格栅状搅拌桩复合地基静载试验数值模拟研究

徐　晗,饶锡保,吕文志,程永辉

(长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉　430010)



格栅状搅拌桩复合地基静载试验数值模拟研究

徐晗,饶锡保,吕文志,程永辉

(长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉430010)

摘要：目前关于格栅状搅拌桩复合地基工作性状的研究工作相对较少，对其变形机理不甚了解。在兴隆水利枢纽格栅状搅拌桩复合地基现场载荷试验成果的基础上，考虑桩-土之间的相互接触，建立考虑搅拌桩-土共同作用的三维有限元模型，数值模拟复合地基群桩现场试验的实际加载过程。通过对比口字型群桩试验与数值模拟的P-S曲线，验证了数值方法及参数取值的正确性；分析了桩身轴力、桩间土的竖向应力及桩侧摩阻力等变化规律，研究了桩体与土体的荷载分担过程关系，获得桩身轴力及摩阻力分布规律；根据竖向平衡方程，推导得到平均桩端阻力和侧阻力，研究可为工程设计提供参考。

关键词：格栅状搅拌桩；复合地基；静载试验；端阻力；侧阻力

1研究背景

兴隆水利枢纽是南水北调中线一期工程的重要组成部分，其主要任务是抬高枯水期水位，满足两岸现有自流灌区的自流引水条件及改善航道条件，其中粉细砂层为枢纽主体建筑物地基，其厚度约为20 m，平均标准贯入击数只有8击，结构较疏松，压缩性较大，承载力较低[1]。由于在6度地震作用下饱和粉细砂层可能产生液化，需要进行地基加固处理。

为了提高坝址地基的承载能力、抗变形及抗液化能力，设计采用搅拌桩处理电站厂房地基[2]。其置换率高达40%～60%，其中搅拌桩纵横相互搭接成格格栅状连续墙，格栅墙和被格栅墙分割的土柱一起组成的复合地基，为简便起见，可称之为格栅状搅拌桩复合地基[3]。为科学、合理地在砂土地基中进行高置换率格栅状搅拌桩复合地基的设计和施工，进行了兴隆水泥枢纽搅拌桩复合地基的现场载荷试验研究。

由于结构形式、桩体强度、地基刚度、破坏模式等的不同，格栅状搅拌桩复合地基的承载力与变形等性状与普通散点状搅拌桩复合地基存在较大差异[4-8]，我国现行规范的承载力与沉降计算方法不能完全适用于格栅状搅拌桩复合地基，因此，采用数值分析的手段模拟高置换率格栅状搅拌桩复合地基静载试验，研究复合地基的桩与土之间的相互作用，具有重要的理论与工程意义。

图1　口字型格栅状搅拌桩复合地基Fig.1　Grille-shapedcomposite foundationcomposed of cementmixing piles

图2　有限元网格Fig.2　Finite elementmeshes

2静载试验简介

静载试验采用口字型布置搅拌桩，墙间距与实际工程设计相同。受地下水位限制，桩长19 m左右。其构型特点可概括为小面积单元体、桩长较长、口字型布置。其中边长2.0 m典型口字型群桩布置见图1，其设计置换率60.4%，桩径0.6 m。

由于静载试验获得的试验数据信息量有限，对其变形机理不甚了解，需要结合数值分析的结果进行研究。

3计算模型与参数

建立考虑搅拌桩-土共同作用的三维有限元模型(见图2)，土体初始地应力计算所选取的范围为：长度为120 m，宽度为60 m，深度75 m，地质分层按照相关地质资料设置。其中试验段桩顶高程26.5 m，砂砾(卵)石层顶部高程7.5 m，厚度35.4 m左右，砂砾(卵)石层下为砂岩。基础底边均视为固定边界，即基础底边约束全部位移；基础侧边均为法向约束。并考虑了如下因素：

(1) 桩的轴向承载力是桩身表面摩阻力与桩端承载力的函数，表面摩阻力通过在桩壁与土层之间设置接触面来模拟，界面摩擦特性为桩身与土层之间的摩擦阻力。

(2) 搅拌桩与土体均采用邓肯模型参数。

各材料均采用室内三轴试验的建议参数，有限元分析取值见表1。表1中：c为黏聚力;φ为内摩擦角;K,n分别为初始弹性模量基数和弹性模量指数;Kb,m分别为初始体积模量基数和体积模量指数;Rf为破坏比；Δφ为围压增加一个对数周期时摩擦角φ的减小量。计算采用ABAQUS软件，在其上通过二次开发子程序UMAT实现邓肯E-B本构模型。

桩土之间的摩擦作用采用广泛应用的Mohr-Coulomb摩擦定理，只需要用界面摩擦系数f来表征接触表面的摩擦行为，根据试验成果取桩土之间的摩擦系数为0.45。

表1　土体与水泥土搅拌桩邓肯E-B模型参数

4结果分析

4.1口字型群桩P-S曲线

有限元中模拟现场试验的实际加载过程，即可得到口字型群桩的P-S曲线，如图3所示。从图3中可见，无论是现场试验值还是数值计算值，各桩的P-S曲线随着加载的进行均体现了较强的非线性特性。

图3　荷载-位移曲线Fig.3　Curves of load vs. displacement

现场试验的材料基本符合数值分析理想均质材料的假定，通过对比各桩的数值计算值与现场试验值，可知口字型群桩数值计算值均与试验值吻合良好，不仅沉降规律基本一致，而且极限荷载以内每个加载点的误差绝大部分不超过5 mm，表明数值计算较好地模拟了口字型群桩现场试验荷载-位移曲线，这也从另一方面证明了现场试验数据是可靠的。

4.2桩身竖向应力分布规律

图4为不同加载过程下的各桩身竖向应力沿深度的分布曲线，可知各桩桩身竖向应力分布规律基本为：除无加载时的自重应力外，沿桩身都是逐渐递减的，且呈现非线性分布特征。这说明刚性承台下，桩侧所受全部为正摩阻力，桩身竖向应力沿深度递减。

图4　桩身竖向应力沿深度分布曲线

4.3桩间土竖向应力分布规律

图5为桩间土竖向应力随加载过程分布曲线。

图5　桩间土竖向应力沿深度的分布曲线Fig.5　Curves of vertical stress of soils amongpiles vs. depth

由图5可知，在扣除自重应力后，桩间土竖向应力分布在桩体中上部基本上是沿着桩身逐步缓慢减小，但由于基本上没有摩阻力，所以其减小的程度很小；而在桩体中下部，由于口字型群桩的土塞效应，使得桩底部一定范围内桩芯土的竖向应力突变。

图6　桩土应力比曲线Fig.6　Curve of pile-soilstress ratio

图6为桩土应力比曲线，基本趋势是加载初期应力比呈现直线上升，中期会偏离直线，而到加载后期，桩土应力比越来越趋于平稳。在极限状态时候，桩土应力比为30.2，与现场实验结果基本一致。

4.4侧摩阻力与端阻变化规律

4.4.1极限荷载条件下桩内外侧摩阻力分布规律

沿图7(a)所示路径在群桩内侧与外侧取监控点，可得到极限荷载条件下内外侧阻沿深度的分布曲线,如图7(b)。

(a)监控点(俯视图)(b)桩侧阻力分布图7 桩内、外侧监控点及其侧阻力分布(极限荷载3.75MPa)Fig.7 Layoutofmonitoringpointsanddistributionoflateralresistanceinsideandoutsidethepilegroup(ultimateloadof3.75MPa)

桩侧摩阻力沿深度的变化曲线表明桩的内侧摩阻力均很小，桩外侧摩阻力在0～4 m范围内达到最大，此后逐渐递减；在桩中部的极限外侧摩阻力为40 kPa左右，桩底处的摩阻力最小。

4.4.2桩外侧摩阻力随加载过程的分布规律

图8为各桩外侧摩阻力随加载过程的分布规律，可知当外荷载较小的时候，一定桩长的摩阻力足够承担所有的外荷载，此时桩上部的摩阻力发挥最大；而随着外荷载逐步施加，桩外侧阻力逐步发挥作用，到了极限状态的时候，由各曲线可看出，全桩长范围内的桩侧阻力基本上都得到了充分的发挥。

图8　桩外侧摩阻力随加载过程分布规律Fig.8　Distribution of lateral resistance outside pilegroup along with the loading process

4.4.3端阻、侧阻推荐值

经过上述分析表明，极限荷载3.75 MPa的时候，桩端阻力为2.71 MPa，桩端阻特征值为极限端阻的1/2，即为1.36 MPa；桩间土端阻为0.48 MPa，根据竖向方向内外荷载相互平衡，可推算出桩的平均侧阻，其中桩土自重为浮重度，具体计算如下：

平均极限侧阻=(极限荷载-桩极限端阻-桩间土极限端阻)/桩外侧接触面积，桩平均侧阻计算值见表2。

表2　桩平均侧阻计算值

5结论

(1) 在格栅状搅拌桩复合地基现场载荷试验成果的基础上，考虑桩-土之间的相互接触，建立考虑搅拌桩-土共同作用的三维有限元模型，数值模拟复合地基群桩现场试验的实际加载过程，通过对比口字型群桩试验与数值模拟的P-S曲线，验证了数值方法及参数取值的正确性。

(2) 通过对群桩静载试验的数值分析，对口字型搅拌桩复合地基研究了桩体与土体的荷载分担时程关系，获得桩身轴力及摩阻力分布规律；并根据竖向平衡方程，推导得到平均桩端阻力和侧阻力，桩端阻特征值为1.36 MPa，桩侧阻特征值为21.0 kPa。

参考文献：

[1]文松霖, 姜志全, 张明光. 水泥搅拌桩复合地基沉降计算分析[J]. 岩土工程界, 2008, 11(1): 41-44.

[2]JGJ79—2012, 建筑地基处理技术规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2013.

[3]吴保全, 李天斌. 格栅状复合地基压缩模量的计算[J]. 岩土力学, 2007, 28(10): 2183-2187.

[4]饶锡保,蒋乃明,赵坤云,等.长丰闸加固建设中几个土工问题的处理对策[J].人民长江,2002,33(8):51-53.

[5]祁锋, 曹宏生, 古浩. 水泥土桩复合地基在内河重力式码头中的应用[J].水运工程,2007,(8):101-103.

[6]李常山. 格栅状改良地基的设计与施工[J]. 建筑技术通讯, 1990, (2): 42-44.

[7]吕文志, 俞建霖, 龚晓南. 柔性基础下复合地基试验研究综述[J]. 公路交通科技, 2010, 27(1): 1-5.

[8]徐超, 叶观宝. 水泥土搅拌桩复合地基的变形特性与承载力[J]. 岩土工程学报, 2005, 27(5): 600-603.

(编辑：赵卫兵)

Numerical Simulation on Static Load Test of Grid-structuredCement Mixing Pile Composite Foundation

XU Han, RAO Xi-bao, LV Wen-zhi, CHENG Yong-hui

(Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry of Water Resources, Yangtze River Scientific Research Institute， Wuhan430010，China)

Abstract:Currently there are relatively few studies on the work traits of grille-structured composite foundation composed of cement mixing piles, and its deformation mechanism is not clear. On the basis of field load test results of grille-structured cement mixing pile composite foundation in Xinglong hydropower project, a three-dimensional finite element model which could reflect the mechanics of interaction between soils and piles was established by considering the contact action between soils and piles. The actual loading process of field test of composite foundation’s pile group was simulated using this model. Through comparison of the P-S curve between grille-shaped pile group tests and numerical simulations, the correctness of the numerical model and parameters are verified. Furthermore, the variation regularities of pile’s axial force, vertical stress of soils among piles, and pile’s lateral friction were analyzed. The time course of load sharing relationship between piles and soils is studied, and the distribution of axial force and friction of piles are acquired. According to the vertical balance equation, the average tip resistance and lateral resistance can be calculated by numerical analysis.

Key words:grid-structured cement mixing pile; composite foundation; static load test; tip resistance; lateral resistance

中图分类号：TU473

文献标志码：A

文章编号：1001-5485(2016)05-0102-03

doi:10.11988/ckyyb.201501422016,33(05):102-104,120

作者简介：徐晗(1978-)，男，湖北公安人，高级工程师，博士，主要从事岩土工程数值分析研究,(电话)027-82829743(电子信箱)mechanics007@aliyun.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(51309029);长江科学院创新团队项目(CKSF2015051/YT);长江科学院院所基金(CKSF2015036/YT)

收稿日期：2015-02-26;修回日期：2015-04-20