yīng)力參數(shù)同樣取q0=5.1 MPa、m=2.56。貫入樁型為螺旋樁，樁尖入土部分配置有圓錐形樁頭(如圖6(b)所示)，在DEM中由剛性墻體制成。制樣過程中墻體與顆粒間無摩擦，樁貫入過程中樁尖與顆粒之間的摩擦系數(shù)設(shè)為0.5，樁桿和螺紋不設(shè)摩擦。樁徑dp為24 mm、螺紋寬度6 mm、螺紋厚度3 mm、螺距17 mm。對(duì)于樁體貫入的DEM建模，容器的邊界效應(yīng)和顆粒的尺寸效應(yīng)是2個(gè)重要的建模參數(shù)。本例中，容器外徑與樁徑之比Dc/dp=6.25，根據(jù)文獻(xiàn)[9]的研究，樁體貫入時(shí)，破碎帶主要集中于4dp范圍內(nèi)，因此，本文采用的容器尺寸能滿足貫入過程顆粒破碎的分析且能保證模擬效率。關(guān)于顆粒尺寸效應(yīng)，本例中樁徑與顆粒粒徑之比dp/d=6，大于Arroyo等[24]的取值(2.68)和Kotrocz等[25]的取值(2.09)，在文獻(xiàn)[24]和文獻(xiàn)[25]中未發(fā)現(xiàn)顯著的顆粒尺寸效應(yīng)。為了體現(xiàn)實(shí)際土層的地應(yīng)力水平，在DEM中可通過壓力伺服機(jī)制在上下底面和側(cè)面墻體上施加各向同性圍壓來提高顆粒集合體的初始應(yīng)力水平σsl。貫入模擬時(shí)，螺旋樁的豎向貫入速度vz為20 mm/s，環(huán)向旋轉(zhuǎn)速度ωr為3.14 rad/s。

圖6 模型示意圖Fig.6 Numerical model

3 DEM模擬結(jié)果分析

3.1 貫入曲線分析

圖7為σsl=300 kPa下螺旋樁貫入時(shí)樁尖應(yīng)力qc隨貫入深度的變化曲線，計(jì)算公式為

(6)

式中：Fz為樁尖墻體上的接觸力在豎直方向的分量；S為樁尖在水平方向的投影面積。

圖7 樁尖應(yīng)力與貫入深度關(guān)系Fig.7 Relationship between tip stress and penetrationdepth

分析圖7，對(duì)比破碎和不破碎2種工況可得幾點(diǎn)規(guī)律：①螺旋樁貫入開始后樁尖應(yīng)力隨著貫入深度的增加而快速增加，在貫入深度達(dá)到31 mm，即整個(gè)樁尖全部貫入土體之后，樁尖應(yīng)力達(dá)到峰值，對(duì)于顆粒破碎和不考慮顆粒破碎2種工況，樁尖應(yīng)力峰值均為3.2 MPa；②在隨后的貫入過程中，由于受到顆粒破碎與顆粒位置重分布的耦合影響，樁尖應(yīng)力開始在極值附近波動(dòng)，考慮顆粒破碎與不考慮顆粒破碎的曲線波動(dòng)范圍分別為1.7～3.2 MPa和2.2～3.2 MPa，顆粒破碎導(dǎo)致土體應(yīng)力釋放，樁尖應(yīng)力小于不破碎的工況；③螺旋樁貫入過程是否發(fā)生顆粒破碎不會(huì)改變貫入曲線的走勢(shì)，在300 kPa初始應(yīng)力工況下，樁尖完全貫入土體后，考慮顆粒破碎工況樁尖應(yīng)力中心值始終保持在2.4 MPa附近，不考慮破碎情況樁尖應(yīng)力中心值為2.6 MPa。

3.2 顆粒破碎分布

各級(jí)破碎產(chǎn)生的子顆粒如圖8所示，綠色為1級(jí)破碎產(chǎn)生的子顆粒，其粒徑d1=3.174 mm；紅色為2級(jí)子顆粒，粒徑d2=2.519 mm；淺藍(lán)為3級(jí)子顆粒，粒徑d3=1.998 mm；粉色為4級(jí)子顆粒，粒徑d4=1.586 mm。圖9為σsl=300 kPa工況下螺旋樁貫入時(shí)顆粒破碎分布，藍(lán)色顆粒代表原始顆粒。表1為貫入過程中各級(jí)破碎統(tǒng)計(jì)結(jié)果。分析圖9并結(jié)合表1可知：① 樁貫入開始之后，樁尖下部土顆粒開始發(fā)生破碎，并在樁貫入過程中發(fā)生縱向和橫向位移，破碎主要發(fā)生在樁端應(yīng)力集中區(qū)，在樁端高應(yīng)力作用下，破碎的子顆粒也達(dá)到閾值并發(fā)生多級(jí)破碎。隨著貫入加深，樁底顆粒破碎范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，樁側(cè)部位也有少量顆粒破碎，破碎的粒徑較大的顆粒分布在外側(cè)，粒徑較小的顆粒分布在近樁側(cè)；②螺旋樁貫入過程初期，破碎顆粒較為均勻地分布在樁底與樁側(cè)，隨著貫入加深，螺旋樁因?yàn)槿~片旋進(jìn)的攜帶作用，破碎形成的子顆粒，尤其是粒徑更小的顆粒，隨著樁貫入過程發(fā)生更大的縱向位移，隨著貫入過程更多地集中在樁尖附近，呈水滴狀分布。

圖8 各級(jí)破碎顆粒示意圖Fig.8 Crushed particles at all levels’ breakage

圖9 顆粒破碎分布(σsl=300 kPa)Fig.9 Distribution of particle breakage(σsl=300 kPa)

3.3 位移場(chǎng)分析

圖10為σsl=300 kPa工況下螺旋樁貫入至模型底部時(shí)xOz截面、xOy截面位移場(chǎng)分布，分析圖10可得出以下結(jié)論：①螺旋樁貫入使得近樁側(cè)顆粒發(fā)生更大位移，對(duì)于遠(yuǎn)離樁體的顆粒影響較小，發(fā)生較大位移的顆粒主要集中在縱向深度25～70 mm區(qū)間范圍，橫向樁側(cè)10 mm范圍內(nèi)，位移的方向與樁中軸夾角較小，方向主要沿螺旋樁主軸向下；②在螺旋樁上部樁體周圍，深度<25 mm的土體，部分顆粒發(fā)生向上的位移趨勢(shì)。

表1 顆粒破碎統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of particle crushing

圖10 顆粒位移分布(σsl=300 kPa)Fig.10 Particles displacement(σsl=300 kPa)

3.4 速度場(chǎng)分析

圖11為σsl=300 kPa工況下螺旋樁壓至模型底部時(shí)xOz截面速度場(chǎng)分布。分析圖11可以得出：①螺旋樁由于螺紋的切削旋進(jìn)作用，對(duì)近樁側(cè)土體速度產(chǎn)生較大影響，樁側(cè)15 mm范圍內(nèi)大部分顆粒速度高于0.3 mm/s；②產(chǎn)生速度峰值的區(qū)域主要集中在樁尖下部，主要由樁豎向貫入引起，少量分布在螺紋與顆粒接觸的部位，主要由樁體旋轉(zhuǎn)引起。

圖11 顆粒速度分布(σsl=300 kPa)Fig.11 Particle velocity distribution(σsl=300 kPa)

3.5 應(yīng)力場(chǎng)分析

本文采用軟件內(nèi)置的測(cè)量球提取應(yīng)力值，為確保測(cè)量球內(nèi)有足夠多的接觸數(shù)目，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性，測(cè)量球半徑設(shè)置為初始顆粒粒徑的5倍，每個(gè)測(cè)量球內(nèi)顆粒數(shù)量不少于80個(gè)。圖12(a)和12(b)分別為σsl=300 kPa工況下螺旋樁貫入至模型底部時(shí)xOz截面豎向應(yīng)力場(chǎng)和徑向應(yīng)力場(chǎng)分布。分析圖12可得幾點(diǎn)規(guī)律：①豎向應(yīng)力和徑向應(yīng)力峰值均出現(xiàn)在樁尖底部，峰值均為1 400 kPa左右；②對(duì)于樁上部周圍土顆粒，由位移場(chǎng)分析結(jié)果可知，螺旋樁上部周圍土體發(fā)生了向上的位移趨勢(shì)，在一定程度上減小了貫入產(chǎn)生的豎向應(yīng)力，從而在樁上部周圍產(chǎn)生低應(yīng)力區(qū)，導(dǎo)致豎向應(yīng)力在xOz截面上呈蝴蝶狀；③徑向應(yīng)力高應(yīng)力區(qū)集中在50 mm深度以下，距樁越近,徑向應(yīng)力越高。

圖12 應(yīng)力分布(σsl=300 kPa)Fig.12 Stress distribution(σsl=300 kPa)

4 參數(shù)分析

4.1 初始應(yīng)力水平σsl

在高初始應(yīng)力工況下，本文中的數(shù)值模擬可視為深層土體的單元體試驗(yàn)，即在較大自重應(yīng)力作用下研究樁貫入過程對(duì)可破碎砂地基的影響。因此另設(shè)2組模擬工況，初始應(yīng)力水平σsl分別取為100 kPa和500 kPa，其他參數(shù)不變。圖13為σsl=500 kPa顆粒破碎分布情況，圖14為σsl為500、300、100 kPa工況下的貫入曲線。分析圖13、圖14可得出以下結(jié)論：①相對(duì)于σsl=300 kPa工況，在高初始應(yīng)力水平下樁尖應(yīng)力峰值更高，達(dá)到峰值后樁尖應(yīng)力波動(dòng)范圍更為明顯，顆粒破碎數(shù)量更多，散布范圍更廣；②破碎顆粒的散布形式與σsl=500 kPa工況所得結(jié)論相同，大顆粒位于外側(cè)，小顆粒更靠近樁體，顆粒隨著螺旋樁旋入過程發(fā)生明顯的縱向橫向位移，最上部近樁側(cè)少許顆粒發(fā)生向上的豎向位移；③在σsl=500 kPa工況下顆粒破碎數(shù)量較多，顆粒破碎會(huì)導(dǎo)致土體應(yīng)力釋放顯著，錐尖應(yīng)力峰值為4.6 MPa，明顯低于不考慮顆粒破碎工況的5.7 MPa。

圖13 顆粒破碎分布(σsl=500 kPa) Fig.13 Distribution of particle breakage (σsl=500 kPa)

圖14 不同初始應(yīng)力下樁尖應(yīng)力與貫入深度關(guān)系Fig.14 Relationship between tip stress and penetrationdepth under different initial stress σsl

4.2 貫入轉(zhuǎn)速比的影響

圖15 顆粒破碎分布(ωr=6.28 rad/s)Fig.15 Distribution of particle breakage(ωr=6.28 rad/s)

圖16 樁尖應(yīng)力與貫入深度關(guān)系Fig.16 Relationship between tip stress andpenetration depth

圖17 顆粒速度分布(ωr=6.28 rad/s) Fig.17 Particle velocity distribution (ωr=6.28 rad/s)

5 結(jié) 論

(1) 以鈣質(zhì)砂為模擬對(duì)象，螺旋樁貫入地基土的過程中，土顆粒在高應(yīng)力作用下發(fā)生破碎，樁端土體破碎嚴(yán)重，而樁側(cè)土體破碎稍弱。

(2) 隨著貫入深度的增加，顆粒由于破碎發(fā)生應(yīng)力釋放，樁側(cè)土體級(jí)配發(fā)生調(diào)整；相同條件下，在考慮顆粒破碎的工況中，樁端應(yīng)力略低于不破碎土體，樁尖應(yīng)力在樁貫入過程中波動(dòng)范圍更大，振蕩更劇烈。

(3) 螺旋樁因?yàn)槿~片旋進(jìn)的攜帶作用，破碎的顆粒，尤其是粒徑更小的顆粒，隨著樁貫入過程縱向位移明顯；小顆粒更多地集中在樁端附近，形成水滴狀分布。

(4) 提高初始應(yīng)力，螺旋樁貫入會(huì)引起更劇烈的顆粒破碎，破碎的顆粒數(shù)量更多，應(yīng)力釋放導(dǎo)致的樁尖應(yīng)力減小更為明顯。

(5) 貫入轉(zhuǎn)速比提高會(huì)引起顆粒破碎數(shù)量增加。由于螺紋旋轉(zhuǎn)切削的影響，高轉(zhuǎn)速比工況下破碎的顆粒在樁側(cè)散布更廣，分布更均勻，位移、速度的峰值區(qū)域分布在螺紋附近，而轉(zhuǎn)速比較低時(shí)則集中在樁尖下部。