筒型基础静压沉贯过程颗粒流模拟数值分析

李文帅 朱小军

(1.商丘工学院， 河南 商丘 476000； 2.东南大学 土木工程学院， 南京 210096； 3.扬州大学 建筑科学与工程学院，江苏 扬州 225127)

刘润，祁越，练继建[1]针对无黏性土中筒型基础静压下沉试验，考虑筒体贯入时的土塞效应，建立了土塞作用下的筒内壁土压力计算方法.闫澍旺，林澍，霍知亮，等[2]采用数值仿真技术模拟筒型基础在黏土中静压沉贯试验，认为筒型基础沉贯阻力变化与筒体沉贯深度、筒内土塞高度变化密切相关.吴曲楠，刘润，张海洋，等[3]通过展开小比尺模型试验开展了筒型桩靴在饱和沙土中的阻力研究，认为在贯入速率为0.1～0.3mm/s时，贯入过程可作为准静态过程对待，但并未展开在此沉贯速度下土体位移场变化情况的相关讨论.李大勇，吴宇旗，张雨坤[4]分析了砂土中筒-土摩阻力及端部承载力随沉贯深度变化的关系后，认为筒内土体提供了较大的沉贯阻力.连继建，马煜祥，王海军，等[5]对不同长径比尺寸的筒型基础静压沉贯试验分析后认为，沉贯过程中筒体端阻力与土体强度相关，端阻力转化为侧阻力后导致沉贯过程中摩阻力增大.詹永祥，姚海林， 董启朋，等[6]用PFC2D软件模拟开口管桩静压沉贯过程，根据沉贯过程中土体的位移场及力链的变化分析后，认为由于拱效应的产生导致沉贯过程中管桩内摩阻力增大，同时内摩阻力的增大有助于形成土塞.Randolph等[7]将土拱效应的理论引入到土塞效应中，从新的视角对土塞效应进行了认识.RandolphM F 等[8]展开了系列模型试验，研究了筒型基础在砂土和分层土中下沉时的特性，并研究了负压沉贯过程中土塞的形成.M Mehravar等[9]利用FLAC3D 软件模拟了筒型基础沉贯过程中沉贯阻力的变化.

综上所述，筒-土之间存在相互影响的关系，鲜有从土体位移场变化的角度出发研究筒-土之间相互作用的关系，本文采用离散元方法建立筒型基础静压沉贯模型，实现了筒型基础在砂土地基中沉贯全过程的动态模拟，结合微观位移变化特征，研究了筒型基础在砂土中土塞及土拱效应对沉贯阻力、筒体内部土压力变化的影响.

1 筒型基础沉贯过程颗粒流数值模拟

首先利用PFC2D中wall命令构成一个1.0m×0.8m(高×宽)的封闭矩形空间，组成矩形空间的各边界均可采用wall命令函数控制及监测其运动、应力状态；在其内部按照中砂的颗粒级配生成约14000个颗粒，颗粒的数量由预期的目标孔隙率控制，模型的细观参数按表1取值.为了达到预定的孔隙率，利用自编fish函数分10次放大颗粒半径，使其在重力作用下进行自重密实，利用孔隙率的变化控制上部边界的加载状态，以期达到中密砂状态，然后逐步释放颗粒中的不均匀应力后，移除上部边界条件.

表1 PFC2D细观模型参数

颗粒流数值模拟中，结合实际试验及计算过程的需求，土的颗粒级配曲线如图1所示.接触模型为线性刚度模型、滑动模型结合的复合模型.需要定义的参数有颗粒摩擦系数(μ)、孔隙率(n)、颗粒法向刚度(kn)、颗粒切向刚度(ks).

图1 土体颗粒粒径级配累积曲线

建立基本模型后，删除悬浮颗粒形成平整的表面，然后利用wall命令生成筒型基础的筒壁，为避免沉贯过程中初始接触时产生过大的接触应力造成颗粒飞散的现象，采用自编fish函数对筒体沉贯速度分10级加载，加载完成后，筒体以0.01m/s的速度沉贯至预定位置.

利用软件中自带监测命令measurecircle监测沉贯过程中模型的孔隙率、应力、土体颗粒位移变化，采用自编fish函数在模型中均匀布满测量圆(measure circle)，其直径为0.05m，其典型位置的测量圆编号及筒体的相对分布位置如图2所示.

图2 典型测点布置

利用fish函数记录测量圆中各监测变量的变化情况，模型中筒体的内径为0.15m，外径0.2m，长度0.7m，最终入土深度为0.6m；用自编的fish函数提取土体中测量圆的测量数据及沉贯过程中筒体摩阻力、土体应力、筒体端阻力，其中构成模型的参数如表2所示.

表2 PFC2D模型墙体参数

2 筒型基础沉贯过程中状态变化分析

2.1 土塞高度的变化

观察图3可知，在沉贯初期，由于挤土效应，筒内土塞出现隆起现象，伴随入土深度的增加，在筒-土摩擦力的作用下，筒壁周围土体向下移动，在筒壁内外两侧形成剪切带.筒内标记颗粒(绿色)整体呈现一个上凸的拱形，筒体端部颗粒宏观状态呈现下凸的变形(如图3(c)所示).根据标记颗粒的位置状态，可以判断在踏面以下位置由于摩阻力的约束，形成了一个三角形状的楔体，并伴随着筒体的沉贯而下移.

图3 沉贯过程中土颗粒变化趋势

以筒体内部中轴线上颗粒作为土塞高度变化的追踪对象，对筒内土塞隆起高度变化趋势进行监测，如图4所示，在入土深度小于0.3m 之前，土塞的长度与筒体贯入深度保持一致；入土深度大于0.3m 后土塞长度增加速度逐渐变缓，出现闭塞现象，与李剑强，周建[10]的中密砂中即使处于满芯状态的土塞，也具有一定的闭塞效应的结论相吻合.

图4 土塞长度变化对比曲线

图5为沉贯过程中土颗粒间接触力链变化过程，由图可直观看到，筒体踏面处力链较粗，表示接触力较大，两侧接触力力链呈对称分布；沉贯过程中接触力链不断发展，端部土体中力链相互连通形成一个拱状结构的力链结构.在同一入土深度处，由于筒体的约束，内部土体的接触力大于外部(颜色及分布更深更密集).入土深度为60cm 时，筒体端部土体的接触力远大于周围的接触力.结合图3颗粒的分布可知，由于筒体端部下面的土体被挤密导致接触力的增大.

图5 沉贯过程中力链变化趋势

2.2 沉贯过程中阻力变化

沉贯过程中端部阻力基本呈线性趋势增大，其数值远大于同一深度处的摩阻力，与图5中踏面处力链最大的现象相吻合；内外壁摩阻力呈指数型增大，内壁摩阻力大约是外壁摩阻力的2倍(如图6所示).

图6 沉贯过程中阻力变化趋势

2.3 沉贯过程中土压力变化

贯入过程结束后不同深度处土压力分布曲线，如图7所示，内部土压力基本连续均匀地成指数型增长，两侧内壁的大小分布基本相同；外部土压力基本呈线性增长，内部土压力大约是外部土压力的2.5倍.

图7 沉贯结束后土压力分布

如图8所示，选取不同深度处的测量圆，监测贯入过程中土体应力变化，随入土深度增加，筒体内外的土体应力均逐渐增加，且竖向应力增加幅度较水平应力大，在沉贯至测点位置时，二者均出现峰值(应力突变点)，但此时水平应力大于竖向应力.此现象说明，在沉贯至测点位置时，由于筒壁的挤压剪切，筒壁周围土体的应力状态发生转变，水平应力处于主导地位，由此可以解释在实际试验过程中，筒壁周围土压力异常增大的原因.

图8 沉贯过程土压力变化

2.4 土体孔隙率及位移场变化分析

图9为沉贯结束后不同深度处孔隙率分布趋势，筒体外部土体孔隙率呈波动变化分布，基本稳定在0.185左右；筒体内部孔隙率呈现逐渐变小的分布趋势.由于筒体仅沉贯至0.6m 处，故在深度0.7m 处，由于土塞的挤密作用端部土体的孔隙率较小.

图9 沉贯结束后孔隙率变化趋势

沉贯过程中筒体周围的土体孔隙率变化趋势如图10所示，筒体未沉贯至测点位置时，孔隙率呈逐渐减小的趋势，在沉贯至测点位置时，由于筒体的扰动，孔隙率突然变大，在筒体踏面通过该点后，孔隙率又迅速减小.其中外部孔隙率在踏面通过之后一直处于减小状态，筒体内部土体的孔隙率，在踏面经过之后处于先减小后保持基本稳定的状态.

图10 沉贯过程中孔隙率变化

如图11所示，在沉贯过程中筒体端部出现的位移等值区域与图3(c)中端部以下绿色标记颗粒在宏观上呈下凸趋势相吻合.同时可解释由于土体被整体挤密，故沉贯过程中端阻力较大，与图6中所表述的现象吻合.在端部踏面处，由于筒体的贯入，外部土体涌进筒体内部，导致出现向上移动的位移等值区域.

图11 沉贯过程中位移变化