基于FLAC3D的樁擠土效應分析

楊小兵

許多學者已經從多方面對樁的擠土效應問題進行了研究,但由于這個問題的復雜性,至今還沒有獲得滿意的結果。所以研究樁擠土效應具有重要意義。空間小孔擴張理論[1]是簡單實用且被學術界和工程界接受的一種理論,FLAC3D軟件具有其他軟件不可比擬的優點[2]。所以,本文結合空間小孔擴張理論和FLAC3D軟件兩者的優勢,分析了單樁的擠土效應。

1 模型的建立

采用FLAC3D中的圓柱形殼體cshell網格建立一個1/4的厚壁圓筒(見圖1),然后利用模型的軸對稱特點通過鏡像建立一個完整的厚壁圓筒形狀。由于樁的影響范圍是有限的,因而可以認為在距離樁中心一定距離遠處樁的擠土效應在工程上可以忽略不計,進而在厚壁圓筒外側的邊界條件可以假設為固定的,上端(樁端)和下端(樁底)設置為自由邊界,在筒內對樁周土施加徑向的擴張應力和豎向的摩擦力。這也就是該模型的初始邊界條件和應力條件。建立的模型簡圖見圖2。

2 參數的確定

沉樁的最大影響范圍為20R[3](R為樁半徑)。為避免由于初始半徑為0而造成的環向應變無窮大的現象,可以假設壓樁前土體已存在一個有一定半徑為R0的圓柱空腔體,即初始擴張半徑。把由 0～ R的真實擴張用 R0～2R0來代替[4]。因為,所以,即:土體中空腔半徑擴大至

3 數值分析結果

3.1 相同樁長不同樁徑條件下樁擠土效應分析

土體本構參數見表1。

表1 土體本構參數[5]

土體初始徑向擠壓力:

徑向應力[6]:

豎向摩擦應力[6]:

現取樁體外徑分別為D=0.4 m,0.5 m,0.6 m三種情況[7]來研究。

當D=0.4 m,L=6 m時,根據初始擴張小孔半徑的確定規則,初始擴張小孔半徑為 R0=0.115 5 m,擴張到2R0=0.231 m。影響范圍根據前述定為20R=4.0 m。

同理當D=0.5 m,L=6 m時,影響范圍為20R=5.0 m;當D=0.6 m時,L=6 m,影響范圍為20R=6.0 m。

由上述三種情況得:經過對圖3各組數據的回歸分析可得:土體的徑向位移Ur與ln(1/r)成正比例關系。其他條件相同的情況下,樁徑越大,徑向位移隨之越大,其影響范圍也越遠;隨著深度的增加,徑向位移的影響范圍也在增加。在沿樁深度方向的徑向位移不是發生在樁頂和樁底,而是發生在z=-3.0 m處,大約1/2倍的樁長處。

由圖4得:在同一徑向距離處,徑向位移隨著樁徑的增大而增大,在同一樁徑時徑向位移隨著徑向距離的增大反而減小。可見徑向位移的大小不僅和樁徑有關,而且和徑向距離有關。還可以發現,這些曲線不同程度的有“S”的形狀。總結其原因,可能是在樁頂處的土體處于自由狀態,不僅在徑向有位移,而且在靠近樁體的土體還存在較大的隆起現象。所以在z=0處及其以下的一段深度有較大徑向位移,而隨著上覆土壓力的增加,徑向位移逐漸減小。但其徑向位移沿深度的最大處經這四種情況可驗證上述規律,大約在距離樁頂1/2的樁長處。

3.2 相同樁徑不同樁長條件下樁擠土效應分析

樁長L分別取10 m,15 m和20 m三種情況,其余參數同3.1節。D=0.6 m,R0=0.173 2 m,分別得出:

通過對圖5分析可得徑向位移的最大值在樁頂和樁底幾乎相當,但是樁底的影響范圍明顯比樁頂大。

通過分析圖6發現,隨著徑向距離的增大,各種樁長的徑向位移隨之減小;但在同一徑向距離處各樁的最大徑向位移隨樁長的變化并不明顯。結合前述規律可得:樁徑是影響徑向位移的主要因素,這幾種不同樁長情況下得出的沿深度方向的徑向位移的最大值不是發生在1/2樁長處,而是發生在大約距離樁底1/3樁長處。所以,隨著樁長的增大,在深度方向的徑向位移的最大值有下移的趨勢,大約從1/2樁長處下移到距離樁底1/3樁長處。

4 結語

1)土體的徑向位移Ur與ln(1/r)呈正比例關系。2)在深度方向上的樁擠土徑向位移的最大值:短樁(≤10 m)約在1/2樁長處,長樁(＞10 m)約在距樁底1/3樁長處。

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[4] Carter,J.P.,Randolph,M.F.,Worth,C.P..Stress and pore pressure changes in clay during and after the expansion of a cylindrical cavity[J].Int.Jour.Num.and Analy.Mehtods in Geomech.,1979(3):217-229.

[5] 陳希哲.土力學地基基礎[M].北京:清華大學出版社,1997.

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[7] 中山建華管樁—產品工藝—產品標準[EB/OL].(2006-8-30)http://www.phc.cn/docc/product/standard1.htm.

[8] 白文彪,馬 健.談地基處理常見技術及發展[J].山西建筑,2008,34(6):152-153.