基于FLAC3D的釘形水泥土攪拌樁復(fù)合地基數(shù)值分析

薛　龍

（安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院　合肥　230000）

基于FLAC3D的釘形水泥土攪拌樁復(fù)合地基數(shù)值分析

薛龍

（安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院合肥230000）

文章采用FLAC3D軟件，選用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型模擬分析了釘形水泥土攪拌樁擴(kuò)大頭高度、直徑、樁長(zhǎng)樁身模量對(duì)復(fù)合地基的樁體荷載分擔(dān)比，樁土應(yīng)力比，P-S曲線，加固區(qū)豎向位移等值線，并與載荷試驗(yàn)成果對(duì)比，揭示樁身軸力的傳遞特征和樁土相互作用的機(jī)理，為類似地基加固工程設(shè)計(jì)提供了一些參考。

三維有限差分法釘形樁復(fù)合地基Mohr-Coulomb本構(gòu)模型

1　FLAC3D簡(jiǎn)介

2　FLAC3D計(jì)算模型建立

本文以池州市清溪河泵站軟基加固處理為例，研究釘形樁復(fù)合地基承載特征，揭示樁身軸力的傳遞特征和樁土相互作用的機(jī)理，探究擴(kuò)大頭高度、直徑、樁身模量等設(shè)計(jì)參數(shù)的材料敏感性，采用FLAC3D程序?qū)螛鹅o載試驗(yàn)進(jìn)行模擬，并與試驗(yàn)成果進(jìn)行對(duì)比。

2.1模型基本假設(shè)

基于該工程試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)情況，作出以下假設(shè)：（1）為探究釘形樁設(shè)計(jì)參數(shù)的敏感性，不考慮土層間的排水；（2）不考慮樁底的滑動(dòng)，且釘形樁不影響土的連續(xù)性和物理參數(shù)；（3）土體采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型進(jìn)行模擬；

2.2幾何模型

根據(jù)地勘資料，土層模擬分為四層：①層填土，②層輕粉質(zhì)壤土；③層淤泥質(zhì)輕粉質(zhì)壤土；④層含卵石圓礫石層。初次模擬取樁長(zhǎng)9m，上部樁徑為1.0m，下部樁徑為0.5m。2.3材料參數(shù)

根據(jù)勘探資料和室內(nèi)試驗(yàn)成果并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘探，確定各土層主要參數(shù)建議值。釘形水泥土攪拌樁采用雙向攪拌工藝，樁體強(qiáng)度上下均勻分布，上下樁樁體模量一致，水泥土本構(gòu)模型選用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，用來(lái)模擬樁體的受力屈服。載荷板采用線彈性模型模擬加載板。詳細(xì)指標(biāo)及參數(shù)表見表1。

“我們是捉胡子，有胡子，鄉(xiāng)民也是同樣受害，你沒(méi)見著昨天汽車來(lái)到村子宣傳‘王道’嗎？‘王道’叫人誠(chéng)實(shí)。老太太說(shuō)了吧！有賞呢！”

剪切模量G、體積模量K的計(jì)算公式如下：

式中：E—土體的變形模量；v—土體的泊松比。在實(shí)際應(yīng)用中，土體的變形模量E較難直接測(cè)定，一般先測(cè)定土體的壓縮模量Es，再根據(jù)Es計(jì)算E。

2.4接觸面模擬

樁—土的共同作用比較復(fù)雜，根據(jù)樁土作用的不同特征，可將其作用情況分為兩種：一種是土與結(jié)構(gòu)在作用過(guò)程中變形協(xié)調(diào)，沒(méi)有相對(duì)位移，可將樁土材料視為連續(xù)體；二是土與結(jié)構(gòu)接觸部位發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，變形不協(xié)調(diào)，需在樁土界面設(shè)置接觸單元來(lái)模擬樁土之間的共同作用。其中樁—土界面法向剛度和切向剛度計(jì)算公式如下：

式中：K—體積模量；G—剪切模量；Δzmin—接觸面法向方向連接區(qū)域上的最小尺寸。

2.5模擬方案

進(jìn)行FLAC3D數(shù)值模擬的主要目的是通過(guò)監(jiān)測(cè)樁身軸力、樁側(cè)摩阻力、樁體荷載分擔(dān)比及柱頂沉降量的變化與樁體以及土體等參數(shù)的變化關(guān)系，分析釘形水泥土雙向攪拌樁的承載機(jī)理與各參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系。

數(shù)值模擬的可變參數(shù)有擴(kuò)大頭直徑、上下樁徑比、樁長(zhǎng)、樁身模量，研究不同設(shè)計(jì)參數(shù)下單樁承載力特性。模型分為三步進(jìn)行：（1）將樁體各部分賦予相同土層的材料參數(shù)進(jìn)行初始平衡計(jì)算；（2）改變樁體材料參數(shù)，進(jìn)行第二次平衡計(jì)算，完成后將位移場(chǎng)清零；（3）在樁頂分級(jí)施加荷載，并且每一級(jí)荷載都計(jì)算到平衡，直到模型發(fā)生塑性流動(dòng)破壞為止。

圖1　站身處樁基P-S曲線圖

3　模擬結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)站身與進(jìn)水閘兩處單樁荷載試驗(yàn)進(jìn)行模擬，與現(xiàn)場(chǎng)相同位置單樁荷載試驗(yàn)的P—S曲線對(duì)比見圖1和圖2，可以看出，數(shù)值模擬得到的P—S曲線變化規(guī)律與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)基本吻合。在達(dá)到極限荷載前模擬的沉降略大，原因是模擬時(shí)每一級(jí)都計(jì)算到穩(wěn)定狀態(tài)，而現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的沉降并未發(fā)展完全。

3.1擴(kuò)大頭高度H的影響

由于釘形樁樁身模量比樁間土的模量要大，樁與樁間土在荷載的作用下形成差異沉降，從而使復(fù)合地基上的荷載在樁與樁間土之間重新分配，形成土拱效應(yīng)。

表1　各土層物理力學(xué)指標(biāo)建議值表

圖2　進(jìn)水閘處樁基P-S曲線圖

由復(fù)合地基中不同擴(kuò)大頭高度樁頂?shù)腜—S曲線圖可以看出，擴(kuò)大頭高度H由0分別增加到2m和4m時(shí)，其極限承載力P分別增加了60%，102%；H由3m增加到4m時(shí)，P增加了10%；H由4m提高到5m時(shí)，P只增加了6%。可見，在同等條件下釘形樁的承載力P遠(yuǎn)大于常規(guī)樁；而且P隨著H的增加而增加，在H增加的初期，P迅速增加，當(dāng)H大于3～5m之后，H的提高對(duì)復(fù)合地基的極限承載力的影響開始減弱。

圖3　不同擴(kuò)大頭高度豎向位移云圖　

由不同擴(kuò)大頭高度豎向位移云圖（圖3）可以看出，常規(guī)樁加固區(qū)的豎向位移等值線分部比較均勻，比釘形樁加固區(qū)要密一些。由此表明，在釘形樁復(fù)合地基地表沉降量小于同等條件下的常規(guī)樁復(fù)合地基。隨著H的增加，豎向位移等值線的較疏的區(qū)域也相應(yīng)增加，這說(shuō)明加固區(qū)上部的沉降量隨著H的增加而減小。

3.2擴(kuò)大頭直徑D的影響

由模擬結(jié)果可以看出，在相同條件下，常規(guī)樁的樁—土荷載分擔(dān)比只有釘形樁的1/2左右。同時(shí)釘形樁的樁—土荷載應(yīng)力比要大得多，并隨擴(kuò)大頭的提高有所增加，但變化并不大。表明，由于擴(kuò)大頭的存在，釘形樁的樁土之間的協(xié)調(diào)變形要優(yōu)于常規(guī)樁。

由復(fù)合地基中不同擴(kuò)大頭直徑D的樁體荷載分擔(dān)比可以看出：樁體荷載分擔(dān)比與擴(kuò)大頭直徑基本上呈線性關(guān)系，說(shuō)明復(fù)合地基表面的面積置換率對(duì)樁體荷載分擔(dān)比影響較大。但是隨著D的增加，樁—土應(yīng)力比先是減小后增大，這是因?yàn)樵跀U(kuò)大頭直徑增加的初期，改善了樁土之間的協(xié)調(diào)受力，但當(dāng)D＞1.0m之后，樁與樁之間的間距過(guò)小，面積置換率迅速增加，土拱效應(yīng)表現(xiàn)的非常明顯，這讓更多的荷載由樁間土轉(zhuǎn)移到樁頂上，使在擴(kuò)大頭直徑增加的后期樁—土應(yīng)力比有所增加。

由不同擴(kuò)大頭直徑復(fù)合地基在極限承載力下的豎向位移（沉降）等值線圖（圖4）可以看出，復(fù)合地基在破壞時(shí)樁端都明顯的刺入下臥層，擴(kuò)大頭直徑越大，其刺入量也越大。這是因?yàn)閿U(kuò)大頭把更多的荷載傳遞到下部樁體中，在加固區(qū)的上部，應(yīng)力等值線隨D值的增加漸漸變得稀疏，說(shuō)明D值越大，復(fù)合地基上部的沉降量越小。

3.3樁長(zhǎng)影響

由模擬結(jié)果可知，樁長(zhǎng)對(duì)樁體荷載分擔(dān)比幾乎沒(méi)有影響。隨著樁長(zhǎng)的增加，復(fù)合地基的承載力迅速增加，但當(dāng)樁長(zhǎng)大于9m后，樁長(zhǎng)的增長(zhǎng)對(duì)復(fù)合地基極限承載力影響很小。表明釘形樁復(fù)合地基加固軟土基礎(chǔ)時(shí)存在有效樁長(zhǎng)，當(dāng)大于有效樁長(zhǎng)后，增加樁長(zhǎng)并不能提高復(fù)合地基的承載力。該工程樁長(zhǎng)由7m增加到9m時(shí)，復(fù)合地基的極限承載力提升非常明顯，大約為40%，但樁長(zhǎng)越長(zhǎng)，復(fù)合地基極限承載力提升幅度越小，因此實(shí)際設(shè)計(jì)中，樁端深入下部持力層一定深度即可。在相同荷載下，隨著樁長(zhǎng)的增加復(fù)合地基的沉降量迅速減小。

圖4　不同擴(kuò)大頭直徑豎向位移云圖

3.4樁身模量影響

在樁身模量增加的初期（50～100MPa），樁體荷載分擔(dān)比增加比較明顯。當(dāng)樁身模量Ep大于150MPa后，隨著Ep的增加，樁體荷載分擔(dān)比只是略有增長(zhǎng)。表明只有在Ep較小時(shí)（不大于100MPa），其對(duì)樁體荷載分擔(dān)比的影響表現(xiàn)才會(huì)比較明顯。由結(jié)果還可看出樁土應(yīng)力比基本上隨著Ep的增加呈線性增加，因?yàn)殡S著Ep的增加，樁與樁間土之間的材料特性差異顯著增大（這里主要表現(xiàn)在剪切模量和體積模量上），這將導(dǎo)致樁和樁間土在上部荷載作用下的差異變形增加，樁體會(huì)因此而承擔(dān)更多的荷載。

復(fù)合地基極限承載力P隨樁身模量Ep的變化分三個(gè)階段：在Ep增長(zhǎng)的初期，P值增加非常明顯，基本符合冪函數(shù)的規(guī)律；當(dāng)Ep在100～150MPa之間時(shí)，P與Ep呈現(xiàn)線性關(guān)系；當(dāng)Ep大于200MPa以后，此時(shí)增大Ep對(duì)增加復(fù)合地基極限承載力的幫助并不大。

4　結(jié)語(yǔ)

本文模擬分析了擴(kuò)大頭高度、直徑、樁長(zhǎng)、樁身模量對(duì)復(fù)合地基的樁體荷載分擔(dān)比，樁土應(yīng)力比，P—S曲線，加固區(qū)豎向位移等值線，主要得出以下結(jié)果：

（1）釘形樁的擴(kuò)大頭高度對(duì)樁—土荷載分擔(dān)比和樁—土應(yīng)力比基本沒(méi)有影響，復(fù)合地基的承載力隨著高度增加先是快速增加而后緩慢增加；加固區(qū)的沉降量隨著擴(kuò)大頭高度的增加而減小。

（2）釘形樁的擴(kuò)大頭直徑對(duì)樁—土荷載分擔(dān)比和樁—土應(yīng)力比影響顯著，隨著擴(kuò)大頭直徑的增加，復(fù)合地基的承載力顯著增大，其加固區(qū)的沉降量也相應(yīng)減少。

（3）樁長(zhǎng)對(duì)樁—土荷載分擔(dān)比和樁—土應(yīng)力比的影響很小；在有效樁長(zhǎng)范圍內(nèi)，隨著樁長(zhǎng)的增加，復(fù)合地基的沉降量和承載力迅速增大。

（4）樁身模量只有在較小的時(shí)候才會(huì)對(duì)樁體荷載分擔(dān)比和樁土應(yīng)力比有所影響；隨著Ep的增加，復(fù)合地基的承載力增加的比較明顯，但存在最佳值