纖維水泥攪拌樁數值模擬分析

武朝光，阮波

纖維水泥攪拌樁數值模擬分析

武朝光1，阮波2

(1. 長沙中大建設監理有限公司，湖南 長沙 410075；2. 中南大學 土木工程學院，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值計算模型。計算結果表明：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構，在工程中得到了廣泛的應用。然而水泥攪拌樁抗彎強度和抗折強度較低，當基坑內無其他支撐時，所需水泥土厚度較大，工程成本也相應增加。為了提高水泥土材料本身的力學性能，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特性。鹿群等[2]通過無側限抗壓強度試驗對水泥土和纖維水泥土的力學性能進行了研究，試驗結果表明：相對于水泥土，纖維水泥土的殘余強度和峰值應變都有一定的提高，加入纖維能增強其塑性和延性。葉之琳等[3]進行了無側限抗壓強度4因素4水平的正交試驗，結果表明：影響抗壓強度的主次順序依次為水泥摻入比、養護齡期、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性能，研究結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限抗壓試驗提出了預測拉壓比的理論模型。Estabragh等[6]通過室內試驗研究發現尼龍纖維水泥穩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、無側限抗壓強度和峰值應變都得到了相應的提高，降低了水泥土峰后強度的損失，改變了水泥土的脆性特征，使水泥土表現出更強的塑性。阮波等[8]通過無側限抗壓試驗研究了纖維摻量和纖維長度對試樣無側限抗壓強度的影響，試驗結果表明：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黏土強度特性的影響，研究結果表明，隨玄武巖纖維摻入量的增大，玄武巖纖維水泥粉質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?張模型參數的影響，研究表明，聚乙烯醇纖維水泥固化淤泥土的應力應變曲線呈現出雙曲線的變化規律，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，但其內摩擦角變化不明顯。國內外學者對纖維水泥土的試驗研究比較多，數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。基坑開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，基坑開挖及地質條件左右前后均對稱，本次建模取整個復合地基1/4實體進行建模，模型尺寸為80 m×48 m×20 m(長×寬×深)，模型產生9 405個單元，11 274個節點。如圖1所示。

(a) 開挖前；(b) 開挖完成后

1.2 邊界條件設置

假設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，中心對稱面和側面各節點限制水平位移，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

本工程中，土體采用摩爾庫倫模型，所需參數如下：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組參數一般可按照下式進行轉換：

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

通過三軸固結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、內摩擦角、彈性模量、泊松比和劈裂抗拉強度等。土體材料參數見表1，水泥土及纖維水泥攪拌樁材料參數見表2。

(a) 樁結構單元的模擬；(b) 樁結構單元模型

表1 土體材料性質參數

表2 樁結構單元參數

1.4 基坑開挖過程

地層土體由于長期處在重力作用下，已經處于穩定狀態，所以基坑在開挖之前，需要對模型進行初始狀態的模擬。模擬之后開始計算之前，應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定好以后，就可以根據基坑實際開挖情況分工況對基坑進行開挖模擬計算。基坑共分為5次開挖，每次開挖深度為1 m。

2 計算結果及分析

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 結論

1) 在開挖過程中，基坑底部出現隆起，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)