復合地基墊層破壞模式的試驗研究與數值模擬

朱小軍 趙學亮 龔維明 徐國平

(1 東南大學土木工程學院，南京210096)

(2 中交公路規劃設計院有限公司，北京100088)

剛性樁復合地基的樁體剛度大，樁體承擔大部分荷載，無法充分發揮樁間土體的承載力.在剛性樁頂設置碎石墊層，可改善樁土荷載的分配［1］.毛前等［2］采用理想球形孔擴張模式探討了樁頂刺入墊層的破壞模式;王年云［3］在討論墊層最大厚度時采用了太沙基破壞模式;池躍君等［4］認為墊層破壞模式可采用Mandel Salencon 破壞模式;王風池等［5］根據復合地基墊層的厚度確定其破壞模式;周龍翔等［6］根據褥墊層的受力機理推導出計算剛性結構層下褥墊層最小厚度的理論公式.

本文對不同厚度碎石墊層復合地基進行室內模型試驗.在模型試驗基礎上，對PFC 軟件進行二次開發，借助顆粒流理論在處理土與結構物的相互作用、大變形與破壞方面的優勢以及能模擬碎石顆粒細觀特性等特點［7］，模擬了相應情形下碎石墊層與樁頂的破壞機理.

1 模型試驗

1.1 試驗簡述

剛性樁復合地基碎石墊層試驗布置示意圖見圖1.模型箱深800 mm，長800 mm，寬500 mm，正面為20 mm 厚透明鋼化玻璃，其余四面為10 mm厚鋼板.模型樁采用半模實心鋼樁，半模樁貼于模型箱鋼化玻璃內側，樁身表面貼有應變片，并用硅膠包裹住.樁頂鋪設碎石墊層，并用染色砂設置標志層，試驗地基土樣采用粉土.樁頂和土頂分別埋設量程為3 和0.5 MPa 的土壓力盒.

圖1 試驗裝置示意圖

試驗采用快速荷載法，加載速率控制為0.05 mm/s，每級荷載為40 kPa，預計極限荷載為240 kPa，每級加載30 min 后依次進行土體位移場記錄、樁身應變記錄、樁頂和樁間土的土壓力盒數據采集、墊層位移讀數.數碼相機架設于模型箱前，拍攝數字照片，記錄土體變形觀測點和染色砂標志層的變位.共進行了3 組模型試驗，詳細參數見表1.

表1 模型試驗參數

1.2 試驗結果與分析

1.2.1 荷載-沉降曲線

圖2給出了復合地基的荷載-沉降曲線.由圖可知，當T=2 cm，復合地基加載到200 kPa 時，沉降陡然增大，荷載-沉降曲線呈陡降型.當T =4，8 cm時，復合地基沉降緩慢，曲線呈緩降型.

圖2 荷載-沉降曲線

1.2.2 荷載-樁土應力比曲線

復合地基的荷載-樁土應力比變化曲線見圖3.由圖可知，當T=2 cm 時，復合地基的樁土應力比曲線較陡，達到極限承載力時，樁土應力比又陡然增大，這是由于在復合地基破壞時樁間土首先發生了破壞，增加的荷載主要由樁來承擔.當T=4，8 cm 時，復合地基的樁土應力比曲線逐漸平緩，在達到極限承載力時，樁土應力比趨于不變.

圖3 荷載-樁土應力比曲線

1.2.3 樁身軸力分布特征

圖4為樁身軸力圖.由圖可知，由于墊層的存在，3 組試驗樁身均出現于負摩阻力區;樁身軸力的最大點即為樁身負摩阻力的中性點，在該點處樁的沉降與土沉降相等.圖中箭頭表示樁身中性點的位置變化趨勢:隨著荷載的增大，中性點位置下移.當T=2 cm 時，加載初期中性點位置集中在0.2 倍樁長處，加載后期中性點位置變化到0.3 倍樁長處;而當T=4，8 cm 時，中性點位置變化比較大，中性點位置從0.4～0.5 倍樁長處變化為0.7～0.9倍樁長處.

圖4 樁身軸力圖

1.2.4 碎石顆粒位移場

圖5為墊層在加載前后的照片.由圖可知，樁頂墊層染色砂標注線從直線變為拱形狀，墊層土體在加載過程中對樁間土進行流動補償.

根據每級荷載下拍攝的數字照片，采用無標點位移量測法獲得樁頂碎石顆粒位移的發展過程［8］，結果見圖6.圖中，橫縱坐標X，Y 表示數字圖像的處理范圍.由圖可知，當T=2 cm 時，水平位移集中在樁頂附近，墊層土體從樁頂往兩側擠出，樁頂墊層顆粒形成2 個三角核心區;當T =4，8 cm時，顆粒水平向位移集中在樁頂附近，樁頂墊層顆粒形成1 個三角核心區，并產生一個完整的破壞線，從樁頂核心區延伸到土體表面.

圖5 加載前后墊層變化圖

圖6 碎石顆粒矢量位移云圖

2 墊層破壞模式顆粒流模擬

離散單元法由Cundall［7］于1971年提出，用于分析巖石邊坡的運動問題，并于1979年將其推廣至顆粒介質的細觀力學研究中［9］.本文采用的二維顆粒流方法屬于離散單元法的一種，采用接觸剛度模型來表述碎石顆粒之間的接觸本構關系.

2.1 模型建立

首先，寫入PFC 程序模擬巴西試驗得到其應力-應變曲線［10］，與室內試驗用碎石力學性能相匹配，反復調整PFC 模型的輸入參數，直到模擬結果與實際碎石力學性能基本一致.PFC 模型的基本參數見表2.

表2 PFC 模型的基本參數

根據室內試驗建立PFC 模型.模型箱寬度為80 cm，高度為80 cm，樁徑為4 cm，樁長為60 cm.利用4 片墻體來模擬模型試驗鋼板加載，寫入伺服控制程序［11］以控制荷載等級.PFC 模型的總顆粒數約為1.6×104(見圖7).

圖7 PFC 模型

2.2 模擬結果分析

2.2.1 樁土應力比模擬結果

圖8為復合地基樁土應力比曲線.圖中，顆粒流中的土壓力是指測量圓內顆粒接觸力的平均值，測試結果較離散，但總體趨勢與試驗結果一致.

圖8 樁土應力比的PFC 模擬曲線

2.2.2 樁身軸力圖模擬結果

復合地基的樁身軸力分布如圖9所示.由圖可知，模擬結果的曲線形式與模型試驗結果一致.隨著加載的進行，樁身軸力最大點(負摩阻力中性點)沿樁身向下移動.圖中箭頭標注了中性點位置的變化趨勢，與模型試驗呈現的規律相同.

2.2.3 土體位移云圖

圖9 樁身軸力的PFC 模擬曲線

首先，利用PFC 軟件中的FISH 語言編制土體顆粒的位移函數，墊層以下土體顆粒的位移不計入搜索范圍內.然后，導出所有顆粒的位移，利用Surfer 畫圖軟件導入顆粒位移，進行差值處理.最后，將樁的邊界函數導入，即可得到墊層顆粒的位移云圖(見圖10).由圖可知，當T =2 cm 時，墊層厚度小于樁徑，加載初期樁頂墊層顆粒會產生1 個小的核心區，隨著加載的進行，樁頂土體由1 個核心區逐漸演變成2 個小三角核心區，這與室內模型試驗結果相吻合.當T =4，8 cm 時，樁頂處形成1個三角核心區，不同位移土體顆粒從樁頂三角核心區產生滑移，一直延伸到土體顆粒上部，形成一個完整的破壞線.

3 結論

1)針對復合地基墊層破壞模式的試驗和顆粒流數值模擬結果均表明:當墊層厚度小于樁徑時，樁頂墊層顆粒形成2 個小三角核心區，土體滑移線從核心區延伸到土體內部，未到達土體表面，屬于局部剪切破壞;當墊層厚度大于樁徑時，樁頂墊層顆粒形成1 個三角核心區，土體滑移從核心區一直延伸到土體顆粒表面，形成完整的滑動面，呈現整體剪切破壞.

圖10 墊層土體顆粒位移云圖

2)墊層厚度不同，則樁身負摩阻力中性點位置不同.當墊層厚度小于樁徑時，中性點位置集中在0.2～0.4 倍樁長處，樁土應力比增長較快，沒有呈現穩定的趨勢;當墊層厚度大于等于樁徑時，中性點位置在0.7～0.9 倍樁長處，樁土應力比增長緩慢，最后趨于平緩.

3)對復合地基墊層破壞模式的分析結果表明，墊層的厚度不宜太薄，否則會使樁頂產生應力集中，導致碎石被壓碎，且不利于樁側土體分擔荷載.墊層厚度也不宜取得太厚，最大厚度不宜超過樁徑.當墊層厚度大于等于樁徑時，墊層的破壞模式和極限承載力幾乎相同，會造成材料浪費，且墊層沉降也隨之增大.

References)

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