基于FLAC3D的樁擠土效應(yīng)分析

楊小兵

許多學(xué)者已經(jīng)從多方面對(duì)樁的擠土效應(yīng)問題進(jìn)行了研究,但由于這個(gè)問題的復(fù)雜性,至今還沒有獲得滿意的結(jié)果。所以研究樁擠土效應(yīng)具有重要意義?？臻g小孔擴(kuò)張理論[1]是簡單實(shí)用且被學(xué)術(shù)界和工程界接受的一種理論,FLAC3D軟件具有其他軟件不可比擬的優(yōu)點(diǎn)[2]。所以,本文結(jié)合空間小孔擴(kuò)張理論和FLAC3D軟件兩者的優(yōu)勢,分析了單樁的擠土效應(yīng)。

1 模型的建立

采用FLAC3D中的圓柱形殼體cshell網(wǎng)格建立一個(gè)1/4的厚壁圓筒(見圖1),然后利用模型的軸對(duì)稱特點(diǎn)通過鏡像建立一個(gè)完整的厚壁圓筒形狀。由于樁的影響范圍是有限的,因而可以認(rèn)為在距離樁中心一定距離遠(yuǎn)處樁的擠土效應(yīng)在工程上可以忽略不計(jì),進(jìn)而在厚壁圓筒外側(cè)的邊界條件可以假設(shè)為固定的,上端(樁端)和下端(樁底)設(shè)置為自由邊界,在筒內(nèi)對(duì)樁周土施加徑向的擴(kuò)張應(yīng)力和豎向的摩擦力。這也就是該模型的初始邊界條件和應(yīng)力條件。建立的模型簡圖見圖2。

2 參數(shù)的確定

沉樁的最大影響范圍為20R[3](R為樁半徑)。為避免由于初始半徑為0而造成的環(huán)向應(yīng)變無窮大的現(xiàn)象,可以假設(shè)壓樁前土體已存在一個(gè)有一定半徑為R0的圓柱空腔體,即初始擴(kuò)張半徑。把由 0～ R的真實(shí)擴(kuò)張用 R0～2R0來代替[4]。因?yàn)?所以,即:土體中空腔半徑擴(kuò)大至

3 數(shù)值分析結(jié)果

3.1 相同樁長不同樁徑條件下樁擠土效應(yīng)分析

土體本構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 土體本構(gòu)參數(shù)[5]

土體初始徑向擠壓力:

徑向應(yīng)力[6]:

豎向摩擦應(yīng)力[6]:

現(xiàn)取樁體外徑分別為D=0.4 m,0.5 m,0.6 m三種情況[7]來研究。

當(dāng)D=0.4 m,L=6 m時(shí),根據(jù)初始擴(kuò)張小孔半徑的確定規(guī)則,初始擴(kuò)張小孔半徑為 R0=0.115 5 m,擴(kuò)張到2R0=0.231 m。影響范圍根據(jù)前述定為20R=4.0 m。

同理當(dāng)D=0.5 m,L=6 m時(shí),影響范圍為20R=5.0 m;當(dāng)D=0.6 m時(shí),L=6 m,影響范圍為20R=6.0 m。

由上述三種情況得:經(jīng)過對(duì)圖3各組數(shù)據(jù)的回歸分析可得:土體的徑向位移Ur與ln(1/r)成正比例關(guān)系。其他條件相同的情況下,樁徑越大,徑向位移隨之越大,其影響范圍也越遠(yuǎn);隨著深度的增加,徑向位移的影響范圍也在增加。在沿樁深度方向的徑向位移不是發(fā)生在樁頂和樁底,而是發(fā)生在z=-3.0 m處,大約1/2倍的樁長處。

由圖4得:在同一徑向距離處,徑向位移隨著樁徑的增大而增大,在同一樁徑時(shí)徑向位移隨著徑向距離的增大反而減小?？梢姀较蛭灰频拇笮〔粌H和樁徑有關(guān),而且和徑向距離有關(guān)。還可以發(fā)現(xiàn),這些曲線不同程度的有“S”的形狀。總結(jié)其原因,可能是在樁頂處的土體處于自由狀態(tài),不僅在徑向有位移,而且在靠近樁體的土體還存在較大的隆起現(xiàn)象。所以在z=0處及其以下的一段深度有較大徑向位移,而隨著上覆土壓力的增加,徑向位移逐漸減小。但其徑向位移沿深度的最大處經(jīng)這四種情況可驗(yàn)證上述規(guī)律,大約在距離樁頂1/2的樁長處。

3.2 相同樁徑不同樁長條件下樁擠土效應(yīng)分析

樁長L分別取10 m,15 m和20 m三種情況,其余參數(shù)同3.1節(jié)。D=0.6 m,R0=0.173 2 m,分別得出:

通過對(duì)圖5分析可得徑向位移的最大值在樁頂和樁底幾乎相當(dāng),但是樁底的影響范圍明顯比樁頂大。

通過分析圖6發(fā)現(xiàn),隨著徑向距離的增大,各種樁長的徑向位移隨之減小;但在同一徑向距離處各樁的最大徑向位移隨樁長的變化并不明顯。結(jié)合前述規(guī)律可得:樁徑是影響徑向位移的主要因素,這幾種不同樁長情況下得出的沿深度方向的徑向位移的最大值不是發(fā)生在1/2樁長處,而是發(fā)生在大約距離樁底1/3樁長處。所以,隨著樁長的增大,在深度方向的徑向位移的最大值有下移的趨勢,大約從1/2樁長處下移到距離樁底1/3樁長處。

4 結(jié)語

1)土體的徑向位移Ur與ln(1/r)呈正比例關(guān)系。2)在深度方向上的樁擠土徑向位移的最大值:短樁(≤10 m)約在1/2樁長處,長樁(＞10 m)約在距樁底1/3樁長處。

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[4] Carter,J.P.,Randolph,M.F.,Worth,C.P..Stress and pore pressure changes in clay during and after the expansion of a cylindrical cavity[J].Int.Jour.Num.and Analy.Mehtods in Geomech.,1979(3):217-229.

[5] 陳希哲.土力學(xué)地基基礎(chǔ)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1997.

[6] 丁國洪.軟粘土地基靜壓樁擠土效應(yīng)的分析與實(shí)踐[J].建筑技術(shù)開發(fā),2004(2):76-77.

[7] 中山建華管樁—產(chǎn)品工藝—產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)[EB/OL].(2006-8-30)http://www.phc.cn/docc/product/standard1.htm.

[8] 白文彪,馬 健.談地基處理常見技術(shù)及發(fā)展[J].山西建筑,2008,34(6):152-153.