基于PFC2D的復(fù)雜地層中振沖碎石樁成孔效應(yīng)研究

唐 珍

(四川蜀渝石油建筑安裝工程有限責(zé)任公司，四川 成都 610081)

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基于PFC2D的復(fù)雜地層中振沖碎石樁成孔效應(yīng)研究

唐 珍

(四川蜀渝石油建筑安裝工程有限責(zé)任公司，四川 成都 610081)

介紹了PFC數(shù)值模擬的原理，采用二維顆粒離散元法PFC2D，對(duì)復(fù)雜地層中振動(dòng)碎石樁的成孔過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并分析了不同夾砂層厚度及密實(shí)度對(duì)振動(dòng)碎石樁成孔過程的影響，最終得出了一些有意義的結(jié)論。

離散單元法，PFC數(shù)值模擬，振沖碎石樁，成孔效應(yīng)

傳統(tǒng)的振沖碎石樁，是利用起重機(jī)吊起振沖器強(qiáng)烈水平振動(dòng)和高壓力水沖貫入到土層預(yù)定深度，形成鉆孔，經(jīng)過清孔后從地面向孔中逐段填入碎石，并利用振沖器產(chǎn)生水平向振動(dòng)力振擠填料及周圍土體，從而在地基中形成一根密實(shí)的樁柱體，和原基地土形成復(fù)合地基，并通過樁體與樁周土相互作用共同承擔(dān)上部荷載從而達(dá)到提高地基承載力，減少沉降量，提高抗震液化能力，增加地基穩(wěn)定性以及消除濕陷性黃土的濕陷性等作用。

松散及稍密的土層中，振沖器造孔容易，但由于土層相對(duì)松散，容易發(fā)生塌孔現(xiàn)象。密實(shí)及較硬的土層中，振沖器造孔比較困難，成孔的樁徑小。地層的復(fù)雜多變對(duì)振沖器造孔進(jìn)度造成極大影響，尤其是在圓礫含粉細(xì)砂夾層和中粗砂含粉砂夾層，常會(huì)出現(xiàn)“抱管”“串孔”等現(xiàn)場，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度，增大振沖器及配套設(shè)備損壞率。

本文通過PFC2D來數(shù)值模擬振沖碎石樁在復(fù)雜地層中的成孔效應(yīng)。

1 PFC數(shù)值模擬原理

離散單元法是從20世紀(jì)70年代初開始興起的一種數(shù)值計(jì)算方法，本方法的基本原理是基于牛頓第二定律基礎(chǔ)建立起來的，它明顯的優(yōu)點(diǎn)在于可模擬離散塊體系統(tǒng)及離散顆粒組合體系，適合解決非連續(xù)介質(zhì)的斷裂、破損及大變形問題。經(jīng)過幾十年的探索，離散單元法得到長足發(fā)展，不僅應(yīng)用于邊坡、礦山、隧道的穩(wěn)定性研究及顆粒介質(zhì)微細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析中，還拓展到地震荷載、爆炸荷載以及地下水滲流、熱傳導(dǎo)、多場耦合等研究領(lǐng)域[1]。

1.1 PFC求解基本原理

PFC離散單元法是將整個(gè)物體分成許多微小單元，對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行分別求解，在求解過程中，不用滿足幾何連續(xù)性假設(shè)，單元之間顆粒接觸與分離是通過力和位移的關(guān)系求出單元之間的相互作用力，再通過單元所受到的不平衡力和不平衡力矩確定單元的運(yùn)動(dòng)。離散單元法恰恰適合砂卵石土這種類型的非均質(zhì)和大變形非連續(xù)結(jié)構(gòu)問題的求解。

1.2 材料本構(gòu)模型

PFC顆粒離散元法中提供了三種現(xiàn)成的本構(gòu)模型：接觸剛度模型、接觸粘結(jié)模型和平行粘結(jié)模型。接觸剛度模型適用于對(duì)散體材料的力學(xué)性能進(jìn)行數(shù)值模擬，如大豆、谷物、碎石等；平行粘結(jié)模型在兩個(gè)相互接觸的顆粒之間設(shè)置了一種特殊的粘結(jié)鍵，使得兩個(gè)相互接觸的顆粒之間可以承受一定的作用力和力矩作用，適用于一些復(fù)合材料和膠結(jié)材料的數(shù)值模擬分析，如混凝土、鋼材、巖石等；接觸粘結(jié)模型是介于接觸剛度模型和平行粘結(jié)模型中的一種模型，相互接觸的顆粒之間存在一定的粘結(jié)力，可以承受一定范圍的作用力，但是不能承受力矩的作用，適用于模擬具有一定粘結(jié)力的材料的數(shù)值模擬分析，如粘性土等。根據(jù)需要模擬的材料性質(zhì)的不同，選用不同的本構(gòu)模型是必要的。對(duì)于此次需要研究的對(duì)象為碎石，選取的本構(gòu)模型為接觸剛度模型。

2 振沖碎石樁成孔效應(yīng)研究PFC建模

2.1 PFC模擬方案的選用

模擬方案以工程中復(fù)雜地層——黏土“夾砂”層為背景，運(yùn)用離散元PFC軟件模擬復(fù)雜地層中大功率振沖碎石樁的成孔機(jī)理及其影響因素。

地層分布選用粉質(zhì)黏土層—粉砂層—中粗砂層，其中粉質(zhì)黏土層厚4 m，粉砂層厚2 m，中粗砂層厚5 m。

由于中粗砂層中砂顆粒的粒徑在1.6 mm～5 mm范圍內(nèi)，粉砂層和粉質(zhì)黏土層中砂顆粒的粒徑在0.075 mm～1.6 mm范圍內(nèi)，在顆粒離散元法中建立的顆粒單元的數(shù)量太大，數(shù)十萬至百萬，計(jì)算設(shè)備沒法運(yùn)行。根據(jù)計(jì)算設(shè)備的配置，以及粉砂層與中粗砂層的厚度關(guān)系，采用二維顆粒離散元法建立粉砂層和中粗砂層的離散元模型。

2.2 PFC建模思路

對(duì)振動(dòng)碎石樁的成孔技術(shù)的研究采用二維顆粒離散元法(PFC2D)建立地層和振沖器的數(shù)值模型，通過模擬不同工況下，振沖器作用于土層的過程，分析振動(dòng)碎石樁成孔過程中的影響因素。

為了提高計(jì)算效率，在離散元建模的過程中，粉砂層和中粗砂層的厚度被縮小了10倍，粉質(zhì)黏土層對(duì)粉砂層和中粗砂層的作用近似考慮成均布荷載的作用，經(jīng)計(jì)算，該均布荷載取值為0.1 MPa。圖1是在二維顆粒離散元法中建立的粉砂層和中粗砂層的數(shù)值模型，模型的寬度為0.5 m，中粗砂層的厚度為0.5 m，粉砂層的厚度為0.2 m。模型中總的顆粒數(shù)為12 213，其中中粗砂的顆粒數(shù)量為5 489，粒徑在2 mm～5 mm之間；粉砂的顆粒數(shù)量為6 724，粒徑在1 mm～2 mm之間。中粗砂和粉砂的離散元細(xì)觀力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 砂的顆粒離散元細(xì)觀力學(xué)參數(shù)

振動(dòng)器的離散元模型見圖2，通過離散元法中clump logic的控制，可以將聚集在一起的有限數(shù)量的顆粒設(shè)置成一個(gè)超單元，超單元具有不變形的邊界條件，用這樣的超單元來模擬振動(dòng)器是很合適的。

2.3 復(fù)雜地層中振沖碎石樁成孔效應(yīng)分析

在振動(dòng)碎石樁對(duì)復(fù)雜地層中成孔技術(shù)的研究中，主要考慮兩個(gè)因素對(duì)振動(dòng)碎石樁成孔的影響，即夾砂層的厚度變化和夾砂層的密實(shí)度變化對(duì)成孔的影響。

振沖碎石樁是地基處理的一種形式,它是利用一個(gè)產(chǎn)生水平向振動(dòng)的管狀設(shè)備在高壓水流下邊振邊沖,在軟弱地基上成孔,再在孔內(nèi)分批填入碎石等堅(jiān)硬材料制成一根根樁體,樁體和原來的地基構(gòu)成復(fù)合地基,這樣的復(fù)合地基同原來地基相比,承載力提高了,也減少了地基的沉降量,并且這種粗大的樁體具有排水和置換功能,能有效地消散地震等震動(dòng)引起的超靜孔隙水壓力,有效減少砂土地基的液化現(xiàn)象[2,3]。

振動(dòng)碎石樁的施工原理：利用起重機(jī)吊起振沖器，強(qiáng)烈的水平振動(dòng)和高壓力水沖貫入到土層預(yù)定的深度，形成鉆孔。振沖器的偏心質(zhì)量以及其偏心距是振沖器強(qiáng)烈水平振動(dòng)的主要來源，為了能在離散元數(shù)值模擬中體現(xiàn)這種強(qiáng)烈振動(dòng)，數(shù)值模擬的過程中，在振沖器的水平方向施加一個(gè)正弦波的速度，正弦波的頻率盡可能與真實(shí)頻率接近，正弦波的振幅不宜太大，以免振沖器開孔的偏差大于施工的要求；振沖器豎直方向的高壓水沖是振沖器成孔的主要?jiǎng)恿Γ瑪?shù)值模擬中對(duì)水沖的模擬涉及到流固耦合的運(yùn)用，限于知識(shí)面的不足，數(shù)值模擬中將高壓水沖的動(dòng)力簡化為一個(gè)恒定的速度。

振沖器在水平的正弦波速度和豎直的恒定速度下，勻速作用于土層，初始模型見圖3，振沖器不同下降高度見圖4～圖10(其中，圖4a)～圖10a)為振沖器與土層的相對(duì)位置，圖4b)～圖10b)為振沖器附近顆粒的運(yùn)動(dòng)情況)。

由于夾砂層的土體顆粒粒徑比較小，在振沖器成孔的過程中，振沖器附近的土體顆粒與水作用將形成與水泥砂漿類似的混合物，此類混合物容易包裹、覆蓋在振沖器的外表面，從而嚴(yán)重影響振沖器的成孔過程。其次，由于水和土體顆粒的共同作用，涉及到流固耦合的求解，流固耦合本身就是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，由于流固耦合本身的近似程度很大，當(dāng)前軟件對(duì)流固耦合的數(shù)值模擬都存在很大的不足。

為了能夠模擬夾砂層與振沖器的相互作用，并分析不同夾砂層對(duì)振沖器成孔的影響，數(shù)值模擬中將夾砂層內(nèi)土體顆粒的摩擦系數(shù)調(diào)大一些，在振沖器成孔的過程中記錄振沖器豎直方向上的受力變化，通過受力的變化反映不同夾砂層厚度對(duì)振沖器成孔的影響。下面主要分析不同夾砂層厚度以及不同夾砂層密實(shí)度對(duì)振沖器成孔的影響。

2.3.1 夾砂層不同厚度對(duì)樁體成孔的影響

為了研究不同夾砂層厚度對(duì)振動(dòng)碎石樁成孔的影響，維持其余參數(shù)的恒定，改變夾砂層的厚度。數(shù)值模擬中中粗砂層的厚度恒定為0.5 m，粉砂層的厚度d取值分別為0.1 m，0.15 m，0.2 m，0.25 m，建立的中粗砂層和粉砂層的離散元模型與圖1類似。

記錄數(shù)值模擬中不同時(shí)刻振沖器的豎向受力，通過振沖器豎向受力的變化來間接反映夾砂層厚度對(duì)振動(dòng)碎石樁成孔的影響。圖11是夾砂層厚度不同時(shí)振沖器的成孔深度與振沖器豎向受力的關(guān)系曲線。

從圖11可以看出，隨著夾砂層厚度的增加，振沖器在成孔的過程中受到來自土層的作用力越大，當(dāng)夾砂層的厚度從0.1 m增加至0.15 m時(shí)，振沖器在成孔的過程中受到的阻力幾乎相差不大，即夾砂層的厚度改變對(duì)整個(gè)成孔基本沒有影響；當(dāng)夾砂層的厚度增加至0.2 m，0.25 m時(shí)，振沖器在成孔過程中的受力明顯增加，即夾砂層在成孔的過程中所起的作用越來越明顯。

2.3.2 夾砂層不同相對(duì)密實(shí)度對(duì)樁體成孔的影響

為了研究不同夾砂層相對(duì)密實(shí)度對(duì)振動(dòng)碎石樁成孔的影響，在其余條件保持不變情況下，改變夾砂層的密實(shí)度。數(shù)值模擬中中粗砂層的厚度恒定為0.5 m，粉砂層厚度維持為0.2 m，粉砂層的相對(duì)密實(shí)度可以通過其孔隙比反映，孔隙比e取值分別為0.60，0.65，0.70，0.75，建立的中粗砂層和粉砂層的離散元模型如圖1所示。

數(shù)值模擬中記錄不同時(shí)刻振沖器下降的高度與振沖器豎直方向反力，描繪出不同夾砂層孔隙比時(shí)振沖器下降高度與振沖器豎直方向反力的關(guān)系曲線如圖12所示。從圖12可以看出，振沖器下降高度在0.2 m以內(nèi)(基于粉砂層的厚度)，夾砂層的孔隙比越小，即夾砂層的相對(duì)密實(shí)度越高，振沖器在該高度范圍內(nèi)受到的豎向反力越大，振沖器豎直方向反力的增加值與孔隙比的減小值近似呈線性增長的關(guān)系；夾砂層的孔隙比越小，振沖器在整個(gè)成孔的過程中豎向反力越大。在數(shù)值模擬中，振沖器也是由有限數(shù)量的顆粒組成，振沖器與土顆粒之間的作用其實(shí)就是顆粒與顆粒之間的作用，當(dāng)以一定的速度擠壓兩個(gè)相互接觸的顆粒時(shí)，顆粒之間的相互作用力會(huì)逐漸增加，直至兩個(gè)顆粒發(fā)生相對(duì)滑移或者錯(cuò)動(dòng)，顆粒之間的相互作用力就會(huì)急劇降低，所以圖12中振沖

器的受力曲線的波動(dòng)性較大，呈現(xiàn)一定的鋸齒形上升趨勢。

實(shí)際工程中，振沖器在向下運(yùn)動(dòng)成孔的過程中，振沖器的豎向力近似恒定，下降的速度是主要的變量；然而在數(shù)值模擬中，振沖器下降的速度是恒定的，振沖器的豎向受力是變量。故數(shù)值模擬與實(shí)際存在一定的差異，所以圖12中所示不同夾砂層密實(shí)度對(duì)振動(dòng)碎石樁成孔的影響只是定性的分析，而并非定量的分析。

3 結(jié)語

1)在夾砂層密實(shí)度一定，當(dāng)夾砂層的厚度在某一個(gè)范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，夾砂層的厚度對(duì)振動(dòng)碎石樁成孔的影響幾乎沒有太大的變化；當(dāng)夾砂層的厚度超過某一個(gè)臨界值時(shí)，夾砂層土顆粒與振沖器的相對(duì)作用明顯增強(qiáng)，振沖器穿過夾砂層所需要的能量也越高，以致出現(xiàn)振沖器抱死等現(xiàn)象。

2)在夾砂層厚度一定，夾砂層土的孔隙比減小，土體的密實(shí)度上升，振沖器穿過夾砂層所需要的能量越高，能量消耗的增加值與夾砂層孔隙比的減小值呈線性增加的趨勢。

[1] 王立慧.基于PFC的樁承式路堤土拱效應(yīng)研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué),2013.

[2] 地基處理手冊(cè)編寫委員會(huì).地基處理手冊(cè)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2000.

[3] 高加成,劉恒武.碎石樁—強(qiáng)夯聯(lián)合法加固湖區(qū)填土地基[J].湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,20(1):49-51.

Study on the drilling effect of vibro replacement stone piles in the complex formation based on PFC2D

Tang Zhen

(SichuanShuyuPetroleumBuildingInstallationEngineeringCo.，Ltd，Chengdu610081，China)

This paper introduces the principle of PFC numerical simulation, study on the drilling effect of vibro replacement stone piles in the complex formation based on the two-dimensional particle discrete element method PFC2D, and analyze the influence of different thickness and compactness of sand layer on the drilling process of vibro replacement stone piles, some significant conclusions are obtained.

discrete element method， PFC numerical simulation， vibro replacement stone piles， drilling effect

1009-6825(2016)28-0086-03

2016-07-29

唐 珍(1959- )，男，工程師

TU472.35

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