徐　晗,饒錫保,呂文志,程永輝

(長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗室，武漢　430010)

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格柵狀攪拌樁復(fù)合地基靜載試驗數(shù)值模擬研究

徐晗,饒錫保,呂文志,程永輝

(長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗室，武漢430010)

摘要：目前關(guān)于格柵狀攪拌樁復(fù)合地基工作性狀的研究工作相對較少，對其變形機(jī)理不甚了解。在興隆水利樞紐格柵狀攪拌樁復(fù)合地基現(xiàn)場載荷試驗成果的基礎(chǔ)上，考慮樁-土之間的相互接觸，建立考慮攪拌樁-土共同作用的三維有限元模型，數(shù)值模擬復(fù)合地基群樁現(xiàn)場試驗的實(shí)際加載過程。通過對比口字型群樁試驗與數(shù)值模擬的P-S曲線，驗證了數(shù)值方法及參數(shù)取值的正確性；分析了樁身軸力、樁間土的豎向應(yīng)力及樁側(cè)摩阻力等變化規(guī)律，研究了樁體與土體的荷載分擔(dān)過程關(guān)系，獲得樁身軸力及摩阻力分布規(guī)律；根據(jù)豎向平衡方程，推導(dǎo)得到平均樁端阻力和側(cè)阻力，研究可為工程設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：格柵狀攪拌樁；復(fù)合地基；靜載試驗；端阻力；側(cè)阻力

1研究背景

興隆水利樞紐是南水北調(diào)中線一期工程的重要組成部分，其主要任務(wù)是抬高枯水期水位，滿足兩岸現(xiàn)有自流灌區(qū)的自流引水條件及改善航道條件，其中粉細(xì)砂層為樞紐主體建筑物地基，其厚度約為20 m，平均標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)只有8擊，結(jié)構(gòu)較疏松，壓縮性較大，承載力較低[1]。由于在6度地震作用下飽和粉細(xì)砂層可能產(chǎn)生液化，需要進(jìn)行地基加固處理。

為了提高壩址地基的承載能力、抗變形及抗液化能力，設(shè)計采用攪拌樁處理電站廠房地基[2]。其置換率高達(dá)40%～60%，其中攪拌樁縱橫相互搭接成格格柵狀連續(xù)墻，格柵墻和被格柵墻分割的土柱一起組成的復(fù)合地基，為簡便起見，可稱之為格柵狀攪拌樁復(fù)合地基[3]。為科學(xué)、合理地在砂土地基中進(jìn)行高置換率格柵狀攪拌樁復(fù)合地基的設(shè)計和施工，進(jìn)行了興隆水泥樞紐攪拌樁復(fù)合地基的現(xiàn)場載荷試驗研究。

由于結(jié)構(gòu)形式、樁體強(qiáng)度、地基剛度、破壞模式等的不同，格柵狀攪拌樁復(fù)合地基的承載力與變形等性狀與普通散點(diǎn)狀攪拌樁復(fù)合地基存在較大差異[4-8]，我國現(xiàn)行規(guī)范的承載力與沉降計算方法不能完全適用于格柵狀攪拌樁復(fù)合地基，因此，采用數(shù)值分析的手段模擬高置換率格柵狀攪拌樁復(fù)合地基靜載試驗，研究復(fù)合地基的樁與土之間的相互作用，具有重要的理論與工程意義。

圖1　口字型格柵狀攪拌樁復(fù)合地基Fig.1　Grille-shapedcomposite foundationcomposed of cementmixing piles

圖2　有限元網(wǎng)格Fig.2　Finite elementmeshes

2靜載試驗簡介

靜載試驗采用口字型布置攪拌樁，墻間距與實(shí)際工程設(shè)計相同。受地下水位限制，樁長19 m左右。其構(gòu)型特點(diǎn)可概括為小面積單元體、樁長較長、口字型布置。其中邊長2.0 m典型口字型群樁布置見圖1，其設(shè)計置換率60.4%，樁徑0.6 m。

由于靜載試驗獲得的試驗數(shù)據(jù)信息量有限，對其變形機(jī)理不甚了解，需要結(jié)合數(shù)值分析的結(jié)果進(jìn)行研究。

3計算模型與參數(shù)

建立考慮攪拌樁-土共同作用的三維有限元模型(見圖2)，土體初始地應(yīng)力計算所選取的范圍為：長度為120 m，寬度為60 m，深度75 m，地質(zhì)分層按照相關(guān)地質(zhì)資料設(shè)置。其中試驗段樁頂高程26.5 m，砂礫(卵)石層頂部高程7.5 m，厚度35.4 m左右，砂礫(卵)石層下為砂巖。基礎(chǔ)底邊均視為固定邊界，即基礎(chǔ)底邊約束全部位移；基礎(chǔ)側(cè)邊均為法向約束。并考慮了如下因素：

(1) 樁的軸向承載力是樁身表面摩阻力與樁端承載力的函數(shù)，表面摩阻力通過在樁壁與土層之間設(shè)置接觸面來模擬，界面摩擦特性為樁身與土層之間的摩擦阻力。

(2) 攪拌樁與土體均采用鄧肯模型參數(shù)。

各材料均采用室內(nèi)三軸試驗的建議參數(shù)，有限元分析取值見表1。表1中：c為黏聚力;φ為內(nèi)摩擦角;K,n分別為初始彈性模量基數(shù)和彈性模量指數(shù);Kb,m分別為初始體積模量基數(shù)和體積模量指數(shù);Rf為破壞比；Δφ為圍壓增加一個對數(shù)周期時摩擦角φ的減小量。計算采用ABAQUS軟件，在其上通過二次開發(fā)子程序UMAT實(shí)現(xiàn)鄧肯E-B本構(gòu)模型。

樁土之間的摩擦作用采用廣泛應(yīng)用的Mohr-Coulomb摩擦定理，只需要用界面摩擦系數(shù)f來表征接觸表面的摩擦行為，根據(jù)試驗成果取樁土之間的摩擦系數(shù)為0.45。

表1　土體與水泥土攪拌樁鄧肯E-B模型參數(shù)

4結(jié)果分析

4.1口字型群樁P-S曲線

有限元中模擬現(xiàn)場試驗的實(shí)際加載過程，即可得到口字型群樁的P-S曲線，如圖3所示。從圖3中可見，無論是現(xiàn)場試驗值還是數(shù)值計算值，各樁的P-S曲線隨著加載的進(jìn)行均體現(xiàn)了較強(qiáng)的非線性特性。

圖3　荷載-位移曲線Fig.3　Curves of load vs. displacement

現(xiàn)場試驗的材料基本符合數(shù)值分析理想均質(zhì)材料的假定，通過對比各樁的數(shù)值計算值與現(xiàn)場試驗值，可知口字型群樁數(shù)值計算值均與試驗值吻合良好，不僅沉降規(guī)律基本一致，而且極限荷載以內(nèi)每個加載點(diǎn)的誤差絕大部分不超過5 mm，表明數(shù)值計算較好地模擬了口字型群樁現(xiàn)場試驗荷載-位移曲線，這也從另一方面證明了現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)是可靠的。

4.2樁身豎向應(yīng)力分布規(guī)律

圖4為不同加載過程下的各樁身豎向應(yīng)力沿深度的分布曲線，可知各樁樁身豎向應(yīng)力分布規(guī)律基本為：除無加載時的自重應(yīng)力外，沿樁身都是逐漸遞減的，且呈現(xiàn)非線性分布特征。這說明剛性承臺下，樁側(cè)所受全部為正摩阻力，樁身豎向應(yīng)力沿深度遞減。

圖4　樁身豎向應(yīng)力沿深度分布曲線

4.3樁間土豎向應(yīng)力分布規(guī)律

圖5為樁間土豎向應(yīng)力隨加載過程分布曲線。

圖5　樁間土豎向應(yīng)力沿深度的分布曲線Fig.5　Curves of vertical stress of soils amongpiles vs. depth

由圖5可知，在扣除自重應(yīng)力后，樁間土豎向應(yīng)力分布在樁體中上部基本上是沿著樁身逐步緩慢減小，但由于基本上沒有摩阻力，所以其減小的程度很小；而在樁體中下部，由于口字型群樁的土塞效應(yīng)，使得樁底部一定范圍內(nèi)樁芯土的豎向應(yīng)力突變。

圖6　樁土應(yīng)力比曲線Fig.6　Curve of pile-soilstress ratio

圖6為樁土應(yīng)力比曲線，基本趨勢是加載初期應(yīng)力比呈現(xiàn)直線上升，中期會偏離直線，而到加載后期，樁土應(yīng)力比越來越趨于平穩(wěn)。在極限狀態(tài)時候，樁土應(yīng)力比為30.2，與現(xiàn)場實(shí)驗結(jié)果基本一致。

4.4側(cè)摩阻力與端阻變化規(guī)律

4.4.1極限荷載條件下樁內(nèi)外側(cè)摩阻力分布規(guī)律

沿圖7(a)所示路徑在群樁內(nèi)側(cè)與外側(cè)取監(jiān)控點(diǎn)，可得到極限荷載條件下內(nèi)外側(cè)阻沿深度的分布曲線,如圖7(b)。

(a)監(jiān)控點(diǎn)(俯視圖)(b)樁側(cè)阻力分布圖7 樁內(nèi)、外側(cè)監(jiān)控點(diǎn)及其側(cè)阻力分布(極限荷載3.75MPa)Fig.7 Layoutofmonitoringpointsanddistributionoflateralresistanceinsideandoutsidethepilegroup(ultimateloadof3.75MPa)

樁側(cè)摩阻力沿深度的變化曲線表明樁的內(nèi)側(cè)摩阻力均很小，樁外側(cè)摩阻力在0～4 m范圍內(nèi)達(dá)到最大，此后逐漸遞減；在樁中部的極限外側(cè)摩阻力為40 kPa左右，樁底處的摩阻力最小。

4.4.2樁外側(cè)摩阻力隨加載過程的分布規(guī)律

圖8為各樁外側(cè)摩阻力隨加載過程的分布規(guī)律，可知當(dāng)外荷載較小的時候，一定樁長的摩阻力足夠承擔(dān)所有的外荷載，此時樁上部的摩阻力發(fā)揮最大；而隨著外荷載逐步施加，樁外側(cè)阻力逐步發(fā)揮作用，到了極限狀態(tài)的時候，由各曲線可看出，全樁長范圍內(nèi)的樁側(cè)阻力基本上都得到了充分的發(fā)揮。

圖8　樁外側(cè)摩阻力隨加載過程分布規(guī)律Fig.8　Distribution of lateral resistance outside pilegroup along with the loading process

4.4.3端阻、側(cè)阻推薦值

經(jīng)過上述分析表明，極限荷載3.75 MPa的時候，樁端阻力為2.71 MPa，樁端阻特征值為極限端阻的1/2，即為1.36 MPa；樁間土端阻為0.48 MPa，根據(jù)豎向方向內(nèi)外荷載相互平衡，可推算出樁的平均側(cè)阻，其中樁土自重為浮重度，具體計算如下：

平均極限側(cè)阻=(極限荷載-樁極限端阻-樁間土極限端阻)/樁外側(cè)接觸面積，樁平均側(cè)阻計算值見表2。

表2　樁平均側(cè)阻計算值

5結(jié)論

(1) 在格柵狀攪拌樁復(fù)合地基現(xiàn)場載荷試驗成果的基礎(chǔ)上，考慮樁-土之間的相互接觸，建立考慮攪拌樁-土共同作用的三維有限元模型，數(shù)值模擬復(fù)合地基群樁現(xiàn)場試驗的實(shí)際加載過程，通過對比口字型群樁試驗與數(shù)值模擬的P-S曲線，驗證了數(shù)值方法及參數(shù)取值的正確性。

(2) 通過對群樁靜載試驗的數(shù)值分析，對口字型攪拌樁復(fù)合地基研究了樁體與土體的荷載分擔(dān)時程關(guān)系，獲得樁身軸力及摩阻力分布規(guī)律；并根據(jù)豎向平衡方程，推導(dǎo)得到平均樁端阻力和側(cè)阻力，樁端阻特征值為1.36 MPa，樁側(cè)阻特征值為21.0 kPa。

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(編輯：趙衛(wèi)兵)

Numerical Simulation on Static Load Test of Grid-structuredCement Mixing Pile Composite Foundation

XU Han, RAO Xi-bao, LV Wen-zhi, CHENG Yong-hui

(Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry of Water Resources, Yangtze River Scientific Research Institute， Wuhan430010，China)

Abstract:Currently there are relatively few studies on the work traits of grille-structured composite foundation composed of cement mixing piles, and its deformation mechanism is not clear. On the basis of field load test results of grille-structured cement mixing pile composite foundation in Xinglong hydropower project, a three-dimensional finite element model which could reflect the mechanics of interaction between soils and piles was established by considering the contact action between soils and piles. The actual loading process of field test of composite foundation’s pile group was simulated using this model. Through comparison of the P-S curve between grille-shaped pile group tests and numerical simulations, the correctness of the numerical model and parameters are verified. Furthermore, the variation regularities of pile’s axial force, vertical stress of soils among piles, and pile’s lateral friction were analyzed. The time course of load sharing relationship between piles and soils is studied, and the distribution of axial force and friction of piles are acquired. According to the vertical balance equation, the average tip resistance and lateral resistance can be calculated by numerical analysis.

Key words:grid-structured cement mixing pile; composite foundation; static load test; tip resistance; lateral resistance

中圖分類號：TU473

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-5485(2016)05-0102-03

doi:10.11988/ckyyb.201501422016,33(05):102-104,120

作者簡介：徐晗(1978-)，男，湖北公安人，高級工程師，博士，主要從事巖土工程數(shù)值分析研究,(電話)027-82829743(電子信箱)mechanics007@aliyun.com。

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(51309029);長江科學(xué)院創(chuàng)新團(tuán)隊項目(CKSF2015051/YT);長江科學(xué)院院所基金(CKSF2015036/YT)

收稿日期：2015-02-26;修回日期：2015-04-20