柔性基础下碎石桩复合地基力学特性分析

第25卷第6期2006年12月兰州交通大学学报(自然科学版)
J ou rnal of Lanzh ou J iaotong University(Natural S ciences)
V ol.25N o.6
Dec.2006
文章编号:1001O4373(2006)06O0053O04
柔性基础下碎石桩复合地基力学特性分析*
李仲勤,马学宁,韩峰
(兰州交通大学土木工程学院,甘肃兰州730070)
摘要:通过有限元分析方法,对柔性基础下碎石桩复合地基的力学特性进行了数值模拟,得到了柔性基础下碎石桩复合地基的桩、土附加应力分布特征,荷载水平与桩顶应力和桩体承载率的关系,桩土模量比与桩顶应力和桩体承载率的关系,桩土应力比与荷载和置换率的关系等力学特性的一些基本规律,为工程设计提供参考.
关键词:柔性基础;碎石桩复合地基;有限元法;桩土应力比
中图分类号:U461.1文献标识码:A
0引言
复合地基在土木工程中的广泛应用促进了复合地基理论的发展.尤其是从工业与民用建筑部门发展起来的刚性基础复合地基,目前已形成了相对完整的理论体系和设计方法,并且有效的指导着复合地基的工程实践[1].随着公路建设的发展,复合地基在处理铁路、公路软基方面也得到了大量应用.而填土路堤的刚度较小,应视为柔性基础.近年来,对刚性基础下的软弱地基采用复合地基技术进行处理的方法应用的较为广泛,一些学者对刚性基础下的复合地基做了大量的研究,李金光等[2]对刚性基础与地基共同作用进行了有限元分析,于红蕾[3]对大型刚性基础软土地基真空预压固结变形做了分析,但对于路堤这样的柔性基础下的复合地基力学特性研究,目前在国内外研究较少,这种状况大大限制了复合地基技术在铁路、公路等中的应用.刚性基础复合地基由于基础刚度很大,在荷载作用下基底始终保持平面,复合地基在竖向是等应变的[4,5],但柔性基础复合地基由于基础刚度不大,受力变形后基础底面不能保持平面,其力学性状会有别于刚性基础复合地基,现行复合地基设计原理不完全适合柔性基础复合地基,文献[6,7]分别从不同角度对此问题进行了研究.本文通过有限元计算,得出了关于柔性基础下碎石桩复合地基的一些定性结论.1有限元模型的建立
1.1计算模型
本文所采用的有限元计算模型对实际工程的现场条件作了一些简化处理,具体如下:
1)地基土层分布为:0~8m为软弱粘土层C1, 8m以下为中砂层C2,软弱粘土为主要的加固区.
2)柔性填土路堤顶宽为6.7m,基底宽为
21.7 m,路堤高5m,边坡坡度为1B1.5.
3)柔性路基下地基土中碎石桩按梅花型布置,沿路基横向每排布置25根桩,路基双侧各布置护桩2排,为了便于建模,按面积相等的原则将其简化为碎石墙,按平面应变问题来考虑.碎石墙宽0.5m,间距1.0m,图1给出了计算模型平面布置示意图.
图1计算模型桩体布置图
Fig.1Pile body arrang ement in computation model
4)地基土计算范围:半结构长度取25m,深度取20m.根据平面应变问题的特点,任选一排桩来计算,图1中桩体编号依次为1~13号.
1.2有限元网格划分
考虑到对称性,取半结构进行计算,共划分4个单元组,分别为路基填土、桩体、地基土C1以及地基土C2,单元选为ANSYS程序提供的第42类单元即
*收稿日期:2006O05O19
基金项目:甘肃省科学技术攻关项目(JK2005O23)
作者简介:李仲勤(1961O),男,甘肃榆中人,副教授.
兰州交通大学学报(自然科学版)第25卷
二维等参固体单元,桩土间设置接触面单元,通过Targ et169和Contact171单元来定义接触对.计算中不考虑地基土排水固结.图2为ANSYS计算模型有限元网格图.材料的物理力学参数如表1所示.
表1计算模型中材料的物理力学参数
Tab.1Material physical mechanics parameter in computation model
种类弹性模量/M P a泊松比内摩擦角/(b)粘聚力/kP a重度/kN#m-3
路基填土地基土C1地基土C2碎石桩60
4
10
30
0.26
0.35
0.30
0.18
32
8
20
42
50
12
16
19.6
-
-
-
图2有限元计算模型
Fig.2Finite element computation model
1.3计算条件和计算方案
碎石桩复合地基桩体和桩间土均采用Drucker O
Prager弹塑性模型[2],其屈服准则表达式为:
F=J2+A I1-k=0(1)
式中:I1为应力张量第一不变量;J2为应变张量第
二不变量;A,k为材料参数.
A=3sin U/3+sin2U(2)
k=3c sin U/3+sin2U(3)
本文共计算了18组方案,各计算方案地基土的
弹性模量保持不变,改变基础和桩体弹性模量值,实
现桩体、基础与地基土弹性模量比的变化.使5m
高的路堤填土在路堤底部产生的自重应力为外荷
载,通过填土重度变化模拟荷载变化.
2有限元计算结果分析
2.1桩体应力及桩间土应力分布特征
图3,4为路堤荷载下桩身附加应力、桩间土附
加应力沿深度的分布曲线.因桩体在路堤下的位置
不同,差异较大,沿路堤中心线向边坡衰减.靠近路
堤中线的桩顶应力相差不大,边坡下桩顶应力要小
得多.桩间土附加应力比相应深度处桩身应力小得
多,这是由于桩体压缩模量远大于桩间土压缩模量,
当两者共同承担荷载时,荷载按地基材料的压缩模
量大小进行分配,表现为基底下应力向桩上集中,从
而使复合地基中的应力重新分布.但桩身附加应力
和桩间土附加应力衰减规律基本一致.且两者的应
力比也接近于2.5左右.
图3桩身附加应力沿深度的分布曲线
Fig.3Distribution curve of pile body additional
stress with depth
图4桩间土附加应力沿深度的分布曲线
Fig.4Distribution curve of soil between piles
additional stress with depth
2.2荷载水平对桩顶应力和桩体承载率影响
本文的桩体承载率是指复合地基中桩体所承担
的上部荷载与总荷载的比值.在有限元计算时,不断
改变填土路堤土体的重度来模拟复合地基上部结构
荷载的改变,荷载水平与桩顶应力和桩体承载率变
化曲线如图5,6所示.
由于柔性填土路堤下各桩体承载力发挥不同
步,荷载由60kPa增加到150kPa,复合地基中各桩
桩顶竖向应力都随着路堤自重的增加而逐渐增加,
各桩顶应力变化基本都呈线性变化.桩体承载率首
先随着上部荷载的逐渐增大而呈非线性增加,随后
逐渐减小,这与桩顶应力变化规律相吻合.柔性路堤
由于刚度较小,对复合地基中桩体和桩间土的荷载54
第6期李仲勤等:柔性基础下碎石桩复合地基力学特性分析
图5 桩顶应力O 荷载水平关系曲线Fig.5 Relationship curve between stress on
pile top and load
level
图6 桩体承载率O 荷载水平关系曲线Fig.6 Relationship curve between pile body load
bearing rate and load level
分担调节作用较强,加载初期,随着荷载不断增大,桩体承载力逐渐发挥,其分担荷载的比例逐渐增大,当外荷载增加到一定值后,桩体的承载力都已发挥至极限,随着外荷载增加,桩顶应力增大的幅度很小,增加部分的外荷载由桩体逐渐向桩间土转移,桩体承载率逐渐变小.
2.3 不同桩土模量比对桩顶应力和桩体承载率的
影响
图7,8给出了部分桩体的桩顶应力和桩体承载率随桩体模量比的变化曲线
.
图7 桩顶应力O 桩土模量比关系曲线Fig.7 Relationship curve between pile stress on
the top and soil module ratio
柔性路堤下复合地基中桩顶应力对桩体和桩间土的弹性模量比较敏感,随着桩土模量比由5增加
图8 桩体承载率O 桩土模量比关系曲线
Fig.8 Relationship curve between pile body load bearing
rate and pile O soil module ratio
到800,桩顶应力不断增大,尤其在桩土模量比小于100的阶段,桩顶应力随着模量比增大陡增,当桩土模量比大于100,即桩体弹性模量增加到400M Pa 后,各桩顶应力增长缓慢.因此,柔性基础下复合地基中桩体模量超过400MPa 后,再增大桩体模量几乎不能提高桩体的承载力.从图8中同样可以看到,当桩体模量小于400M Pa 时,桩体的承载率随着桩体模量提高而迅速增大,当桩体弹性模量超过400
M Pa 后桩体的承载率几乎不再增加.2.4 桩土应力比n
桩土应力比n 是反映碎石桩复合地基工作性状和承载力计算的重要参数指标,它与荷载大小、桩土模量比及置换率有关.图3~9为荷载与桩土应力比的关系的有限元计算结果,由图中可看出,n 随着荷载p 的增大而增加,到峰值后逐渐降低,其峰值约为2.8,其峰值荷载为150kPa 左右,桩土应力比与L
1-L
(E p /E s )值相近.而桩土模量比E p /E s 也是影响桩土应力比大小比较明显的另一个参数,随着桩土模量比的增大,桩土应力比近于呈线性的增长.桩土应力比与置换率的关系如图10所示,n 随m 的增加而增加,达到峰值后逐渐降低,存在一临界置换率.显然,加固地基中置换率越高,加固效果并不一定越好,所以适宜的置换率不但可以节省加固费用,也能达到满意的处理效果.
3 结论
1)对于柔性基础下碎石桩复合地基,碎石桩桩
体附加应力沿路堤中心线向边坡衰减.桩体压缩模量远大于桩间土压缩模量,这决定了桩间土附加应力比相应深度处桩身应力小得多.桩身附加应力和桩间土附加应力衰减规律基本一致.
2)柔性基础下碎石桩复合地基中各桩桩顶竖
55
兰州交通大学学报(自然科学版)第25卷
图9 荷载O 桩土应力比关系曲线Fig.9 Relationship curve between load and
pile O soil stress
ratio
图10 置换率O 桩土应力比关系曲线
Fig.10 Relationship curve between area replacement
and pile O soil stress ratio
向应力都随着荷载的增加而增加,各桩顶应力变化
基本都呈线性变化.桩体承载率首先随着上部荷载的逐渐增大而呈非线性增加,随后逐渐减小.
3)柔性路堤下碎石桩复合地基中桩顶应力和桩体承载率,随着桩土模量比增加桩顶应力不断增大,桩顶应力在加载初期随着模量比增大陡增,当桩土模量增加到一定值后,各桩顶应力增长缓慢.
4)柔性路堤下碎石桩复合地基中桩、土应力比随着荷载的增大而增加,到峰值后逐渐降低;随着桩土模量比的增大,桩土应力比近于呈线性的增长;桩
土应力比随面积置换率的增加而增加,达到峰值后逐渐降低,存在一临界置换率.参考文献:
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Analysis of Mechanical Characteristic of Stone Pile C omposite Ground under Flexible Foundation
Li Zhongqin, M a Xuening, Han Feng
(Sch ool of Civil En gineering,Lanzhou Jiaoton g U nivers ity,Lanzh ou 730070,Chin a)
Abstract:Through finite elem ent analy sis m ethod,m echanical characteristic of the flex ible foundation and stone pile co mposite g round has been done by means of numerical sim ulation m ethod.Fo r stone pile com -posite gro und,so me basic mechanical characteristic reg ularity has been obtained,such as the additional stress distribution characteristic of soil and pile,the relationship betw een lo ad level and stress of the top pile and pile body load bear ing r ate,the relatio nship betw een the pile O soil m odule ratio and str ess of the top pile and pile body lo ad bearing rate,the relationship betw een the pile O so il stress ratio and lo ad and area re -placement ratio etc.All these pr ovide r eference for construction desig n.
Key words:flex ible foundation;stone pile com posite gro und;finite elem ent method;pile O soil stress ratio
56。