复合地基垫层破坏模式的试验研究与数值模拟

朱小军 赵学亮 龚维明 徐国平

(1 东南大学土木工程学院，南京210096)

(2 中交公路规划设计院有限公司，北京100088)

刚性桩复合地基的桩体刚度大，桩体承担大部分荷载，无法充分发挥桩间土体的承载力.在刚性桩顶设置碎石垫层，可改善桩土荷载的分配［1］.毛前等［2］采用理想球形孔扩张模式探讨了桩顶刺入垫层的破坏模式;王年云［3］在讨论垫层最大厚度时采用了太沙基破坏模式;池跃君等［4］认为垫层破坏模式可采用Mandel Salencon 破坏模式;王风池等［5］根据复合地基垫层的厚度确定其破坏模式;周龙翔等［6］根据褥垫层的受力机理推导出计算刚性结构层下褥垫层最小厚度的理论公式.

本文对不同厚度碎石垫层复合地基进行室内模型试验.在模型试验基础上，对PFC 软件进行二次开发，借助颗粒流理论在处理土与结构物的相互作用、大变形与破坏方面的优势以及能模拟碎石颗粒细观特性等特点［7］，模拟了相应情形下碎石垫层与桩顶的破坏机理.

1 模型试验

1.1 试验简述

刚性桩复合地基碎石垫层试验布置示意图见图1.模型箱深800 mm，长800 mm，宽500 mm，正面为20 mm 厚透明钢化玻璃，其余四面为10 mm厚钢板.模型桩采用半模实心钢桩，半模桩贴于模型箱钢化玻璃内侧，桩身表面贴有应变片，并用硅胶包裹住.桩顶铺设碎石垫层，并用染色砂设置标志层，试验地基土样采用粉土.桩顶和土顶分别埋设量程为3 和0.5 MPa 的土压力盒.

图1 试验装置示意图

试验采用快速荷载法，加载速率控制为0.05 mm/s，每级荷载为40 kPa，预计极限荷载为240 kPa，每级加载30 min 后依次进行土体位移场记录、桩身应变记录、桩顶和桩间土的土压力盒数据采集、垫层位移读数.数码相机架设于模型箱前，拍摄数字照片，记录土体变形观测点和染色砂标志层的变位.共进行了3 组模型试验，详细参数见表1.

表1 模型试验参数

1.2 试验结果与分析

1.2.1 荷载-沉降曲线

图2给出了复合地基的荷载-沉降曲线.由图可知，当T=2 cm，复合地基加载到200 kPa 时，沉降陡然增大，荷载-沉降曲线呈陡降型.当T =4，8 cm时，复合地基沉降缓慢，曲线呈缓降型.

图2 荷载-沉降曲线

1.2.2 荷载-桩土应力比曲线

复合地基的荷载-桩土应力比变化曲线见图3.由图可知，当T=2 cm 时，复合地基的桩土应力比曲线较陡，达到极限承载力时，桩土应力比又陡然增大，这是由于在复合地基破坏时桩间土首先发生了破坏，增加的荷载主要由桩来承担.当T=4，8 cm 时，复合地基的桩土应力比曲线逐渐平缓，在达到极限承载力时，桩土应力比趋于不变.

图3 荷载-桩土应力比曲线

1.2.3 桩身轴力分布特征

图4为桩身轴力图.由图可知，由于垫层的存在，3 组试验桩身均出现于负摩阻力区;桩身轴力的最大点即为桩身负摩阻力的中性点，在该点处桩的沉降与土沉降相等.图中箭头表示桩身中性点的位置变化趋势:随着荷载的增大，中性点位置下移.当T=2 cm 时，加载初期中性点位置集中在0.2 倍桩长处，加载后期中性点位置变化到0.3 倍桩长处;而当T=4，8 cm 时，中性点位置变化比较大，中性点位置从0.4～0.5 倍桩长处变化为0.7～0.9倍桩长处.

图4 桩身轴力图

1.2.4 碎石颗粒位移场

图5为垫层在加载前后的照片.由图可知，桩顶垫层染色砂标注线从直线变为拱形状，垫层土体在加载过程中对桩间土进行流动补偿.

根据每级荷载下拍摄的数字照片，采用无标点位移量测法获得桩顶碎石颗粒位移的发展过程［8］，结果见图6.图中，横纵坐标X，Y 表示数字图像的处理范围.由图可知，当T=2 cm 时，水平位移集中在桩顶附近，垫层土体从桩顶往两侧挤出，桩顶垫层颗粒形成2 个三角核心区;当T =4，8 cm时，颗粒水平向位移集中在桩顶附近，桩顶垫层颗粒形成1 个三角核心区，并产生一个完整的破坏线，从桩顶核心区延伸到土体表面.

图5 加载前后垫层变化图

图6 碎石颗粒矢量位移云图

2 垫层破坏模式颗粒流模拟

离散单元法由Cundall［7］于1971年提出，用于分析岩石边坡的运动问题，并于1979年将其推广至颗粒介质的细观力学研究中［9］.本文采用的二维颗粒流方法属于离散单元法的一种，采用接触刚度模型来表述碎石颗粒之间的接触本构关系.

2.1 模型建立

首先，写入PFC 程序模拟巴西试验得到其应力-应变曲线［10］，与室内试验用碎石力学性能相匹配，反复调整PFC 模型的输入参数，直到模拟结果与实际碎石力学性能基本一致.PFC 模型的基本参数见表2.

表2 PFC 模型的基本参数

根据室内试验建立PFC 模型.模型箱宽度为80 cm，高度为80 cm，桩径为4 cm，桩长为60 cm.利用4 片墙体来模拟模型试验钢板加载，写入伺服控制程序［11］以控制荷载等级.PFC 模型的总颗粒数约为1.6×104(见图7).

图7 PFC 模型

2.2 模拟结果分析

2.2.1 桩土应力比模拟结果

图8为复合地基桩土应力比曲线.图中，颗粒流中的土压力是指测量圆内颗粒接触力的平均值，测试结果较离散，但总体趋势与试验结果一致.

图8 桩土应力比的PFC 模拟曲线

2.2.2 桩身轴力图模拟结果

复合地基的桩身轴力分布如图9所示.由图可知，模拟结果的曲线形式与模型试验结果一致.随着加载的进行，桩身轴力最大点(负摩阻力中性点)沿桩身向下移动.图中箭头标注了中性点位置的变化趋势，与模型试验呈现的规律相同.

2.2.3 土体位移云图

图9 桩身轴力的PFC 模拟曲线

首先，利用PFC 软件中的FISH 语言编制土体颗粒的位移函数，垫层以下土体颗粒的位移不计入搜索范围内.然后，导出所有颗粒的位移，利用Surfer 画图软件导入颗粒位移，进行差值处理.最后，将桩的边界函数导入，即可得到垫层颗粒的位移云图(见图10).由图可知，当T =2 cm 时，垫层厚度小于桩径，加载初期桩顶垫层颗粒会产生1 个小的核心区，随着加载的进行，桩顶土体由1 个核心区逐渐演变成2 个小三角核心区，这与室内模型试验结果相吻合.当T =4，8 cm 时，桩顶处形成1个三角核心区，不同位移土体颗粒从桩顶三角核心区产生滑移，一直延伸到土体颗粒上部，形成一个完整的破坏线.

3 结论

1)针对复合地基垫层破坏模式的试验和颗粒流数值模拟结果均表明:当垫层厚度小于桩径时，桩顶垫层颗粒形成2 个小三角核心区，土体滑移线从核心区延伸到土体内部，未到达土体表面，属于局部剪切破坏;当垫层厚度大于桩径时，桩顶垫层颗粒形成1 个三角核心区，土体滑移从核心区一直延伸到土体颗粒表面，形成完整的滑动面，呈现整体剪切破坏.

图10 垫层土体颗粒位移云图

2)垫层厚度不同，则桩身负摩阻力中性点位置不同.当垫层厚度小于桩径时，中性点位置集中在0.2～0.4 倍桩长处，桩土应力比增长较快，没有呈现稳定的趋势;当垫层厚度大于等于桩径时，中性点位置在0.7～0.9 倍桩长处，桩土应力比增长缓慢，最后趋于平缓.

3)对复合地基垫层破坏模式的分析结果表明，垫层的厚度不宜太薄，否则会使桩顶产生应力集中，导致碎石被压碎，且不利于桩侧土体分担荷载.垫层厚度也不宜取得太厚，最大厚度不宜超过桩径.当垫层厚度大于等于桩径时，垫层的破坏模式和极限承载力几乎相同，会造成材料浪费，且垫层沉降也随之增大.

References)

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