基于顆粒流理論的流塑狀軟土地基穩定失效機理研究

杜曉燕，葉陽升，張千里，蔡德鉤，姚建平

(1．中國鐵道科學研究院，北京100081;2．中國鐵道科學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定失效機理研究

杜曉燕1，葉陽升1，張千里2，蔡德鉤2，姚建平2

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

基于散體介質理論建立流塑狀土中CFG樁的力學模型，分析了水平荷載作用下流塑狀軟土復合地基的變形特性及破壞模式，并研究了土的細觀力學特征與樁土相互作用宏觀力學行為之間的聯系。研究結果表明，在水平附加荷載作用下樁周土應力最大值位置與其剛度、黏聚力有關，流塑狀軟土復合地基中存在樁周土繞過樁現象，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合地基樁體“視抗剪強度”的概念，該強度指在水平附加荷載作用下發生結構性破壞時樁體發揮的強度。

流塑狀軟土 CFG樁 破壞 細觀力學 顆粒流

目前高速鐵路軟土地基處理大量采用樁體強度較高的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時由于振動作用引起軟土觸變變形，會造成加固區以外建筑物出現外擠、隆起現象，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生［1-3］。沿海鐵路在路基填筑期間就曾出現樁體傾斜、邊坡坍塌等問題，運營期間路基失穩、下沉等問題屢次出現，部分區段路基沉降多達幾十厘米。目前大量基礎工程中流塑狀軟土地基采用剛性樁復合地基處理，但設計方法存在問題，需要深入開展流塑狀軟土復合地基失效機理的研究［4-5］。

1 數值模型構建

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合體，可認為它是在內部分布著從微觀到宏觀的細微孔隙的脆性材料。顆粒離散元方法是不連續介質力學的方法，其中PFC軟件采用顯式時步循環運算法則進行循環計算，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系。整個計算循環過程如圖1所示［6-7］。

圖1 計算過程循環

1.2 計算模型

流塑狀軟土地層采用CFG樁進行地基處理時，樁網結構路堤的整體穩定性滑弧檢算應考慮排樁受軟基附加側向荷載的外擠作用力及施工填筑過程中側排樁的傾斜因素，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，土及樁在模型內隨機生成，并在自重作用下達到平衡。加載方式為伺服機制，加載采用豎向加載11.3 kN，側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，右側施加水平荷載4.5 kN。計算模型如圖2所示。土顆粒細觀參數通過反演試算獲得，即不斷地調整顆粒集合的細觀參數，使顆粒集合表現的宏觀特性與預設的宏觀特性一致。

圖2 計算模型

流塑狀軟土的計算參數見表1。

為分析流塑狀軟土復合地基的樁土相互作用，計算中樁參數未發生變化，其彈性模量取2.2 MPa，抗壓強度取7.2 MPa，抗拉強度取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

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 計算結果分析

2.1 不同土參數下樁與土的位移分析

不同荷載水平下流塑狀軟土復合地基樁和樁周土典型水平位移云圖如圖5所示。淤泥質粉質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，淤泥質粉質黏土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。

計算結果表明，各種土質下在破壞時樁周土位移平均是樁頂位移的30倍左右，當加載至樁周土移動到樁側視為繞過樁，根據模型內樁土幾何尺寸，樁周土水平位移達到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象。流塑狀軟土復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。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，淤泥質粉質黏土的位移大于樁的位移，隨著荷載的增加，樁周土會繞過樁繼續發展。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，而樁的強度較大，水平位移較小，從而造成流塑狀軟土復合地基結構性破壞。

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 樁周土應力分析

流塑狀軟土復合地基穩定失效主要表現在結構性破壞。破壞主要集中在樁周土，而樁本身強度極高，此時將樁的抗剪強度稱為“視抗剪強度”。因而有必要分析樁周土應力。3種淤泥質粉質黏土樁周土應力隨荷載的變化如圖9所示?？芍?，在加載過程中3種淤泥質粉質黏土1，2，3樁周土應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，樁周土應力呈劇增趨勢。但是荷載從40.5 kN到45.0 kN時樁周土應力變化不大。

各淤泥質粉質黏土樁周土應力隨深度的變化如圖10所示?？芍?當水平荷載從4.5 kN增加至27.0 kN時淤泥質粉質黏土1樁周土最大應力在深度1.0 m處，而隨著荷載的進一步增加樁周土應力最大值位置有所降低;當水平荷載從31.5 kN增加至40.5 kN時樁周土最大應力在深度0.6 m處。當水平荷載從4.5 kN增加至45.0 kN時淤泥質粉質黏土2樁周土應力最大值集中在1.0 m處。當水平荷載從4.5 kN增加至18.0 kN時淤泥質粉質黏土3樁周土最大應力在深度0.7 m處，隨著荷載的進一步增加樁周土應力最大值位置有所升高;當水平荷載從22.5 kN增加至31.5 kN時樁周土最大應力在深度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力最大值位置所處深度與黏聚力也有關，樁周土黏聚力越大，抗剪強度越大，具有更好的整體性，因此樁周土應力最大值集中于一處，低水平荷載作用下樁周土應力最大值位置深度減小，而高水平荷載作用下樁周土應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時，會對周邊軟土有擾動破壞作用。進行路基填筑時，樁可能會出現剪切、傾斜和彎曲破壞。這種破壞類似于多米諾骨牌效應，使路基快速產生外擠、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。樁體復合地基的破壞形式主要分為兩種:樁周土首先發生破壞進而引起復合地基全面破壞;樁體首先發生破壞進而引起復合地基全面破壞。

圖9 樁周土應力隨荷載的變化

圖10 樁周土應力隨深度的變化

圖11 樁體的破壞模式

荷載作用下復合地基破壞模式的影響因素很多，如樁體材料、基礎結構形式及材料、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，在剛性基礎下的樁體復合地基，多數是樁體先發生破壞。而在柔弱基礎下，多數是土體先發生破壞。

通過計算分析可以得到微裂縫的發展。微裂縫可以從另一個方面體現土體及樁的破壞。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構相應的破壞模式。圖12是典型工況樁頂位移與時步的關系圖。

圖12 樁頂位移與時步的關系

計算結果表明:當樁周土彈性模量由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;當荷載大于土的局部抗剪強度時，樁周土發生破壞，樁的位移會有一定程度的反彈;之后樁周土一直處于破壞—向樁兩側滑動—重新接觸—破壞;樁周土發生第1次破壞之后，樁承擔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，在樁未發生破壞時，樁周土的最大位移要遠大于樁的位移，這主要是因為樁的彈性模量遠大于土的。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則的，在加載墻壓縮土時，荷載會傳遞到樁周邊的土體上。

3 結論

本文應用PFC程序，進行了水平荷載作用下樁—土之間相互作用的細觀顆粒流模擬，并研究了不同荷載作用下樁土的荷載—位移關系及其細觀力學特征之間的相互關系與復合地基失效機理。研究結果表明:

1)樁發生移動時，土顆粒之間的接觸力增強，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，由于自身強度不足，樁周土在一定范圍內發生較大的變形，而樁體變形仍處在彈性范圍內，樁周土會周而復始地向樁后發生擠壓，并繞過樁繼續發展，進而造成復合地基穩定失效。

3)提出了流塑狀軟土復合地基樁體“視抗剪強度”的概念，即流塑狀軟土復合地基穩定失效主要為結構性破壞，水平荷載的增加對樁土復合地基結構的影響主要集中在樁周土，而樁周土應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計劃項目(J2013C013)

杜曉燕(1980—)，女，四川瀘州人，博士研究生。