砼芯橡胶水泥土桩复合地基的有限元分析

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(沈阳建筑大学 土木工程学院， 辽宁 沈阳 110168)

废弃橡胶轮胎可作为燃料或用于制造碳黑，但其利用率低，占用空间大，难以分解，使得如何有效处理日益增加的废弃橡胶轮胎成为全球环境与资源方面亟待解决的问题之一。将废弃橡胶轮胎制成的橡胶粉掺入水泥土中，形成的橡胶水泥土(rubber cement soil，RCS)能够有效提升水泥土抵抗有害离子侵蚀的能力、抗冻融能力、抗冲击能力和阻尼性能[5-9]，同时RCS也能提高废弃橡胶轮胎在土木工程领域的利用率。以橡胶复合水泥土材料作为外芯桩融合到传统的砼芯水泥土组合桩中，便形成了砼芯RCS桩。

本文中利用ABAQUS有限元程序，分析桩身材料、芯桩长度比、芯桩面积比和外芯水泥土桩的橡胶粉掺量等不同因素对砼芯RCS桩复合地基承载性能的影响。

1 有限元模型建立

整个模型由三维实体单元建立，并采用1/4桩体来计算。有限元网格与模型构造图如图1、2所示。其中混凝土内芯采用线弹性模型，RCS外芯和桩周、桩端土体的本构模型采用扩展的线性Drucker-Prager模型[10-12]。模型在对称面上约束垂直于该方向的位移，在其他面上约束另外3个方向的位移。在内外芯的接触面上，以砼芯面作为主控面，RCS面作为从属面。在RCS与土的接触面上，将RCS面作为主控面，土面作为从属面。

2 有限元计算分析

2.1 有限元模型参数

模拟计算参数如下：砼芯桩桩径为0.2 m，深度为9 m；水泥土搅拌桩桩径为0.6 m，深度为10 m。为了缩小边界对分析区域的影响，取整个分析区域的水平方向长度为水泥土桩桩径的20倍，即12 m；竖直方向长度为水泥土桩桩长的2倍，即20 m。材料参数如表1所示。

图1 有限元网格图

图2 有限元模型剖面图

2.2 砼芯水泥土桩复合地基荷载-沉降曲线分析

为了验证模型的合理性，取与现场试验相同的数值[13]， 即砼芯直径为0.175 m， 桩长为4 m。 图3所示为砼芯水泥土搅拌桩在试验和模拟2种情况下的荷载-沉降曲线。 由于实际土体为非理想状态下的弹塑性Drucker-Prager模型，并且水泥土搅拌桩在成桩过程中水泥浆液会向桩周土体扩散而改变桩周土体的性质，因此模拟值存在一定的误差；但模拟条件下的曲线仍然较好地反映了砼芯水泥土搅拌桩的荷载与沉降的关系规律。

表1 有限元模型的材料参数

图3 砼芯水泥土搅拌桩的荷载-沉降曲线

2.3 砼芯水泥土桩芯桩长度比和芯桩面积比对承载力的影响

芯桩长度比m及芯桩面积比n定义为

(1)

(2)

式中d、D、L1、L分别为砼芯水泥土桩内、外芯桩径与桩身长度。参数示意图见图4。

d、D、L1、L—砼芯水泥土桩内、外芯桩径与桩身长度。图4 砼芯水泥土桩参数示意图

表2所示为不同芯桩长度比与芯桩面积比条件下桩体的承载性能指数。由表可知，砼芯水泥土桩的荷载值随着m、n的增大而增大。当m由0.8增至0.9时，极限承载力的增长率仅为1.3%；当n为0.36和0.49时，极限承载力增长率相对于n为0.25时仅增长了0.5%和0.2%。说明砼芯水泥土桩复合地基存在最优m、n值的组合，这与吴汉波[14]得到的规律相同。王驰[15]认为，芯桩长度比和芯桩面积比对地基承载力的影响是相互的，而合适的芯桩长度比和芯桩面积比组合能最大限度地发挥砼芯水泥土桩复合地基的承载力。

表2 不同芯桩长度比与芯桩面积比条件下

2.4 不同材质桩的荷载-沉降曲线比较

图5所示为不同材质桩的荷载-沉降曲线，其中桩径为0.6 m，桩长均为10 m，内芯桩径为420 mm，内芯桩长为9 m。由图可知，水泥土桩与掺入橡胶粉的质量分数为10%的砼芯水泥土桩的荷载-沉降曲线为渐进型，而砼芯水泥土桩的荷载-沉降曲线为陡变型，存在明显的拐点。通过对比砼芯水泥土桩拐点处不同桩身材料的荷载值可知，相对于砼芯水泥土桩，砼芯RCS桩的承载力减小了5.25%，与普通水泥土桩相比增加了119.4%。说明砼芯RCS桩在承载性能方面明显优于普通水泥土桩，略劣于砼芯水泥土桩。掺入到外芯水泥土桩中的橡胶粉能够抑制或减缓微小裂缝扩展成可见裂缝所导致的桩体脆性破坏现象[16]。

w—掺入橡胶粉的质量分数。图5 不同材质桩的荷载-沉降曲线

2.5 橡胶粉掺量对砼芯RCS桩复合地基承载性能的影响

定义掺入橡胶粉的质量分数w为

(3)

式中：mr为橡胶粉掺入质量；mc为水泥土质量。

取模型中水泥土芯长为9 m，芯径为0.4 m。通过改变掺入橡胶粉的质量分数w，分析不同w对砼芯RCS桩承载性能的影响，结果如图6所示。由图可知，在直线压密阶段以及局部剪切变形阶段，砼芯RCS桩荷载-沉降曲线随着w的增大而趋于渐进型，并且桩体承担相同荷载情况时所对应的桩体顶部沉降逐渐增大；在整体剪切破坏阶段，橡胶粉掺量不同时的曲线逐渐趋于相同趋势，原因是外芯桩退出工作，荷载主要由内芯桩承担。图6中砼芯RCS外芯桩比砼芯水泥土外芯桩更早地退出工作，原因是外芯桩中橡胶粉的掺入导致弹性模量减小，刚度减小[17]。由此可知，过量橡胶粉的掺入会使得砼芯RCS桩的承载能力降低。

w—掺入橡胶粉的质量分数。图6 橡胶粉掺量不同时砼芯橡胶水泥土桩的荷载-沉降曲线

图7所示为橡胶粉掺量不同时砼芯橡胶水泥土桩复合地基竖向应力与桩深的关系。由图可知，当荷载为700 kN时，随着w的增大，桩间土承担的附加应力增大，并且浅层的荷载承担效果较深层的更为明显，竖向附加应力在内芯桩里逐渐增大，在外芯桩里逐渐减小。原因是橡胶粉的掺入导致水泥土的泊松比增大，使得在桩顶处桩身的横向变形增大了桩间土所受的围压， 对桩间土体有一定的增强效果， 使其分担了更多的荷载[18]；并且外芯桩弹性模量的减小、 变形能力的提高和刚度的减小使得内、外芯桩刚度差异增大，造成附加应力重新分布，桩土荷载分担比见图8。

(a)桩间土

(b)内芯桩

(c)外芯桩w—掺入橡胶粉的质量分数。图7 橡胶粉掺量不同时砼芯橡胶水泥土桩复合地基竖向应力与桩深的关系

图8 橡胶粉掺量不同时砼芯橡胶水泥土桩桩土荷载分担比

3 结论

1)随着砼芯水泥土桩芯桩长度比和芯桩面积比的增大，复合地基的承载性能均有提升，但当m大于0.8或n大于0.25时，其承载性能的提升幅度不再明显，说明砼芯水泥土桩复合地基存在最优m值与n值组合。

2)砼芯RCS桩在承载性能方面明显优于普通水泥土桩，略劣于砼芯水泥土桩，并且掺入到外芯水泥土桩中的橡胶粉能够抑制或减缓微小裂缝扩展成可见裂缝所导致的桩体脆性破坏现象。

3)外芯桩中橡胶粉掺量的增加会导致砼芯RCS桩的承载能力降低，但也会提高桩间土和内芯桩的荷载承担比例，从而更好地达到桩土共同作用；因此，选取合理的橡胶粉掺入量能够最大限度地发挥砼芯RCS桩复合地基的承载能力。

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