基于颗粒流理论的流塑状软土地基稳定失效机理研究

杜晓燕，叶阳升，张千里，蔡德钩，姚建平

(1．中国铁道科学研究院，北京100081;2．中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)

基于颗粒流理论的流塑状软土地基稳定失效机理研究

杜晓燕1，叶阳升1，张千里2，蔡德钩2，姚建平2

(1．中国铁道科学研究院，北京100081;2．中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)

基于散体介质理论建立流塑状土中CFG桩的力学模型，分析了水平荷载作用下流塑状软土复合地基的变形特性及破坏模式，并研究了土的细观力学特征与桩土相互作用宏观力学行为之间的联系。研究结果表明，在水平附加荷载作用下桩周土应力最大值位置与其刚度、黏聚力有关，流塑状软土复合地基中存在桩周土绕过桩现象，其中桩周土位移是桩顶位移的30倍左右。提出了流塑状软土复合地基桩体“视抗剪强度”的概念，该强度指在水平附加荷载作用下发生结构性破坏时桩体发挥的强度。

流塑状软土 CFG桩 破坏 细观力学 颗粒流

目前高速铁路软土地基处理大量采用桩体强度较高的CFG桩、管桩以及钢筋混凝土灌注桩等刚性桩。打入桩处理流塑状软土时由于振动作用引起软土触变变形，会造成加固区以外建筑物出现外挤、隆起现象，影响建筑物的使用安全。临线施工造成既有线变形的情况时有发生［1-3］。沿海铁路在路基填筑期间就曾出现桩体倾斜、边坡坍塌等问题，运营期间路基失稳、下沉等问题屡次出现，部分区段路基沉降多达几十厘米。目前大量基础工程中流塑状软土地基采用刚性桩复合地基处理，但设计方法存在问题，需要深入开展流塑状软土复合地基失效机理的研究［4-5］。

1 数值模型构建

1.1 颗粒流软件计算原理

岩土材料是矿物颗粒的集合体或结合体，可认为它是在内部分布着从微观到宏观的细微孔隙的脆性材料。颗粒离散元方法是不连续介质力学的方法，其中PFC软件采用显式时步循环运算法则进行循环计算，能模拟圆形颗粒的运动及颗粒间的相互作用，在颗粒和颗粒接触间不断地运用力—位移定律和牛顿第二定律，同时更新墙的信息。在计算时通过不断地自动搜索，自动更新颗粒与墙或颗粒与颗粒间的接触关系。整个计算循环过程如图1所示［6-7］。

图1 计算过程循环

1.2 计算模型

流塑状软土地层采用CFG桩进行地基处理时，桩网结构路堤的整体稳定性滑弧检算应考虑排桩受软基附加侧向荷载的外挤作用力及施工填筑过程中侧排桩的倾斜因素，因此考虑不利条件下的单桩逐级水平加载方式。

模型采用边长为3 m的正方形，桩径为0.5 m，桩周土颗粒直径为10～27 mm。模型边界从桩底往上固定1.5 m，土及桩在模型内随机生成，并在自重作用下达到平衡。加载方式为伺服机制，加载采用竖向加载11.3 kN，侧向左边施加初始水平荷载4.5 kN并按每级荷载4.5 kN逐级加载，右侧施加水平荷载4.5 kN。计算模型如图2所示。土颗粒细观参数通过反演试算获得，即不断地调整颗粒集合的细观参数，使颗粒集合表现的宏观特性与预设的宏观特性一致。

图2 计算模型

流塑状软土的计算参数见表1。

为分析流塑状软土复合地基的桩土相互作用，计算中桩参数未发生变化，其弹性模量取2.2 MPa，抗压强度取7.2 MPa，抗拉强度取0.91 MPa。

桩在水平推力作用下桩和桩周土的接触、重力平衡分别如图3、图4所示。由图可知，桩周土颗粒和桩颗粒接触良好，保障了桩周土和桩的整体性。桩周土和桩均达到了重力平衡，有利于模型计算的有效性。

表1 流塑状软土计算参数

图3 桩周土及桩颗粒的接触

图4 桩周土及桩的重力平衡

2 计算结果分析

2.1 不同土参数下桩与土的位移分析

不同荷载水平下流塑状软土复合地基桩和桩周土典型水平位移云图如图5所示。淤泥质粉质黏土荷载与位移变化曲线如图6所示。由图5和图6可知，不同荷载水平下桩周土位移随着荷载的增大而增大，淤泥质粉质黏土1，2，3桩前后位移最大平均值分别为48.3，42.4，50.3 cm。桩的位移随荷载增大而增大，桩最大位移分别为1.06，1.91，1.31 cm。加40.5 kN荷载时，桩周土位移陡增，最后一级荷载作用下土的位移变化不大。

2.2 桩周土绕桩运动特性分析

图7为加载时桩周土的位移矢量图，图8为不同荷载水平下桩周土绕桩位移云图。

计算结果表明，各种土质下在破坏时桩周土位移平均是桩顶位移的30倍左右，当加载至桩周土移动到桩侧视为绕过桩，根据模型内桩土几何尺寸，桩周土水平位移达到55 cm，即为土绕过桩。计算中此两种工况水平位移分别为66，76 cm，均超过55 cm，说明桩周流塑状土有绕过桩的现象。流塑状软土复合地基桩周土在水平附加荷载作用下绕过桩，与流塑状软土的流动性有关。从图7可看出，桩周土有明显绕过桩的运动。

由图8可知，在不同水平荷载作用下，淤泥质粉质黏土的位移大于桩的位移，随着荷载的增加，桩周土会绕过桩继续发展。原因在于流塑状软土的高含水量和高孔隙性以及土的流动性，在水平荷载作用下，桩周土极易受力运动，具有较大的水平位移，而桩的强度较大，水平位移较小，从而造成流塑状软土复合地基结构性破坏。

图5 不同荷载下水平位移云图

图6 桩及桩周土荷载位移

图7 桩周土位移矢量

图8 不同荷载下桩周土绕桩位移云图

2.3 桩周土应力分析

流塑状软土复合地基稳定失效主要表现在结构性破坏。破坏主要集中在桩周土，而桩本身强度极高，此时将桩的抗剪强度称为“视抗剪强度”。因而有必要分析桩周土应力。3种淤泥质粉质黏土桩周土应力随荷载的变化如图9所示。可知，在加载过程中3种淤泥质粉质黏土1，2，3桩周土应力随着位移的增大而增大，分别施加18.0(4级)，22.5(5级)，27.0 kN(6级)水平荷载时，桩周土应力呈剧增趋势。但是荷载从40.5 kN到45.0 kN时桩周土应力变化不大。

各淤泥质粉质黏土桩周土应力随深度的变化如图10所示。可知:当水平荷载从4.5 kN增加至27.0 kN时淤泥质粉质黏土1桩周土最大应力在深度1.0 m处，而随着荷载的进一步增加桩周土应力最大值位置有所降低;当水平荷载从31.5 kN增加至40.5 kN时桩周土最大应力在深度0.6 m处。当水平荷载从4.5 kN增加至45.0 kN时淤泥质粉质黏土2桩周土应力最大值集中在1.0 m处。当水平荷载从4.5 kN增加至18.0 kN时淤泥质粉质黏土3桩周土最大应力在深度0.7 m处，随着荷载的进一步增加桩周土应力最大值位置有所升高;当水平荷载从22.5 kN增加至31.5 kN时桩周土最大应力在深度1.0 m处。随着桩周土刚度的提高，低水平和高水平荷载作用下桩周土应力最大值位置存在差异。这是因为桩周土刚度越大，其所受力越大。在水平荷载作用下桩周土应力最大值位置所处深度与黏聚力也有关，桩周土黏聚力越大，抗剪强度越大，具有更好的整体性，因此桩周土应力最大值集中于一处，低水平荷载作用下桩周土应力最大值位置深度减小，而高水平荷载作用下桩周土应力最大值位置深度增大。

2.4 破坏模式分析

采用CFG桩或搅拌桩处理深厚流塑状软土时，会对周边软土有扰动破坏作用。进行路基填筑时，桩可能会出现剪切、倾斜和弯曲破坏。这种破坏类似于多米诺骨牌效应，使路基快速产生外挤、下沉和开裂变形。对于搅拌桩处理的地基，在圆弧滑动破坏过程中，实际会同时出现桩的拉伸破坏和弯曲破坏。桩的破坏形式如图11所示。桩体复合地基的破坏形式主要分为两种:桩周土首先发生破坏进而引起复合地基全面破坏;桩体首先发生破坏进而引起复合地基全面破坏。

图9 桩周土应力随荷载的变化

图10 桩周土应力随深度的变化

图11 桩体的破坏模式

荷载作用下复合地基破坏模式的影响因素很多，如桩体材料、基础结构形式及材料、荷载作用形式等。桩周土和桩体同时破坏是最合理的，但这种情况在实际工程中很难遇到。一般来讲，在刚性基础下的桩体复合地基，多数是桩体先发生破坏。而在柔弱基础下，多数是土体先发生破坏。

通过计算分析可以得到微裂缝的发展。微裂缝可以从另一个方面体现土体及桩的破坏。通过分析对比桩及桩周土破坏典型图来得到各工况下桩土组合结构相应的破坏模式。图12是典型工况桩顶位移与时步的关系图。

图12 桩顶位移与时步的关系

计算结果表明:当桩周土弹性模量由2.5 MPa提高至7.3 MPa，黏聚力从5 kPa提高至15 kPa，摩擦角10°左右时，随着荷载的增加，桩的位移逐步增大;当荷载大于土的局部抗剪强度时，桩周土发生破坏，桩的位移会有一定程度的反弹;之后桩周土一直处于破坏—向桩两侧滑动—重新接触—破坏;桩周土发生第1次破坏之后，桩承担的土作用的荷载也一直在峰值位移附近波动。

比较在每级荷载下桩及桩周土的最大位移得出，在桩未发生破坏时，桩周土的最大位移要远大于桩的位移，这主要是因为桩的弹性模量远大于土的。分析破坏之前的位移云图可得出，加载墙体和桩之间土的位移云图存在一个斜面，这是符合摩尔库伦破坏准则的，在加载墙压缩土时，荷载会传递到桩周边的土体上。

3 结论

本文应用PFC程序，进行了水平荷载作用下桩—土之间相互作用的细观颗粒流模拟，并研究了不同荷载作用下桩土的荷载—位移关系及其细观力学特征之间的相互关系与复合地基失效机理。研究结果表明:

1)桩发生移动时，土颗粒之间的接触力增强，桩前土的密度增加，而桩后土的密度减小，土颗粒之间的接触力减弱。循环荷载作用下，随着周期的增加，土的抗力逐渐减小。

2)流塑状软土复合地基失效主要集中于桩周土破坏，随着荷载的增加，由于自身强度不足，桩周土在一定范围内发生较大的变形，而桩体变形仍处在弹性范围内，桩周土会周而复始地向桩后发生挤压，并绕过桩继续发展，进而造成复合地基稳定失效。

3)提出了流塑状软土复合地基桩体“视抗剪强度”的概念，即流塑状软土复合地基稳定失效主要为结构性破坏，水平荷载的增加对桩土复合地基结构的影响主要集中在桩周土，而桩周土应力最大值位置深度随着水平荷载的增加而增加。

［1］龚晓南．地基处理技术发展与展望［M］．北京:中国水利水电出版社，2004．

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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

(责任审编李付军)

2015-01-15;

2015-02-20

中国铁路总公司科技研究开发计划项目(J2013C013)

杜晓燕(1980—)，女，四川泸州人，博士研究生。