基于FLAC3D的钉形水泥土搅拌桩复合地基数值分析

2016-10-13薛龙

治淮 2016年9期

关键词：桩体模量承载力

薛　龙

（安徽省水利水电勘测设计院　合肥　230000）

基于FLAC3D的钉形水泥土搅拌桩复合地基数值分析

薛龙

（安徽省水利水电勘测设计院合肥230000）

文章采用FLAC3D软件，选用Mohr-Coulomb本构模型模拟分析了钉形水泥土搅拌桩扩大头高度、直径、桩长桩身模量对复合地基的桩体荷载分担比，桩土应力比，P-S曲线，加固区竖向位移等值线，并与载荷试验成果对比，揭示桩身轴力的传递特征和桩土相互作用的机理，为类似地基加固工程设计提供了一些参考。

三维有限差分法钉形桩复合地基Mohr-Coulomb本构模型

1　FLAC3D简介

2　FLAC3D计算模型建立

本文以池州市清溪河泵站软基加固处理为例，研究钉形桩复合地基承载特征，揭示桩身轴力的传递特征和桩土相互作用的机理，探究扩大头高度、直径、桩身模量等设计参数的材料敏感性，采用FLAC3D程序对单桩静载试验进行模拟，并与试验成果进行对比。

2.1模型基本假设

基于该工程试验现场情况，作出以下假设：（1）为探究钉形桩设计参数的敏感性，不考虑土层间的排水；（2）不考虑桩底的滑动，且钉形桩不影响土的连续性和物理参数；（3）土体采用Mohr-Coulomb本构模型进行模拟；

2.2几何模型

根据地勘资料，土层模拟分为四层：①层填土，②层轻粉质壤土；③层淤泥质轻粉质壤土；④层含卵石圆砾石层。初次模拟取桩长9m，上部桩径为1.0m，下部桩径为0.5m。2.3材料参数

根据勘探资料和室内试验成果并结合现场勘探，确定各土层主要参数建议值。钉形水泥土搅拌桩采用双向搅拌工艺，桩体强度上下均匀分布，上下桩桩体模量一致，水泥土本构模型选用Mohr-Coulomb本构模型，用来模拟桩体的受力屈服。载荷板采用线弹性模型模拟加载板。详细指标及参数表见表1。

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剪切模量G、体积模量K的计算公式如下：

式中：E—土体的变形模量；v—土体的泊松比。在实际应用中，土体的变形模量E较难直接测定，一般先测定土体的压缩模量Es，再根据Es计算E。

2.4接触面模拟

桩—土的共同作用比较复杂，根据桩土作用的不同特征，可将其作用情况分为两种：一种是土与结构在作用过程中变形协调，没有相对位移，可将桩土材料视为连续体；二是土与结构接触部位发生相对滑动，变形不协调，需在桩土界面设置接触单元来模拟桩土之间的共同作用。其中桩—土界面法向刚度和切向刚度计算公式如下：

式中：K—体积模量；G—剪切模量；Δzmin—接触面法向方向连接区域上的最小尺寸。

2.5模拟方案

进行FLAC3D数值模拟的主要目的是通过监测桩身轴力、桩侧摩阻力、桩体荷载分担比及柱顶沉降量的变化与桩体以及土体等参数的变化关系，分析钉形水泥土双向搅拌桩的承载机理与各参数之间的内在联系。

数值模拟的可变参数有扩大头直径、上下桩径比、桩长、桩身模量，研究不同设计参数下单桩承载力特性。模型分为三步进行：（1）将桩体各部分赋予相同土层的材料参数进行初始平衡计算；（2）改变桩体材料参数，进行第二次平衡计算，完成后将位移场清零；（3）在桩顶分级施加荷载，并且每一级荷载都计算到平衡，直到模型发生塑性流动破坏为止。

图1　站身处桩基P-S曲线图

3　模拟结果分析

通过对站身与进水闸两处单桩荷载试验进行模拟，与现场相同位置单桩荷载试验的P—S曲线对比见图1和图2，可以看出，数值模拟得到的P—S曲线变化规律与现场试验基本吻合。在达到极限荷载前模拟的沉降略大，原因是模拟时每一级都计算到稳定状态，而现场观测的沉降并未发展完全。

3.1扩大头高度H的影响

由于钉形桩桩身模量比桩间土的模量要大，桩与桩间土在荷载的作用下形成差异沉降，从而使复合地基上的荷载在桩与桩间土之间重新分配，形成土拱效应。

表1　各土层物理力学指标建议值表

图2　进水闸处桩基P-S曲线图

由复合地基中不同扩大头高度桩顶的P—S曲线图可以看出，扩大头高度H由0分别增加到2m和4m时，其极限承载力P分别增加了60%，102%；H由3m增加到4m时，P增加了10%；H由4m提高到5m时，P只增加了6%。可见，在同等条件下钉形桩的承载力P远大于常规桩；而且P随着H的增加而增加，在H增加的初期，P迅速增加，当H大于3～5m之后，H的提高对复合地基的极限承载力的影响开始减弱。

图3　不同扩大头高度竖向位移云图　

由不同扩大头高度竖向位移云图（图3）可以看出，常规桩加固区的竖向位移等值线分部比较均匀，比钉形桩加固区要密一些。由此表明，在钉形桩复合地基地表沉降量小于同等条件下的常规桩复合地基。随着H的增加，竖向位移等值线的较疏的区域也相应增加，这说明加固区上部的沉降量随着H的增加而减小。

3.2扩大头直径D的影响

由模拟结果可以看出，在相同条件下，常规桩的桩—土荷载分担比只有钉形桩的1/2左右。同时钉形桩的桩—土荷载应力比要大得多，并随扩大头的提高有所增加，但变化并不大。表明，由于扩大头的存在，钉形桩的桩土之间的协调变形要优于常规桩。

由复合地基中不同扩大头直径D的桩体荷载分担比可以看出：桩体荷载分担比与扩大头直径基本上呈线性关系，说明复合地基表面的面积置换率对桩体荷载分担比影响较大。但是随着D的增加，桩—土应力比先是减小后增大，这是因为在扩大头直径增加的初期，改善了桩土之间的协调受力，但当D＞1.0m之后，桩与桩之间的间距过小，面积置换率迅速增加，土拱效应表现的非常明显，这让更多的荷载由桩间土转移到桩顶上，使在扩大头直径增加的后期桩—土应力比有所增加。

由不同扩大头直径复合地基在极限承载力下的竖向位移（沉降）等值线图（图4）可以看出，复合地基在破坏时桩端都明显的刺入下卧层，扩大头直径越大，其刺入量也越大。这是因为扩大头把更多的荷载传递到下部桩体中，在加固区的上部，应力等值线随D值的增加渐渐变得稀疏，说明D值越大，复合地基上部的沉降量越小。

3.3桩长影响

由模拟结果可知，桩长对桩体荷载分担比几乎没有影响。随着桩长的增加，复合地基的承载力迅速增加，但当桩长大于9m后，桩长的增长对复合地基极限承载力影响很小。表明钉形桩复合地基加固软土基础时存在有效桩长，当大于有效桩长后，增加桩长并不能提高复合地基的承载力。该工程桩长由7m增加到9m时，复合地基的极限承载力提升非常明显，大约为40%，但桩长越长，复合地基极限承载力提升幅度越小，因此实际设计中，桩端深入下部持力层一定深度即可。在相同荷载下，随着桩长的增加复合地基的沉降量迅速减小。

图4　不同扩大头直径竖向位移云图

3.4桩身模量影响

在桩身模量增加的初期（50～100MPa），桩体荷载分担比增加比较明显。当桩身模量Ep大于150MPa后，随着Ep的增加，桩体荷载分担比只是略有增长。表明只有在Ep较小时（不大于100MPa），其对桩体荷载分担比的影响表现才会比较明显。由结果还可看出桩土应力比基本上随着Ep的增加呈线性增加，因为随着Ep的增加，桩与桩间土之间的材料特性差异显著增大（这里主要表现在剪切模量和体积模量上），这将导致桩和桩间土在上部荷载作用下的差异变形增加，桩体会因此而承担更多的荷载。

复合地基极限承载力P随桩身模量Ep的变化分三个阶段：在Ep增长的初期，P值增加非常明显，基本符合幂函数的规律；当Ep在100～150MPa之间时，P与Ep呈现线性关系；当Ep大于200MPa以后，此时增大Ep对增加复合地基极限承载力的帮助并不大。