1、基于FLAC-3D的粉噴樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)數(shù)值模擬    摘要：水泥土攪拌樁法是一種有效加固深厚層軟粘土的地基處理技術(shù)，在處理實(shí)際工程技術(shù)問(wèn)題中得到了廣泛的應(yīng)用，如何正確評(píng)價(jià)和檢驗(yàn)加固效果以更好地指導(dǎo)工程實(shí)踐，仍是一個(gè)有待進(jìn)一步探索的問(wèn)題。本文用FLAC-3D有限差分軟件模擬了水泥土攪拌樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)，并結(jié)合某軟土路基處理工程實(shí)踐驗(yàn)證了復(fù)合地基荷載試驗(yàn)三維數(shù)值模擬分析的有效性及可靠性。 關(guān)鍵詞：粉噴樁，復(fù)合地基，載荷試驗(yàn)，承載力、數(shù)值分析 Abstract: the cement-soil piles is a kind of effective r

2、einforcement deep layer of soft clay foundation treatment technology, in dealing with practical engineering problems a wide range of applications, how to correctly evaluation and test reinforcement effect to better guide engineering practice, is still a further exploration of the problem. In this pa

3、per, using FLAC-3 D finite difference software simulation of cement-soil pile composite foundation load test, and in combination with an soft soil subgrade treatment engineering practice verification of composite foundation load test three dimensional numerical simulation analysis of the effectivene

4、ss and reliability. Keywords: pile, composite foundation, and the load test, bearing capacity, the numerical analysis 中圖分類號(hào)：TU312 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào) 1.前言 水泥土攪拌樁是一種用于加固深厚層軟粘土的地基處理技術(shù)，以其承載力高、加固效果明顯、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于加固軟弱地基。自70年代引入我國(guó)后,得到了廣泛的應(yīng)用,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。雖然目前已有一套公認(rèn)且較為完整的設(shè)計(jì)理論和施工方法 ，但在實(shí)際工程中,水泥土攪拌樁在樁體質(zhì)量及其復(fù)合地基承載

5、力確定等方面仍存在許多問(wèn)題，如何正確評(píng)價(jià)和檢驗(yàn)加固效果，是一個(gè)有待進(jìn)一步探索的問(wèn)題。靜載試驗(yàn)是研究復(fù)合地基承載力較可靠的原位測(cè)試技術(shù)之一，但若如全部采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究成本太高，難以實(shí)現(xiàn)，而對(duì)于定性分析復(fù)合地基承載力特性，數(shù)值模擬方法有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，正好可以彌補(bǔ)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的不足。本文用FLAC-3D實(shí)現(xiàn)了水泥攪拌樁復(fù)合地基荷載試驗(yàn)的三維數(shù)值模擬，并結(jié)合岳榮公路城區(qū)連接線軟基處理工程檢驗(yàn)了水泥攪拌樁復(fù)合地基荷載試驗(yàn)三維數(shù)值模擬分析的有效性及可靠性，為進(jìn)一步研究復(fù)合地基承載力特性提供了方法。 2. 粉噴樁復(fù)合地基數(shù)值分析模型 2.1 FLAC-3D分析軟件簡(jiǎn)介3，4 FLAC-3D是二維FLAC(fast

6、 Lagrangian analy-sis of continua)軟件的拓展，可以模擬土質(zhì)、巖 石或其他材料的三維力學(xué)行為，能精確模擬屈服、塑性流動(dòng)、軟化直至破壞的整個(gè)過(guò)程，尤其適用于軟弱介質(zhì)材料的彈塑性分析、大變形分析、流固耦合以及施工過(guò)程模擬，在國(guó)外被廣泛應(yīng)用于工程地質(zhì)、巖土力學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)和成礦學(xué)等領(lǐng)域與現(xiàn)行的其他數(shù)值方法相比。FLAC-3D有其自身的優(yōu)點(diǎn)：使用混合離散化技術(shù)，更為精確和有效地模擬材料的塑性破壞和塑性流動(dòng)；全部使用動(dòng)力運(yùn)動(dòng)方程，即使在模擬靜態(tài)問(wèn)題時(shí)也是如此，因此可以較好地模擬系統(tǒng)的力學(xué)不平衡到平衡的全過(guò)程；求 解采用“顯式”差分方法，不需要存儲(chǔ)較大的剛度矩陣，既節(jié)約內(nèi)存

7、空間，又減少了運(yùn)算時(shí)間。 2.2 本構(gòu)模型及材料參數(shù) 土層分布和樁土材料參數(shù)參照了岳榮公路某軟土路基試驗(yàn)段測(cè)試結(jié)果，具體計(jì)算參數(shù)詳見(jiàn)表1，土體采用Mohr-Coulomb模型，有關(guān)參數(shù)的關(guān)系式為: ，（1） （2） 數(shù)值模擬時(shí)，土體本構(gòu)模型一般采用摩爾-庫(kù)倫模型，水泥土攪拌樁采用線彈性模型5,6， 本文水泥土樁采用線彈性模型。由于沒(méi)有對(duì)現(xiàn)場(chǎng)水泥土取芯進(jìn)行三軸試驗(yàn)，水泥土的黏聚力、內(nèi)摩擦角均通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算到。據(jù)已有研究成果表明：水泥土的內(nèi)摩擦角一般為 ，本文取 ，黏聚力c相關(guān)計(jì)算式為3 （3） 表1 數(shù)值模擬參數(shù) 2.3 計(jì)算模型及邊界條件 水泥土攪拌樁采用了岳榮公路軟基處理試驗(yàn)段區(qū)的設(shè)計(jì)參數(shù)

8、，樁體直徑=500mm，樁長(zhǎng)L=5.0m，方形布樁。現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的是單樁復(fù)合地基荷載試驗(yàn)，由于單樁靜載試驗(yàn)樁體受力是軸對(duì)稱問(wèn)題，故本次模型采用一半模型進(jìn)行模擬，首先建立坐標(biāo)系，坐標(biāo)系的中心設(shè)置在模型對(duì)稱軸與地基土表面的交點(diǎn)，水平向右為X方向，豎直向上為Z方向，垂直于分析平面的方向?yàn)閅方向。平面邊界X,Y向均取16m，深度邊界取3倍樁長(zhǎng)即15m，地下水位線位于地表。樁身單元?jiǎng)澐州^密，距中心越遠(yuǎn)單元?jiǎng)澐衷酱?，一個(gè)模型具有大約5760個(gè)單元(見(jiàn)圖1)。 圖1.計(jì)算模型圖 在FLAC-3D計(jì)算模型中，模型邊界條件為：對(duì)平面邊界(X=±8 m，Y=0m ，Y=8m)進(jìn)行X，Y向的水平速度約束；對(duì)模

9、型底部邊界(Z=-15m)采用位移邊界條件，即水平和垂直方向的位移均約束，底部邊界是不動(dòng)的，按固定端考慮；頂部為自由邊界。 2.4 樁一土界面處理 樁土界面的模擬通常有兩種處理方式：一是不考慮樁土界面的相對(duì)滑移，假定界面上的樁、土單元節(jié)點(diǎn)連續(xù)；二是在樁土界面構(gòu)造接觸面單元，但接觸面參數(shù)的確定是個(gè)難點(diǎn)6。為保證樁土之間應(yīng)力變形的銜接性，本文模擬時(shí)在樁土界面設(shè)置了接觸面，程序中樁土界面的設(shè)置采用了interface界面單元，其法向剛度kn和切向剛度ks采用如下經(jīng)驗(yàn)公式3,4進(jìn)行計(jì)算： （3） 式中：K為體積模量；G為剪切模量； 為接觸面法向厚度最小的網(wǎng)格厚度。 2.5 靜載試驗(yàn)?zāi)M 數(shù)值模擬計(jì)算模

10、型如圖1所示，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表。本文在模擬單樁靜載試驗(yàn)過(guò)程中，不模擬成樁過(guò)程，將整個(gè)計(jì)算過(guò)程分為三步：為獲取地基土的初始應(yīng)力，先將地基土和水泥土樁的凝聚力C和抗拉強(qiáng)度賦值為無(wú)窮大進(jìn)行求解，保證在重力作用下單元土體不至于屈服；將樁體及地基土賦予其真實(shí)的材料參數(shù)，計(jì)算到平衡，求解得到初始應(yīng)力，并將位移場(chǎng)置為零；加載分級(jí)4：每級(jí)加載為預(yù)估極限荷載的1/101/15，第一級(jí)荷載按2倍分級(jí)荷載加載（30kN），每一級(jí)荷載計(jì)算平衡后保存結(jié)果，再進(jìn)行下一級(jí)加載，直至加載到樁體發(fā)生破壞。計(jì)算過(guò)程中程序自動(dòng)保存每一荷載步的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算結(jié)束后提取每級(jí)荷載下水泥土樁頂中心點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的位移，在excel中繪圖得到P-S曲

11、線。樁體發(fā)生破壞時(shí)，樁及土體Z方向的位移等值線云圖如圖2所示。樁頂中心點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的P-S曲線如下圖3所示。      圖2.模型沉降等值線云圖 3. 工程實(shí)例 岳榮公路是岳（陽(yáng)）榮（家灣）新（墻）公路第一期工程，也是湖南省交通建設(shè)重點(diǎn)工程，路基寬25.5米，全長(zhǎng)26.5km，其中岳榮公路湖濱段全長(zhǎng)4.77km，北起南津港大堤南端，南至杜家坳鐵路跨線橋。由于該路段臨近湖濱，廣泛分布有軟土，為減小不均勻沉降及維持路基穩(wěn)定，提高該地基承載力，經(jīng)方案比選后確定采用水泥粉噴樁對(duì)該軟土路基進(jìn)行加固處理，該路段軟基處理工程由北向南共分兩個(gè)區(qū)，共布置水泥粉噴樁約13056

12、根，樁體采用普硅325#水泥，樁徑為500，平均樁長(zhǎng)為5.0m，間距為1.5m，正方形排列，設(shè)計(jì)復(fù)合地基承載力150kpa。通過(guò)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)情況實(shí)測(cè)及地下土質(zhì)情況調(diào)查，一區(qū)地下情況較穩(wěn)定，施工場(chǎng)地平整，便于布設(shè)鉆機(jī)，其粉噴樁體施工質(zhì)量良好，可以判斷其復(fù)合地基承能力能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，同時(shí)，一區(qū)出現(xiàn)回填土起殼現(xiàn)象，通過(guò)取土回填壓實(shí)加樁處理后，對(duì)其復(fù)合地基承載能力也不需進(jìn)行檢測(cè)，重點(diǎn)對(duì)二區(qū)的粉噴樁進(jìn)行檢測(cè)。由于施工工期短，對(duì)二區(qū)的粉噴樁抽樣選取了三根進(jìn)行了荷載試驗(yàn), 該三根粉噴樁的齡期均為21天, 未達(dá)到28天，其荷載試驗(yàn)P-S曲線如圖3所示。 圖3.載荷試驗(yàn)P-S曲線 4.數(shù)值模擬與工程實(shí)例對(duì)比分析

13、從上圖3復(fù)合地基載荷試驗(yàn)P-S曲線分析可知：當(dāng)加載到設(shè)計(jì)荷載135KN時(shí)，三根試驗(yàn)樁的P-S曲線的形態(tài)基本上均近似成線性關(guān)系，說(shuō)明此時(shí)樁體仍處于彈性工作狀態(tài)；當(dāng)加載到設(shè)計(jì)荷載150KN時(shí)，樁體沉降差才表現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，但并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)。因此，從荷載試驗(yàn)曲線可以近似地推斷出：當(dāng)樁體下沉15mm左右時(shí), 作用在單樁上的荷載基本上可達(dá)150kN，粉噴樁單樁承載力基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求（靜載試驗(yàn)樁體齡期未滿28天）。由上圖3數(shù)值模擬得到的P-S曲線可以看出該曲線有明顯的線性段、曲線段和拐點(diǎn)。據(jù)相關(guān)規(guī)范建議可取線性末端對(duì)應(yīng)的荷載為極限載荷，由上圖3可知數(shù)值模擬得到的水泥土樁極限荷載為150KN。 總的來(lái)

14、說(shuō)，由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬得到的粉噴樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)P-S曲線變化規(guī)律基本一致，用FLAC-3D有限差分軟件能夠較好地模擬粉噴樁復(fù)合地基荷載試驗(yàn)。 5.結(jié)論 （1）數(shù)值模擬得到的P-S曲線與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，說(shuō)明數(shù)值模擬的可靠性，同時(shí)也證明用FLAC-3D有限差分軟件模擬粉噴樁復(fù)合地基荷載試驗(yàn)是合理的，能夠用來(lái)指導(dǎo)工程實(shí)踐，彌補(bǔ)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的不足。 （2）本文數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析可知：樁土分界面的設(shè)置能夠較好的反映樁土之間的力學(xué)關(guān)系，在設(shè)置樁土接觸面的情況下，得到的荷載-沉降曲線與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高。雖然樁與地基土之間不存在明顯的樁土界面，但樁土之間的接觸比較粗糙，摩擦特性比較好

15、，若采用無(wú)接觸面，可能會(huì)影響極限承載力的判定。 參考文獻(xiàn) 1 季憲軍.泥土攪拌樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)資料統(tǒng)計(jì)與分析J土工基礎(chǔ)，2007,21(6):56-59 2 王成鋒，劉宏，高振鯤載荷試驗(yàn)確定水泥土攪拌群樁復(fù)合地基承載力J路基工程，2008，： 155-157 3.Itasca.Fast Lagrangian analysis of continua in 3 dimensionsMMinneapolis，MN：Itasca，2002 4 孫樹(shù)偉、林杭、任連偉.flac-3D在巖土工程中 的應(yīng)用D.中國(guó)水利水電出版社，2011，6：7-15. 5 宋修廣，郭宗杰，劉金章粉噴樁復(fù)合地基的數(shù)值計(jì)算分析J巖土力學(xué)，2002，23(4)：494-497. Song Xiugnang，Guo Zong