基于顆粒流理論的流塑狀軟土地基穩(wěn)定失效機(jī)理研究

杜曉燕，葉陽升，張千里，蔡德鉤，姚建平

(1．中國鐵道科學(xué)研究院，北京100081;2．中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

基于顆粒流理論的流塑狀軟土地基穩(wěn)定失效機(jī)理研究

杜曉燕1，葉陽升1，張千里2，蔡德鉤2，姚建平2

(1．中國鐵道科學(xué)研究院，北京100081;2．中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

基于散體介質(zhì)理論建立流塑狀土中CFG樁的力學(xué)模型，分析了水平荷載作用下流塑狀軟土復(fù)合地基的變形特性及破壞模式，并研究了土的細(xì)觀力學(xué)特征與樁土相互作用宏觀力學(xué)行為之間的聯(lián)系。研究結(jié)果表明，在水平附加荷載作用下樁周土應(yīng)力最大值位置與其剛度、黏聚力有關(guān)，流塑狀軟土復(fù)合地基中存在樁周土繞過樁現(xiàn)象，其中樁周土位移是樁頂位移的30倍左右。提出了流塑狀軟土復(fù)合地基樁體“視抗剪強(qiáng)度”的概念，該強(qiáng)度指在水平附加荷載作用下發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞時樁體發(fā)揮的強(qiáng)度。

流塑狀軟土 CFG樁 破壞 細(xì)觀力學(xué) 顆粒流

目前高速鐵路軟土地基處理大量采用樁體強(qiáng)度較高的CFG樁、管樁以及鋼筋混凝土灌注樁等剛性樁。打入樁處理流塑狀軟土?xí)r由于振動作用引起軟土觸變變形，會造成加固區(qū)以外建筑物出現(xiàn)外擠、隆起現(xiàn)象，影響建筑物的使用安全。臨線施工造成既有線變形的情況時有發(fā)生［1-3］。沿海鐵路在路基填筑期間就曾出現(xiàn)樁體傾斜、邊坡坍塌等問題，運營期間路基失穩(wěn)、下沉等問題屢次出現(xiàn)，部分區(qū)段路基沉降多達(dá)幾十厘米。目前大量基礎(chǔ)工程中流塑狀軟土地基采用剛性樁復(fù)合地基處理，但設(shè)計方法存在問題，需要深入開展流塑狀軟土復(fù)合地基失效機(jī)理的研究［4-5］。

1 數(shù)值模型構(gòu)建

1.1 顆粒流軟件計算原理

巖土材料是礦物顆粒的集合體或結(jié)合體，可認(rèn)為它是在內(nèi)部分布著從微觀到宏觀的細(xì)微孔隙的脆性材料。顆粒離散元方法是不連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法，其中PFC軟件采用顯式時步循環(huán)運算法則進(jìn)行循環(huán)計算，能模擬圓形顆粒的運動及顆粒間的相互作用，在顆粒和顆粒接觸間不斷地運用力—位移定律和牛頓第二定律，同時更新墻的信息。在計算時通過不斷地自動搜索，自動更新顆粒與墻或顆粒與顆粒間的接觸關(guān)系。整個計算循環(huán)過程如圖1所示［6-7］。

圖1 計算過程循環(huán)

1.2 計算模型

流塑狀軟土地層采用CFG樁進(jìn)行地基處理時，樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)路堤的整體穩(wěn)定性滑弧檢算應(yīng)考慮排樁受軟基附加側(cè)向荷載的外擠作用力及施工填筑過程中側(cè)排樁的傾斜因素，因此考慮不利條件下的單樁逐級水平加載方式。

模型采用邊長為3 m的正方形，樁徑為0.5 m，樁周土顆粒直徑為10～27 mm。模型邊界從樁底往上固定1.5 m，土及樁在模型內(nèi)隨機(jī)生成，并在自重作用下達(dá)到平衡。加載方式為伺服機(jī)制，加載采用豎向加載11.3 kN，側(cè)向左邊施加初始水平荷載4.5 kN并按每級荷載4.5 kN逐級加載，右側(cè)施加水平荷載4.5 kN。計算模型如圖2所示。土顆粒細(xì)觀參數(shù)通過反演試算獲得，即不斷地調(diào)整顆粒集合的細(xì)觀參數(shù)，使顆粒集合表現(xiàn)的宏觀特性與預(yù)設(shè)的宏觀特性一致。

圖2 計算模型

流塑狀軟土的計算參數(shù)見表1。

為分析流塑狀軟土復(fù)合地基的樁土相互作用，計算中樁參數(shù)未發(fā)生變化，其彈性模量取2.2 MPa，抗壓強(qiáng)度取7.2 MPa，抗拉強(qiáng)度取0.91 MPa。

樁在水平推力作用下樁和樁周土的接觸、重力平衡分別如圖3、圖4所示。由圖可知，樁周土顆粒和樁顆粒接觸良好，保障了樁周土和樁的整體性。樁周土和樁均達(dá)到了重力平衡，有利于模型計算的有效性。

表1 流塑狀軟土計算參數(shù)

圖3 樁周土及樁顆粒的接觸

圖4 樁周土及樁的重力平衡

2 計算結(jié)果分析

2.1 不同土參數(shù)下樁與土的位移分析

不同荷載水平下流塑狀軟土復(fù)合地基樁和樁周土典型水平位移云圖如圖5所示。淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土荷載與位移變化曲線如圖6所示。由圖5和圖6可知，不同荷載水平下樁周土位移隨著荷載的增大而增大，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土1，2，3樁前后位移最大平均值分別為48.3，42.4，50.3 cm。樁的位移隨荷載增大而增大，樁最大位移分別為1.06，1.91，1.31 cm。加40.5 kN荷載時，樁周土位移陡增，最后一級荷載作用下土的位移變化不大。

2.2 樁周土繞樁運動特性分析

圖7為加載時樁周土的位移矢量圖，圖8為不同荷載水平下樁周土繞樁位移云圖。

計算結(jié)果表明，各種土質(zhì)下在破壞時樁周土位移平均是樁頂位移的30倍左右，當(dāng)加載至樁周土移動到樁側(cè)視為繞過樁，根據(jù)模型內(nèi)樁土幾何尺寸，樁周土水平位移達(dá)到55 cm，即為土繞過樁。計算中此兩種工況水平位移分別為66，76 cm，均超過55 cm，說明樁周流塑狀土有繞過樁的現(xiàn)象。流塑狀軟土復(fù)合地基樁周土在水平附加荷載作用下繞過樁，與流塑狀軟土的流動性有關(guān)。從圖7可看出，樁周土有明顯繞過樁的運動。

由圖8可知，在不同水平荷載作用下，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的位移大于樁的位移，隨著荷載的增加，樁周土?xí)@過樁繼續(xù)發(fā)展。原因在于流塑狀軟土的高含水量和高孔隙性以及土的流動性，在水平荷載作用下，樁周土極易受力運動，具有較大的水平位移，而樁的強(qiáng)度較大，水平位移較小，從而造成流塑狀軟土復(fù)合地基結(jié)構(gòu)性破壞。

圖5 不同荷載下水平位移云圖

圖6 樁及樁周土荷載位移

圖7 樁周土位移矢量

圖8 不同荷載下樁周土繞樁位移云圖

2.3 樁周土應(yīng)力分析

流塑狀軟土復(fù)合地基穩(wěn)定失效主要表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)性破壞。破壞主要集中在樁周土，而樁本身強(qiáng)度極高，此時將樁的抗剪強(qiáng)度稱為“視抗剪強(qiáng)度”。因而有必要分析樁周土應(yīng)力。3種淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土樁周土應(yīng)力隨荷載的變化如圖9所示。可知，在加載過程中3種淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土1，2，3樁周土應(yīng)力隨著位移的增大而增大，分別施加18.0(4級)，22.5(5級)，27.0 kN(6級)水平荷載時，樁周土應(yīng)力呈劇增趨勢。但是荷載從40.5 kN到45.0 kN時樁周土應(yīng)力變化不大。

各淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土樁周土應(yīng)力隨深度的變化如圖10所示?？芍?當(dāng)水平荷載從4.5 kN增加至27.0 kN時淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土1樁周土最大應(yīng)力在深度1.0 m處，而隨著荷載的進(jìn)一步增加樁周土應(yīng)力最大值位置有所降低;當(dāng)水平荷載從31.5 kN增加至40.5 kN時樁周土最大應(yīng)力在深度0.6 m處。當(dāng)水平荷載從4.5 kN增加至45.0 kN時淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土2樁周土應(yīng)力最大值集中在1.0 m處。當(dāng)水平荷載從4.5 kN增加至18.0 kN時淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土3樁周土最大應(yīng)力在深度0.7 m處，隨著荷載的進(jìn)一步增加樁周土應(yīng)力最大值位置有所升高;當(dāng)水平荷載從22.5 kN增加至31.5 kN時樁周土最大應(yīng)力在深度1.0 m處。隨著樁周土剛度的提高，低水平和高水平荷載作用下樁周土應(yīng)力最大值位置存在差異。這是因為樁周土剛度越大，其所受力越大。在水平荷載作用下樁周土應(yīng)力最大值位置所處深度與黏聚力也有關(guān)，樁周土黏聚力越大，抗剪強(qiáng)度越大，具有更好的整體性，因此樁周土應(yīng)力最大值集中于一處，低水平荷載作用下樁周土應(yīng)力最大值位置深度減小，而高水平荷載作用下樁周土應(yīng)力最大值位置深度增大。

2.4 破壞模式分析

采用CFG樁或攪拌樁處理深厚流塑狀軟土?xí)r，會對周邊軟土有擾動破壞作用。進(jìn)行路基填筑時，樁可能會出現(xiàn)剪切、傾斜和彎曲破壞。這種破壞類似于多米諾骨牌效應(yīng)，使路基快速產(chǎn)生外擠、下沉和開裂變形。對于攪拌樁處理的地基，在圓弧滑動破壞過程中，實際會同時出現(xiàn)樁的拉伸破壞和彎曲破壞。樁的破壞形式如圖11所示。樁體復(fù)合地基的破壞形式主要分為兩種:樁周土首先發(fā)生破壞進(jìn)而引起復(fù)合地基全面破壞;樁體首先發(fā)生破壞進(jìn)而引起復(fù)合地基全面破壞。

圖9 樁周土應(yīng)力隨荷載的變化

圖10 樁周土應(yīng)力隨深度的變化

圖11 樁體的破壞模式

荷載作用下復(fù)合地基破壞模式的影響因素很多，如樁體材料、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式及材料、荷載作用形式等。樁周土和樁體同時破壞是最合理的，但這種情況在實際工程中很難遇到。一般來講，在剛性基礎(chǔ)下的樁體復(fù)合地基，多數(shù)是樁體先發(fā)生破壞。而在柔弱基礎(chǔ)下，多數(shù)是土體先發(fā)生破壞。

通過計算分析可以得到微裂縫的發(fā)展。微裂縫可以從另一個方面體現(xiàn)土體及樁的破壞。通過分析對比樁及樁周土破壞典型圖來得到各工況下樁土組合結(jié)構(gòu)相應(yīng)的破壞模式。圖12是典型工況樁頂位移與時步的關(guān)系圖。

圖12 樁頂位移與時步的關(guān)系

計算結(jié)果表明:當(dāng)樁周土彈性模量由2.5 MPa提高至7.3 MPa，黏聚力從5 kPa提高至15 kPa，摩擦角10°左右時，隨著荷載的增加，樁的位移逐步增大;當(dāng)荷載大于土的局部抗剪強(qiáng)度時，樁周土發(fā)生破壞，樁的位移會有一定程度的反彈;之后樁周土一直處于破壞—向樁兩側(cè)滑動—重新接觸—破壞;樁周土發(fā)生第1次破壞之后，樁承擔(dān)的土作用的荷載也一直在峰值位移附近波動。

比較在每級荷載下樁及樁周土的最大位移得出，在樁未發(fā)生破壞時，樁周土的最大位移要遠(yuǎn)大于樁的位移，這主要是因為樁的彈性模量遠(yuǎn)大于土的。分析破壞之前的位移云圖可得出，加載墻體和樁之間土的位移云圖存在一個斜面，這是符合摩爾庫倫破壞準(zhǔn)則的，在加載墻壓縮土?xí)r，荷載會傳遞到樁周邊的土體上。

3 結(jié)論

本文應(yīng)用PFC程序，進(jìn)行了水平荷載作用下樁—土之間相互作用的細(xì)觀顆粒流模擬，并研究了不同荷載作用下樁土的荷載—位移關(guān)系及其細(xì)觀力學(xué)特征之間的相互關(guān)系與復(fù)合地基失效機(jī)理。研究結(jié)果表明:

1)樁發(fā)生移動時，土顆粒之間的接觸力增強(qiáng)，樁前土的密度增加，而樁后土的密度減小，土顆粒之間的接觸力減弱。循環(huán)荷載作用下，隨著周期的增加，土的抗力逐漸減小。

2)流塑狀軟土復(fù)合地基失效主要集中于樁周土破壞，隨著荷載的增加，由于自身強(qiáng)度不足，樁周土在一定范圍內(nèi)發(fā)生較大的變形，而樁體變形仍處在彈性范圍內(nèi)，樁周土?xí)芏鴱?fù)始地向樁后發(fā)生擠壓，并繞過樁繼續(xù)發(fā)展，進(jìn)而造成復(fù)合地基穩(wěn)定失效。

3)提出了流塑狀軟土復(fù)合地基樁體“視抗剪強(qiáng)度”的概念，即流塑狀軟土復(fù)合地基穩(wěn)定失效主要為結(jié)構(gòu)性破壞，水平荷載的增加對樁土復(fù)合地基結(jié)構(gòu)的影響主要集中在樁周土，而樁周土應(yīng)力最大值位置深度隨著水平荷載的增加而增加。

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Research on failure mechanism of liquid-plastic soft soil based on granular flow theory

DU Xiaoyan1，YE Yangsheng1，ZHANG Qianli2，CAI Degou2，YAO Jianping2
(1．China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China;2．Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Based on the granular medium theory，the mechanical model for the CFG pile embedded in the liquidplastic soil was built，the deformation characteristics and damage models of the liquid-plastic soft soil composite base under lateral loading were analyzed，and the relation of soil's micromechanics and the macro-mechanical behavior in the interaction between soil and pile was studied．T he results indicate that under additional lateral loading，the maximum stress of pile-adjacent soil is influenced by the changes of stiffness and cohesive force．At the same time，it is also noticed that the adjacent soil tends to detour around the pile，with the displacement of the adjacent soil 30 times larger than the pile-tip soil．On this basis，the paper proposes the concept of“visual shear strength”for the pile embedded，which refers to the strength the pile generates at the structural damage of the liquid-plastic soft soil composite base under additional lateral loading．

Liquid-plastic soft soil，CFG pile;Failure;M icromechanics;Granular flow

TU447

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．25

1003-1995(2015)04-0093-05

(責(zé)任審編李付軍)

2015-01-15;

2015-02-20

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項目(J2013C013)

杜曉燕(1980—)，女，四川瀘州人，博士研究生。