1、第4 1卷第5期2023年5月水 电 能 源 科 学W a t e r R e s o u r c e s a n d P o w e rV o l.4 1 N o.5M a y 2 0 2 3D O I:1 0.2 0 0 4 0/j.c n k i.1 0 0 0-7 7 0 9.2 0 2 3.2 0 2 2 1 3 9 8高应力下碎石桩复合地基强度参数D EM模拟研究侯 靖1,蒋熠诚2,3,韩华超1,周 建2,3(1.中国电建集团华东勘测设计院有限公司,浙江 杭州 3 1 1 1 2 2;2.浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心,浙江 杭州 3 1 0 0 1 2;3.浙江大学浙江省城市
2、地下空间开发工程技术研究中心,浙江 杭州 3 1 0 0 5 8)摘要:碎石桩复合地基中,常用P r i e b e参数叠加法计算复合地基等效抗剪强度。现有研究多基于常规路堤低应力下展开,少见在高应力作用下该方法适用性研究。对此,依托卢旺达某粘土心墙堆石坝坝基处理工程,利用离散元数值方法(D EM),模拟碎石桩复合地基单桩室内试验,研究了不同面积置换率下碎石桩复合试样的应力应变特性、细观破坏机理及等效抗剪强度,并与广泛使用的参数叠加法进行了对比。研究结果表明,高应力时碎石桩复合地基应力应变特性区别于低应力状态,呈应变硬化趋势;复合试样强度在高应力状态下呈现明显非线性趋势;参数叠加法计算所得的抗
3、剪强度参数对复合地基强度有所高估,建议在工程运用中进行折减。关键词:碎石桩;地基处理;高应力;参数叠加法;离散元中图分类号:TV 5 5 3;TU 4 4 3 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 0-7 7 0 9(2 0 2 3)0 5-0 1 3 0-0 5收稿日期:2 0 2 2-0 7-1 0,修回日期:2 0 2 2-0 8-2 1作者简介:侯靖(1 9 7 2-),男,教授级高级工程师,研究方向为水电水利和岩土工程项目管理和设计,E-m a i l:h o u_j e c i d i.c o m通讯作者:周建(1 9 7 0-),女,博士、教授、博导,研究方向为软粘土力学、地基处
4、理、土工数值分析等,E-m a i l:Z j e l i mz j u.e d u.c n1 概况卢旺达某粘土心墙堆石坝工程坝基处地质条件较差,坝轴线上下游侧均分布有深厚湖积软土,含水率高达7 0%,承载能力弱,需进行地基处理,拟采用振冲碎石桩对坝基全断面加固。在工程设计与有限元验算大坝位移及稳定性时,发现碎石桩复合地基强度参数选取较为困难。传统采用的P r i e b e参数叠加法1多集中于路堤荷载2研究,在高应力状态下的适用性尚待研究。鉴此,本文采用开源离散元软件Y a d e,对不同面积置换率的复合试样开展多个应力条件下的大型三轴固结排水试验三维模拟,探寻高应力作用下应力应变特性,并讨
5、论参数叠加法的适用性。2 参数叠加法碎石桩对软土地基的加固主要通过置换作用实现。复合地基承受外荷载后,刚度较大的碎石桩相较桩周土分担更大的荷载,增强了地基承载能力,减小沉降。同时,碎石桩体作为良好的排水通道,促进了桩周土体排水固结,强度得以进一步提升。在进行碎石桩复合地基稳定性及位移有限元计算时,为简化建模运算量常采用将碎石桩与桩间土等效为一层均匀土体的方式进行建模。在 水电水利工程振冲法地基处理技术规范3中,推荐无现场试验资料时,可确定振冲复合土体的等效抗剪强度指标:t a ns p=mpt a np+(1-mp)t a ns(1)cs p=(1-mp)cs(2)p=n/1+m(n-1)(3
6、)式中,s p为复合土体的等效内摩擦角;m为面积置换率;p为应力集中系数;p为桩体材料的内摩擦角;s为桩间土体的内摩擦角;cs p为复合土体的等效粘聚力;cs为桩间土体粘聚力;n为桩土应力比。基于碎石桩面积置换率和桩土应力比将碎石料与桩间土的强度参数进行叠加,从而计算复合土体等效抗剪强度。该方法建立在刚性基础、地基土各向同性、桩体已达硬土层的假设基础上,最初用于压缩模量的等效计算,后逐步推广至抗剪强度及渗透系数4的计算中。针对本项目坝高较大,坝基处应力较高的特点,利用离散元数值方法第4 1卷第5期侯 靖等:高应力下碎石桩复合地基强度参数D EM模拟研究研究高应力状态下P r i e b e参数
7、叠加法的适用情况。3 碎石桩复合地基数值模型3.1 碎石桩及软土模型建立离散元法主要用以研究颗粒状物体的运动及相互作用。碎石桩作为散体材料桩,其变形特性相对刚性桩而言差别极大。与常规有限元模拟相比,采用离散单元法可以较好地模拟碎石颗粒的变化特性,反映碎石与软土间的相对关系。使用离散元法模拟时,首先需标定模拟材料。碎石选择球形颗粒模拟,引入抗转动刚度及抗扭转刚度限制球形颗粒的自由转动。依据现场碎石料情况,选取粒径范围在1 03 0 mm之间,经多次标定尝试,最终碎石材料的摩擦角约为3 9,符合碎石料强度要求。软粘土模拟对象为淤泥质粘土,对于软粘土真实颗粒,粒径一般小于0.0 7 5 mm,且多呈
8、片状或板状结构。若按原尺寸模拟,在离散元中极难实现室内试验尺度模拟。参考文献5 的方法简化软粘土颗粒。首先软粘土颗粒粒径放大至5.5 mm;同时,选取可以反映粘聚特性的材料模型模拟粘土颗粒,赋予其较小的接触刚度和一定的粘聚力;最后以软粘土的宏观力学特性指标 粘聚力和内摩擦角为标准,通过数值三轴试验反复标定其细观参数,使之能反映桩土的应力变化情况,同时兼顾计算时间在合理范围内。数值三轴试验所得软土强度特性与现场土层强度接近,可用于复合土体模拟。碎石颗粒及软粘土颗粒的细观力学参数见表1。表1 碎石材料、软粘土材料细观参数T a b.1 P a r a m e t e r s o f t h e s
9、 t o n e p a r t i c l e m a t e r i a l a n d s o f t s o i l m a t e r i a l细观参数单位取值碎石软粘土密度g/c m32.61.7摩擦角6 01 5法向刚度N/m1.01 085.01 07切向刚度N/m4.01 071.01 07抗转动刚度5抗扭转刚度5颗粒粒径mm1 03 05.5目标孔隙率0.3 5法向粘聚力P a5.01 03切向粘聚力P a5.01 033.2 软土地基碎石桩复合试样模型利用标定的材料模拟碎石桩复合试样。考虑试样高宽比对碎石桩桩身变形性状的影响,最终确定三维复合试样总体尺寸长宽均为0.5
10、0 m,高0.8 0 m,如图1所示为试样剖面图,中间较大颗图1 离散元复合试样模型剖面图F i g.1 C u t a w a y v i e w o f t h e D EM m o d e l粒处为碎石桩桩体,周围区域为软粘土颗粒。针对高应力作用下不同面积置换率的碎石桩应力应 变 展 开 研 究,分 别 建 立 面 积 置 换 率 为0.3 0、0.2 0、0.1 0的复合试样,如图2所示,总体尺寸维持 0.5 0 m不变,通过生成半径为0.1 5 4、0.1 2 6、0.0 9 m的碎石桩分别模拟面积置换率为0.3 0、0.2 0、0.1 0的情况。(a)=0.3m(b)=0.2m(c
11、)=0.1m图2 离散元复合试样模型俯视图F i g.2 T o p v i e w o f s p e c i m e n s w i t h d i f f e r e n t r e p l a c e m e n t每个置换率下均对3 0 0、5 0 0、8 0 0 k P a三种不同应力状态进行模拟,共计进行9组模拟。模拟中最高围压选取为8 0 0 k P a,是在对该大坝及坝基进行有限元模拟后,碎石桩所受最大竖向应力所决定。各组试样的生成及模拟过程如下:在指定区域生成互不重叠的颗粒,并赋予颗粒相应的材料参数。为保证碎石颗粒与软土颗粒界面清晰,在颗粒生成阶段先在界面上生成一筒状墙边界
12、,将碎石与软土颗粒分离。使各颗粒接触并产生相互作用力,待四周刚性壁上应力达到目标围压,且孔隙率达到预定值后,优化颗粒分布,并确保试样处于拟静态。试样上下两端加载板以应变控制的方式加载复合试样,剪切速率足够小使试样整体维持在拟静态。与此同时,试样四周的刚性壁以应力控制方式进行水平方向移动,使其保持围压不变。基于此模型分析高应力下不同面积置换率对碎石桩应力应变及桩土特性的影响。4 模拟结果与分析4.1 应力应变特性不同面积置换率的复合试样在各级围压下的应力应变关系曲线见图3。可以发现面积置换率131一定时,复合土样最大偏应力随围压的增大而增大;同时围压一定时,复合土样最大偏应力随面积置换率的增大而
13、增大。当面积置换率为0.3 0时,复合土样在各级围压下均呈应变硬化趋势,且3 0 0、5 0 0 k P a围压下曲线趋势较为接近,而围压为8 0 0 k P a时偏应力在应变较小时增长较为缓慢,且在应变达到1 5%时依然呈不断增长趋势;面积置换率为0.2 0时,在3 0 0 k P a围压下逐渐呈现出应变软化趋势;置换率较小时,各组围压下均呈软化趋势。对比参数叠加法结果,本研究采用闫旭政6的模拟成果进行对比。该研究基于P L A X I S 3 D软件利用有限元模拟了均匀化土层的室内三轴试验,得到一组相应的应力应变曲线。均匀化土层所用抗剪强度参数即通过参数叠加法计算所得,其碎石颗粒与软土参数
14、与本研究一致。图4为不同置换率下离散元模拟与参数叠加法的应力应变曲线对比示意图。图4表明,参数叠加法预测结果远大于离散元法模拟结果,在相同围压下参数叠加法高估了土体的极限应力,同时相同偏应力下参数叠加法的应变小于离散元模拟结果,即参数叠加法高估了土体承载力。2468101214160200400600800轴向应力/kPa300 kPa500 kPa800 kPa2468101214160200400600800轴向应力/kPa轴向应变/%300 kPa500 kPa800 kPa2468101214160200400600800轴向应力/kPa(c)=0.3m300 kPa500 kPa80
15、0 kPa轴向应变/%轴向应变/%(b)=0.2m(a)=0.1m图3 不同置换率下复合试样应力应变曲线F i g.3 S t r e s s-s t r a i n c u r v e s w i t h d i f f e r e n t r e p l a c e m e n t r a t i o s2468101214160100200300400500600轴向应力/kPa轴向应变/%参数叠加法离散元数值(a)=0.10,300 kPam2468101214160100200300400500600700参数叠加法离散元数值轴向应力/kPa246810121416010020030
16、0400500600700800轴向应力/kPa轴向应变/%(b)=0.20,300 kPam参数叠加法离散元数值轴向应变/%(c)=0.30,300 kPam图4 参数叠加法与离散元数值模拟结果对比F i g.4 C o m p a r i s o n o f p a r a m e t r i c c o m p o s i t e m e t h o d a n d D EM s i m u l a t i o n r e s u l t s 对于置换率为0.3 0的试样,在3 0 0 k P a时碎石桩加固可提高土体极限应力约1 4 5.7%,但与参数叠加法预测值相比约有3 0.3 5%的差距。在置换率为0.2 0时,离散元结果与参数叠加法相比仍有2 0.8 8%的差距。在小应变时两条曲线更为接近。而置换率为0.1 0时,轴向应变小于6%时两者结果较为吻合,但当应变大于6%后,离散元结果显示试样出现应变软化趋势,强度逐渐减少,但参数叠加法预测曲线仍持续增长。结果表明,参数叠加法在低应力下较为适用,但随着应力的增长,估算结果会高估复合地层强度。4.2 细观结果分析从复合试样加载过
