作者简介:刘朝晖(1975—),男(汉族),湖北省咸宁市人,湖北科技学院讲师. E-mail: gsesa@sina.com
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1)湖北科技学院资源环境科学与工程学院,湖北咸宁 437000; 2)武汉大学土木建筑工程学院,武汉 430072
Liu Zhaohui1 and Wang Xin21)College of Resources and Environment Science and Engineering, Hubei University of Science and Technology, Xianning 437000, Hubei Province, P.R.China2)School of Civil Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, P. R. China
subgrade engineering; low embankment; soil arching effect; fill height; pile-soil stress ratio; pile head diameter
DOI: 10.3724/SP.J.1249.2014.05529
利用数值模拟试验研究低填路堤下土拱效应的特性. 通过建立三维土拱模型,研究影响土拱效应的主要参数——桩布置形式、桩间距、填土高度和扩大头直径间的相互关系. 结果表明,无论是三角形还是正方形布置形式,钉形桩的应力分布具有显著的空间对称性; 在布置形式、填土高度和桩间距等参数一定的条件下,随着钉形桩扩大头直径的增加,土拱效应发挥程度降低,当扩大头较大,相邻两桩桩边缘较近时,群桩的挤土作用较明显; 在正方形桩体布置形式下,填土路堤中应力分布较均匀,挤土作用下的土拱形态对称性比三角形布置形态要好,但桩土应力比却并
To study the characteristics of soil arching effect on piled low embankment, a three dimensional soil arch model is conducted to analyze the key parameters influencing soil arching. The results show that pile stress distribution of T-shape column has the characteristics of significant spatial symmetry. For a given condition of pile configuration, soil filling depth and pile spacing, the soil arching effect becomes less moblized as the diameter of pile head of Nail-shape pile increases; whereas if the pile head diameter is large and the adjacent piles are close, the squeezing effect of pile group becomes more significant. Under the arrangement of the square piles, the distribution of stress in the embankment is uniform. The symmetry of soil arching form under soil compaction effect is better than the one of triangle layout, but the pile-soil stress ratio is not necessarily larger than that of the triangle layout. Therefore, it is necessary to comprehensively consider the filling height, the pile head diameter and layout form.
目前,不少学者通过理论模型和数值模拟研究桩承式路堤中桩土之间的相互作用[1-13]. 曹卫平等[7]建立了考虑路堤填筑过程与地基土固结相互耦合的土拱效应理论计算模型,较为完整地反映了在整个路堤加载过程中土拱效应的发展变化. 余闯等[8-11]通过建立三维有限元数值模型,对桩承式路堤中土体竖向应力分布规律进行了分析,给出了土体竖向应力随深度的分布规律、土拱作用机理以及土拱的作用范围. 钉型水泥土搅拌桩由于对桩周土体扰动小、受力合理,在软土地区路堤的加固中得到广泛应用[14-18],不过在工程应用中存在桩布置欠合理、承载力不足、设计过于保守等弊病.
现有关于桩承式路堤土拱效应的研究分析基本是假设形成完整的土拱效应,或具有足够高的路堤能够形成完整的土拱. 然而,很多公路的填土路堤是比较低的. Zhuang等[19]阐述了在软弱下卧土层中,当h/s≥1.5(h为路堤高度,s为桩间净距)时,才能形成完整的土拱,达到极限状态所需的沉降,并且在较大的沉降下能够保持稳定极限状态.在此基础上,本研究建议低填路堤的高度范围为0.5s~1.5s.
本研究通过数值模拟探讨低填路堤条件下的土拱效应特性,通过桩土应力比和桩土沉降差,分析土拱效应作用下的桩土间应力传递和分布特点.
建模过程中单位均采用国际标准单位,应力为kPa,位移为m. 桩的布置形式采取正方形以及梅花形的基本单元——三角形. 假设各种材料都是均匀和各向同性的,且不考虑钉形桩的施工过程、土体固结和渗透过程(即时间效应)的影响. 填土过程通过多个分析步来实现,在分析步中,采用自动控制的增量步类型,允许的增量步最大数目为100,由于存在塑性材料模型,初始增量步取为0.2,允许最小增量步为1×10-5,允许最大增量步为1.
由于不考虑钉形桩对施工的影响,因此在土体中预留出钉形桩体. 先建立5 m×5 m×20 m立方体,然后去除桩体位置土体,根据实际土层情况将土体分为3层,并对3层土体附加相应材料属性. 土体采用弹塑性材料模型,塑性采用Mohr-Coulomb屈服准则的材料模型. 土层间和桩体以及填土路堤的接触面在法向上采用硬摩擦,切向上采用无摩擦的接触属性.
本研究模拟了实际钉形桩的桩体,采用不同桩径和桩长的变截面钉形桩. 考虑桩体在低填路堤条件下所受荷载较小,且相比周边土层其刚度较大,故采用线弹性材料模型. 扩大头顶面与填土路堤底面的接触面,采用法向上硬摩擦和切向上无摩擦的接触单元. 钉形桩体和填土路堤的接触面建立方式采用扩大头顶面为附属面,填土路堤底面为主面的形式.
为了减少接触面的数量,模拟填土过程,先确定整个路堤高度,然后按照填土次数和高度对所建填土路堤模型进行切割分层分块,在分析中逐施加体力荷载,填土路堤采用弹塑性材料模型,塑性为Mohr-Coulomb屈服准则的材料模型. 在初始分析建立填土路堤的边界约束,约束方式为填土路堤侧面约束x、 y方向位移及其转角.
考虑到土拱的产生与发展都在路堤中,将路堤部分网格加密,填土土层分界线根据不同填土高度进行划分.
针对影响土拱发挥的关键参数进行建模分析,完成了2组共6个模型的数值计算. 通过对模型时间步控制,实现了整个计算过程的应力(S)和位移(U)动态发展演化过程,最终给出了填土路堤中土拱效应的动态演化过程. 图2和图3是以三角形桩布置的路堤为依托,对模型进行的演化过程,其中,桩间距为3 m,填土路堤为2 m,加载方式为2层填土,每层1 m,对每层施加体力以模拟填土过程,控制分析步时间增量共10次,每个分析步各有5个子步时间增量(substep). 对位移及应力演化过程对比发现,随着计算子步时间增量的增加,位移和应力在土层中均匀增加,但在填土路堤中产生显著的沉降和应力差异. 在第2层填土开始阶段,桩顶上路堤中呈现三角形的沉降等值线区域,此三角区域也正是三角形布置形式的桩体范围,与此相应的路堤中应力也存在相似的三角形等值线区域如图2(b). 随着子步时间增量和填土体力的继续增加,填土路堤中的位移和应力三角等值区域逐渐扩大,且路堤中应力和沉降变得更加均匀,如图3. 对以上2种现象分析可知:
1)由于有钉形桩的存在,使得桩与填土交接面间由于显著的刚度变化,在荷载传递过程时发生应力集中,同时桩与桩之间净间距较小,使得在桩布置范围内应力产生了相互影响,即群桩效应,因此桩间应力与桩布置范围外出现了较为明显的应力差异. 随着填土的增加,桩顶上的应力虽然仍然增大,但由于周围土体应力也在逐渐增大,同时对桩产生了挤压约束,限制了应力的进一步集中,也使填土路堤中应力重分布,使群桩效应的影响范围进一步扩大了.
2)对于位移,由于起初时间增量很小,路堤荷载并没有在土层和桩上产生较大的影响,土层沉降较小且很均匀,但随着时间增量的延长,路堤对桩及土层产生较大荷载,使其自身压缩,而桩土间存在刚度差异,继而产生了沉降差,当路堤荷载足够大使得桩土沉降差进一步增大,桩体“刺入”路堤中(图4),土层和路堤在桩体布置的一定区域内产生不均匀沉降,此区域即是图2(b)中标示的三角形,与各桩体位置相当,虽然土层和路堤中沉降等直线都产生了差异,但作用原理不同,土层中的沉降差是因桩土刚度不同造成的,而在路堤内则是由于桩体刺入路堤中,产生了一定的承托力使得路堤在一定区域(三角形)范围内土体沉降较小.
以上演化过程所产生的位移和应力变化,在正方形布置形式下得到相似的现象,只是由于正方形具有中心对称性,使应力场和位移场在桩土间呈对称性分布且较为均匀.
在模拟的6个模型中,钉形桩体在力的传递过程中,表现了其自身特有的应力传递特点:桩体应力水平在扩大头中是自上而下渐减,而从桩扩大头顶面中心到顶面边缘是渐增,扩大头边缘与其顶点应力比值达到2~3,钉形桩的最小应力位于扩大头底部边缘; 对于桩体部分,应力随桩体长度的增加而不断增大,应力水平均大于扩大头部分,且桩端出现整个钉形桩的最大应力; 当填土高度和桩间距均相同时,对比三角形和正方形2种布置形式的钉形桩发现,在大部分区域内,位于钉形桩同一位置上三角形布置形式比正方形的应力要大; 无论是三角形还是正方形布置形式,钉形桩的应力分布具有显著的空间对称的特点,如图5.
综上分析可知,对于扩大头部分,其顶面直接与填土路堤相接触,并在填土过程中产生刺入作用,使扩大头顶面产生较大的应力,而在顶面外边缘处,由于群桩的挤土作用,使路堤土体发生挤压变形,一部分土体向桩群内部挤压,另一部分向桩群外部流动,因此在桩顶边缘压力比较大,而在桩顶中心位置处相对较小,同时,土拱效应在桩体内边缘先发挥作用,也增大了桩顶边缘的应力; 由于钉形桩桩体部分横截面积比扩大头要小,因此其应力水平比桩体部分大,而在桩体底端与土层之间产生了硬接触,使得在底端位置应力集中. 由于模型采用的是正多边形布置形式,因此在均匀填筑过程中,桩群应力分布也表现出了空间对称的特点.
在其他因素和条件不变的情况下,扩大头直径直接决定面积置换率、桩体受力范围和桩土接触面积,因此本研究比较分析了正方形和三角形布桩形式下,钉形桩扩大头直径变化对土拱效应的影响.
图6 扩大头直径应力矢量剖面图和剖面云图(三角形布置形式,填土高度为2 m,桩间距为2 m)
Fig.6 (Color online)The profile nephogram of stress vector with triangle layout, fill height 2 m, and pile spacing 2 m
图6是不同扩大头直径下各模型的计算结果.对比分析各模型下的土拱效应作用可以发现:在布置形式、填土高度和桩间距等参数确定的条件下,随着钉形桩扩大头直径的增加,桩间净距的减小,桩顶应力水平逐渐减小,桩顶上应力集中趋势降低. 相邻两桩间应力矢量方向趋于水平,表明土拱效应发挥程度降低. 但当扩大头较大,相邻两桩桩边缘较近时,由于彼此对填土路堤相互作用,在两桩内部区域的路堤产生了应力集中,使得这部分区域在较小范围内的应力矢量发生改变,其连线形态类似拱形,但实际上并不是土拱效应作用,而是群桩的挤土作用.
表5为桩土应力比对比表,图7为桩土应力比变化图. 分析表5和图7得知,无论是填土高度还是扩大头直径的变化,桩体承担路堤荷载比土的承担作用要大很多,这表明桩承式路堤在提高土体承载力,改善土体力学性能方面具有显著的实际意义.由表5可见,随着桩扩大头直径的增大,三角形布置形式下桩土应力比先减后增,而对正方形布置的趋势是先增后减,且变化幅度较大. 这是由于当扩大头直径增大时,群桩的挤土作用使路堤土体发生挤压变形,一部分土体向桩群内部挤压,另一部分向桩群外部流动,因此在桩顶边缘压力比较大而在桩顶中心位置处相对较小. 当扩大头直径增大到1.4 m时,桩净距过小,群桩挤土作用造成填土变形范围和幅度较小,因此桩顶面应力分布较均匀(图7); 而对正方形桩体布置,在群桩范围内应力分布和传递较三角形布置均匀,土拱效应作用在桩扩大头直径为1.2 m时发挥得更加突出,而当扩大头直径继续增加,填土路堤受到的承托力也逐步增加,其内部应力分布趋向均匀,且对桩体作用压力较小.
通过数值模拟研究了土拱效应作用下的桩土间应力传递和分布特点,分析不同布桩形式下土拱的空间形态和土拱的演化过程. 结果表明,无论是三角形还是正方形布桩,钉形桩的应力分布都具有显著的空间对称性; 在布置形式、填土高度和桩间距等参数一定时,随着钉形桩扩大头直径的增,桩顶应力水平渐减,桩顶上应力集中趋势降低,相邻两桩间应力矢量方向趋于水平,表明土拱效应发挥程度降低,但当扩大头较大,相邻两桩桩边缘较近时,由于彼此对填土路堤相互作用,对两桩内部区域的路堤产生了应力集中,使得这部分区域在较小范围内的应力矢量发生改变,其连线形态类似拱形,但实际上并非土拱效应,而是群桩的挤土作用; 当布桩形式、填土高度和扩大头直径等参数变化时,桩土应力比也出现了明显变化规律,虽然正方形桩体布置形式下,填土路堤中应力分布较均匀,挤土作用下的土拱形态对称性比三角形布置形态要好,但桩土应力比却不一定比三角形的大,因此在设计中需要综合考虑填土高度、扩大头直径以及桩的布置形式等因素.
深圳大学学报理工版
JOURNAL OF SHENZHEN UNIVERSITY SCIENCE AND ENGINEERING
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