纤维水泥搅拌桩数值模拟分析

武朝光，阮波

纤维水泥搅拌桩数值模拟分析

武朝光1，阮波2

(1. 长沙中大建设监理有限公司，湖南 长沙 410075；2. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

采用FLAC3D软件，分别建立水泥搅拌桩和纤维水泥搅拌桩的基坑支护三维数值计算模型。计算结果表明：开挖引起基坑底部隆起，基坑底部中心处的隆起量最大；桩体水平位移沿深度近似线性分布，最大位移量发生在桩顶处；相较于水泥搅拌桩，采用纤维水泥搅拌桩进行基坑支护，基坑最大水平位移、最大沉降及桩体最大水平位移分别下降了81.3%，89.3%和74.0%。

纤维水泥搅拌桩；水泥搅拌桩；FLAC3D；基坑水平位移；基坑沉降；桩体水平位移

水泥搅拌桩是一种常见的基坑支护结构，在工程中得到了广泛的应用。然而水泥搅拌桩抗弯强度和抗折强度较低，当基坑内无其他支撑时，所需水泥土厚度较大，工程成本也相应增加。为了提高水泥土材料本身的力学性能，在水泥土中加入纤维逐渐成为研究热点。杨博瀚等[1]通过劈裂抗拉强度试验和无侧限抗压强度试验研究了聚丙烯纤维水泥黄土在浸水和不浸水条件下的力学特性。鹿群等[2]通过无侧限抗压强度试验对水泥土和纤维水泥土的力学性能进行了研究，试验结果表明：相对于水泥土，纤维水泥土的残余强度和峰值应变都有一定的提高，加入纤维能增强其塑性和延性。叶之琳等[3]进行了无侧限抗压强度4因素4水平的正交试验，结果表明：影响抗压强度的主次顺序依次为水泥掺入比、养护龄期、纤维掺量和纤维长度。Tran等[4]通过抗压试验和劈裂抗拉试验研究了纤维水泥土的力学性能，研究结果表明加入纤维可提高其抗压强度及劈裂抗拉强度，并提出了一个预测纤维水泥土抗压强度及劈裂抗拉强度的模型。Festugato 等[5]基于劈裂抗拉试验和无侧限抗压试验提出了预测拉压比的理论模型。Estabragh等[6]通过室内试验研究发现尼龙纤维水泥稳定黏土的抗压强度随纤维掺量的增大而增大，但是当纤维掺量超过1%时，纤维掺量对尼龙纤维水泥稳定黏土抗压强度的影响就不是很明显了。Kumar等[7]通过劈裂抗拉强度试验和无侧限抗压强度试验研究了纤维和水泥对黏性土强度的影响，研究表明，加入纤维后，水泥土的劈裂抗拉强度、无侧限抗压强度和峰值应变都得到了相应的提高，降低了水泥土峰后强度的损失，改变了水泥土的脆性特征，使水泥土表现出更强的塑性。阮波等[8]通过无侧限抗压试验研究了纤维掺量和纤维长度对试样无侧限抗压强度的影响，试验结果表明：加入纤维能提高水泥土的延性，改善水泥土的脆性，提高水泥土的残余强度。高常辉等[9]通过劈裂抗拉试验和无侧限抗压强度试验研究了玄武岩纤维掺入量和掺砂量对水泥粉质黏土强度特性的影响，研究结果表明，随玄武岩纤维掺入量的增大，玄武岩纤维水泥粉质黏土的抗拉强度先增大后减小，玄武岩纤维掺量为1.5%时达到峰值。胡亚元等[10]通过三轴固结排水试验研究了纤维掺量对聚乙烯醇纤维水泥固化淤泥土邓肯−张模型参数的影响，研究表明，聚乙烯醇纤维水泥固化淤泥土的应力应变曲线呈现出双曲线的变化规律，纤维水泥固化淤泥土的黏聚力随纤维掺量的增加显著增大，但其内摩擦角变化不明显。国内外学者对纤维水泥土的试验研究比较多，数值模拟分析相对较少。本文采用FLAC3D软件，分别建立采用水泥搅拌桩和纤维水泥搅拌桩进行基坑支护的模型，对比研究二者对基坑水平位移及沉降的影响。

1 模型的建立

1.1 计算模型

本工程基坑长40 m，宽24 m，开挖深度约5.00 m，桩长9.00 m，桩径800 mm，桩间距500 mm。工况1采用水泥搅拌桩，工况2采用纤维水泥搅拌桩。基坑开挖影响范围一般取开挖范围及尺寸的3~5倍[12]，本文取4倍。由于该基坑为一个长方形，基坑开挖及地质条件左右前后均对称，本次建模取整个复合地基1/4实体进行建模，模型尺寸为80 m×48 m×20 m(长×宽×深)，模型产生9 405个单元，11 274个节点。如图1所示。

(a) 开挖前；(b) 开挖完成后

1.2 边界条件设置

假设中心线左右受力及位移正对称，因此边界条件为：地基土的下部边界视为无位移的固定边界，中心对称面和侧面各节点限制水平位移，即在=0处(模型底面)限制其，和3个方向上的节点位移，在=0及=48 m处限制方向位移，在=−11 m和=9 m处限制方向的位移，模型顶面不限制位移。

1.3 材料参数

本工程中，土体采用摩尔库伦模型，所需参数如下：密度，体积模量，剪切模量，黏聚力，摩擦角，剪胀角及抗拉强度。弹性模量和泊松比比较容易获取，然而在FLAC3D中，常使用体积模量和剪切模量代替弹性模量和泊松比，这是因为体积模量和剪切模量适用的材料更广泛，而弹性模量和泊松比对于一些材料不适用，2组参数一般可按照下式进行转换：

本工程中，桩体采用结构单元进行模拟，如图2(a)所示，在FLAC3D中，圆形截面的桩简化为一系列结构构件，结构构件之间采用节点连接。其中，节点的作用是连接结构构件或与周围的实体网格单元进行连接，进而实现桩土相互作用。桩结构单元模型见图2(b)。

通过三轴固结排水试验和劈裂抗拉强度试验，得到水泥土、纤维水泥土的黏聚力、内摩擦角、弹性模量、泊松比和劈裂抗拉强度等。土体材料参数见表1，水泥土及纤维水泥搅拌桩材料参数见表2。

(a) 桩结构单元的模拟；(b) 桩结构单元模型

表1 土体材料性质参数

表2 桩结构单元参数

1.4 基坑开挖过程

地层土体由于长期处在重力作用下，已经处于稳定状态，所以基坑在开挖之前，需要对模型进行初始状态的模拟。模拟之后开始计算之前，应先将位移场和速度场初始化为零。在边界条件和初始条件都设定好以后，就可以根据基坑实际开挖情况分工况对基坑进行开挖模拟计算。基坑共分为5次开挖，每次开挖深度为1 m。

2 计算结果及分析

由图3~7可得，在基坑开挖过程中，基坑底部中心隆起最大，桩体最大水平位移发生在桩顶处。工况1采用水泥搅拌桩进行支护，基坑最大水平位移为16.6 cm，最大沉降为12.2 cm，桩体最大水平位移为23.5 cm；工况2采用纤维水泥搅拌桩进行支护，基坑最大水平位移为3.1 cm，最大沉降为1.3 cm，桩体最大水平位移为6.1 cm。对比研究表明，采用纤维水泥搅拌桩进行支护，基坑水平位移减少了81.3%，沉降减少了89.3%，桩体水平位移减少了74.0%。

(a) 工况1；(b) 工况2

(a) 工况1；(b) 工况2

(a) 工况1；(b) 工况2

(a) 工况1；(b) 工况2

(a) 工况1；(b) 工况2

3 结论

1) 在开挖过程中，基坑底部出现隆起，基坑底部中心隆起最大，基坑中部边缘水平位移最大。

2) 桩体水平位移沿深度方向近似呈线性分布，最大位移发生在桩顶处。而在平面方向，基坑各边中部的桩顶位移较大。

3) 基坑采用纤维水泥搅拌桩，相较于水泥搅拌桩，基坑最大水平位移、最大沉降及桩体最大水平位移分别下降了81.3%，89.3%和74.0%。

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Numerical simulation analysis of fiber cement-soil mixing pile

WU Chaoguang1, RUAN Bo2

(1. Changsha Central South University Construction Supervision Co., Ltd, Changsha 410075, China; 2. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

FLAC3Dsoftware was used to build the foundation pit models for supporting the foundation pit using cement soil pile and fiber reinforced cement soil pile respectively. The results show that excavation causes the uplift of the bottom of the foundation pit, and the uplift at the center of the bottom of the foundation pit is the largest. The horizontal displacement of pile is approximately linearly distributed along the depth, and the maximum displacement occurs at the top of pile. Compared with cement soil pile, the maximum horizontal displacement of foundation pit, maximum settlement and maximum horizontal displacement of pile body decreased by 81.3%, 89.3% and 74.0% respectively.

fiber reinforced cement soil; cement soil; FLAC3D;

pit supporting; horizontal displacement of foundation pit; settlement of foundation pit; horizontal displacement of pile

TU411

A

1672 − 7029(2019)07− 1690 − 05

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.07.012

2018−10−22

阮波(1972−)，男，河南新县人，副教授，从事土木工程施工与管理研究；E−mail：1780619221@qq.com

(编辑 涂鹏)