飽和軟黏土中沉樁以及隨后固結過程的數值模擬趙明華

摘 要：考慮土體的K0沉積過程，利用Flac2D軟件對沉樁以及隨后的固結過程進行了模擬.模擬過程前，首先對沉樁前不同應力歷史土體中的原位有效應力和剪切模量的取值方法進行了分析.通過數值模擬，得到了不同應力歷史土體中沉樁后孔隙水壓力分布、有效應力場，以及孔壓完全消散時的樁側有效應力場.分析了不同應力歷史、不同初始含水量、不同剪切模量對固結完成后樁側土體不排水抗剪強度提高幅度的影響，探討了土體結構性對沉樁后樁側土體的孔隙水壓力以及固結完成時樁側土體徑向有效應力、不排水抗剪強度的影響.傳統圓孔擴張理論將沉樁過程看作是一個平面應變問題，忽略了問題的三維本質，本文根據應力路徑的相似性給出了考慮空間性的辦法.

關鍵詞：軟土；沉樁；固結；修正劍橋模型；不排水抗剪強度；應力路徑

中圖分類號：TU4703 文獻標識碼：ANumerical

長期以來由于測試技術等方面的限制，工程界只關注到樁在加荷階段的應力狀態，而一般忽略樁加荷前土體應力狀態和加荷過程對最后結果的影響，自20世紀70年代以來，由于樁基工程給設計和施工提出了更高的要求以及測試技術的進步，國內外進行了大量埋置儀器受壓樁的靜載試驗研究，結果表明沉樁過程引起的超孔隙水壓力、殘余應力以及隨后的固結過程對軟黏土靜壓樁的實驗結果有很大的影響，人們逐漸認識到一個完整而合理的樁基礎設計應當考慮沉樁過程、隨后的固結過程和加載過程.國內外在這個方面開展了許多研究，模擬方法主要有圓孔擴張理論和應變路徑法，模擬手段分為解析方法、數值方法和試驗研究.

圓孔擴張理論將沉樁過程看作是一個圓柱形孔的不排水擴張過程，采用平面應變假定.Vesic＼[1＼]1972年首次得到了該問題的理論解，他假設土體是理想彈塑性材料，符合MohrCoulomb破壞準則，推導得出了無限土體內初始半徑為r的圓筒形孔或球形孔，被均勻壓力p所擴張的一般解.Carter等人＼[2＼]初步運用修正的劍橋模型＼[3＼]去模擬樁周土體，以此來考慮應力歷史對沉樁過程的影響.Randolph等人＼[4＼]根據修正的劍橋模型，以波士頓藍黏土為例，運用有限單元法，考慮了黏土的沉積形成、沉樁過程對樁周土體應力場的影響，但是文中關于剪切模量與最大體積模量相聯系的作法值得商榷，而這對最后的結果有不小的影響.Carter等人＼[5＼]采用非關聯的流動法則，給出了砂土中圓孔擴張問題的解析解.

應變路徑法＼[6＼]從問題描述上，能夠最準確反映沉樁的過程特性.該理論將地基看作一種特殊的流體，將樁體看成一個光滑的圓形剛體，以一定的速度貫入均勻流場，從而得到了獨立于本構關系的位移場.但該方法沒有簡單的形式，限制了其應用，同時假設土體不可壓縮且無摩擦也與實際有一定差別.

本文結合圓孔擴張理論，將沉樁看作是一個圓柱形孔的不排水擴張過程，考慮天然土體的K0沉積過程，利用Flac2D軟件對沉樁以及隨后的固結過程進行有限差分模擬.模擬過程前，首先對不同超固結比土體的原位有效應力和剪切模量的取值進行分析.

6 結 語

本文運用有限差分程序Flac（5.0）2D對沉樁以及隨后的固結過程進行了數值模擬，得到如下結論：

1）沉樁結束時樁側超靜孔壓隨超固結比增加而減小，在徑向成對數遞減趨勢.

2）孔壓完全消散后，不同應力歷史情形樁土界面處土體不排水抗剪強度提高幅度約為30%到50%，超固結比不變，剪切模量增大時，土體強度提高幅度會降低.土體靈敏度越高，成樁后樁側超靜孔壓會越高；孔壓消散時，樁側土體不排水抗剪強度會隨著靈敏度的升高而降低

3）仍然采取平面應變假設，取樁側2個點進行數值計算就可以基本確定樁側的超靜孔壓分布和有效應力場.

4）結構性黏土的研究表明，天然土體由于非等壓固結作用，導致屈服面在qp′平面內以K0線為對稱軸，而非p′軸，關于這一點對最后結果的影響，仍然需要進行進一步的研究.對土體的結構性需要建立一個合理的描述框架，并與本構關系有機地結合起來.本文在處理空間性時，一個隱含的假定是土體是單層的，這樣應力路徑才會相似，然而實際中土體常常表現為成層性，如何將本文結果推廣到多層地基中需要進一步的工作.

參考文獻

[1] VESIC A S. Expansion of cavities in infinite soil mass ＼[J＼].Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division，1972，98（3）： 265-289.

[2] 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＼].International Journal for Numerical and Analytical Method in Geomechanics，1979（3）：305-322.

[3] ROSCOE K H， BURLAND J B. On the generalized stressstrain behavior of ‘wet clay’＼[M＼]. London： Cambridge University Press， 1968.

[4] RANDOLPH M F， CARTER J P， WORTH C P. Driven piles in claythe effects of installation and subsequent consolidation＼[J＼].Geotechnique，1979，29（4）：361- 393.

[5] CARTER J P， BOOKER J R， YEUNG S K. Cavity expansion in cohesive frictional soils＼[J＼].Geotechnique， 1986，36（3）： 349 -358.

[6] BALIGH M M.Strain path method＼[J＼].Journal of Geotechnical Engineering， ASCE， 1985，111（9）：1108 -1136.

[7] MAYNE P W， KULHAWY F H.K0OCR relationships in soil＼[J＼].Journal of Geotechnical Engineering，1982， 108（6）： 851-872.

[8] WOOD D M. Soil behavior and critical state soil mechanics＼[M＼]. London， Cambridge： Cambridge University Press， 1990.

[9] MEYERHOFF G G. Discussion on driven piles in claythe effects of installation and subsequent consolidation＼[J＼].Geotechnique，1981，31（2）：291-295.

[10] COOP M R， WROTH C P. Field studies of an instumented model pile in clay＼[J＼].Geotechnique， 1989，39（4）：679-696.

[11] BOND A J， JARDINE R J. Effects of installing displacement piles in a high OCR clay＼[J＼]. Geotechnique， 1991，41（3）：341 -363.

[12] HOULSBLY G T ，WROTH C P. The variation of shear modulus of a clay with pressure and overconsolidation ratio ＼[J＼].Soils and Foundations， 1991，31（3）：138 -143.

[13] PALMER A C.Undrained planestrain expansion of a cylindrical cavity in clay： a simple interpretation of pressuremeter test＼[J＼].Geotechnique，1972，22（3）： 451-457.

[14] 陳育民，徐鼎平.Flac/Flac3D基礎與工程實例＼[M＼].北京：中國水利水電出版社，2009：1-400.

[15] LEROUEIL S，VAUGHAN P R. The general and congruent effects of structure in natural soils and weak rocks[J].Geotechnique， 1990，40（3）：467-488.

[16] LADD C C，FOOTT R. New design procedure for stability of soft clays ＼[J＼].Journal of Geotechnical Engineering， 1974， 100（7）：763-786.

[17] 陳文，施建勇，龔友平，等.飽和粘土中靜壓樁擠土效應的離心模型試驗研究＼[J＼].河海大學學報，1999，27 （6）：103-109.

CHEN Wen， SHI Jianyong， GONG Youping， et al. Centrifugal model tests of piles jacked in saturated clay＼[J＼].Journal of Hehai University， 1999，27 （6）：103-109.（In Chinese）