上拔荷载作用下挤扩支盘桩颗粒流数值模拟
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过运动定律 ，更新颗粒 与墙边界 的位置 ，构成颗粒之
间的新接触 。
本文基 于 颗粒 流理 论 ，采 用 Ｐ Ｃ Ｄ程 序 ，研 究 Ｆ２ 粘 土地基 中挤扩支盘桩受上拔荷载 时 ，荷 载与桩体 位
移关系 、土体变 形破坏 情况 、地 基 土体位 移 场分 布。 研究表 明 ，颗粒 流技术 为研究上拔荷载作 用下挤扩 支 盘桩 的抗拔特性提供 了一种新 的思路 。
机 理 的一 种 有 效 方 法 。颗 粒 流 理 论 及 其 Ｐ Ｃ Ｄ 程 Ｆ２
序 ，作 为一 种 特殊 的离散 元方 法 ，克服 了传统 连 续 介 质力 学模 型 的宏观 性假 设 ，从细 观层 面 上对 土 的 工 程特 性进 行数 值模 拟 ，并通 过细 观参 数 的研 究来 分 析宏 观力 学行 为 ，尤其 适合 土这类 散 粒 介质 的力
路 基 工 程 Ｓｂｒ ｅ ｎ ｎｅｎ ｕｇ ｄ ￣ ｅｆ ｇ ａ Ｅ ｉ
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
２ １ 年第 ３期 （ ０１ 总第 １６期 ） ５
是由圆盘单元构成 ，土颗粒之间接触模型选用 接触连结
收稿 日期 ：２ １ ０ ０ ０— ４—０ １ 基金项 目：２０ ０ ６年教育部新世纪优 秀人才支持计划 （ Ｃ Ｔ一 ６ ＮＥ ０—
０８） ０４
２ 颗粒流数值模拟上拔荷载作用下挤扩支盘桩试 验 ２ １ 方案设计 及计算 参数 的选取 ． 在颗粒 流数值模 拟试验 中 ，设计两套 数值试验方 案 ，如 图 １ 。模 型箱 宽 １ ５ｍ，高 １ ８ ｍ，由左 墙 、右 墙 、底墙 ３ 墙体 组成 ，墙 体 的法 向刚 度 ｋ 和 切 向 道 刚度 ｋ 均为 １ ０ Ｎ ｍ。方案一支盘桩长为 ６ｍ，共 ×１ ／ 两个支盘 ，方 案 二 支 盘 桩 长 为 １ ２ ｍ，共 四个 支 盘。
作者简介 ：周
喻 （９５ ，男 ，重庆人。博士研 究生 ，主要从 １８ 一）
事岩 土 工 程 数 值 计 算 仿 真 研 究 。Ｅｍ ｉ ｗ ｓ ｏ８ ＠ — ａ ： ｅ ｂｙ５ ｌ ｔ
ｓｎ Ｌ ｃ ｒ ｏ ｉ ｔ ｏ ｎ
两套方 案支盘桩直 径 ０５ｍ，支盘直 径 １５ｍ，支盘 ． ． 高 ０ ５ｍ，支盘间 距 ３０ ｍ。在 上述 给定 的墙体 范 围 ． ．
周 喻 ，等 ：上拔荷载作用下挤扩 支盘桩颗粒 流数值模 拟
・１ ３・
上 拔 荷 载作 用 下 挤 扩 支 盘 桩 颗 粒 流 数值 模 拟
周 喻 ，李 健 ，吴顺川 ，
（ ．北京科技大学土木与环境工程学 院 ，北京 １ １０ ８ ； ０ ０ ３
２ 北京科技 大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室 ，北京 ．
兴建 和地 下 空间 的开 发越来 越重 视 。水 的 浮力 、膨 胀 土 的膨 胀力 、冻 土 的冻胀 力 以及风 荷 载作 用 等引 起 的上拔 力往 往成 为导 致工 程事 故 的直 接原 因。挤 扩支 盘桩 作 为一种 由原 始等 截 面钻孔 桩发 展 而来 的 新 型桩型 … ，通 过沿 桩身 不 同位 置设 置 支盘 ，显 著
提高 了桩 的抗 拔性 能 。 目前研 究挤 扩 支 盘桩 问题 的 主要 方 法 有 实 验 法 、理 论 分 析 法 和 数 值 模 拟
法 。 由于现场 试 验历 时 时 间长 、工 作 复 杂 、耗 资 巨大 ，室 内试 验 又 无 法 模 拟 实 际 工 程 中 的 应 力
场 ，而理论 分 析 中的模 型假设 、参 数设 定 对 复杂 多 变 的实际 问题 产生较 大 的误差 ，因此 ，随着计 算 机 技 术 的发展 ，数 值模 拟 法成 为研究 挤扩 支 盘桩 抗 拔
二维颗粒流 （ Ｆ ２ ）程序是通过离散单元 法来 ＰＣＤ
模拟 圆形颗粒介质 的运动及其相互作 用 。土的结构
可视为一个 由单粒 、集粒或凝块等骨架单元共 同形成 的结构体系 ，这些体系之间的连接关 系 ，嵌 固咬合状 态 、组合特征及散粒体 的强度性质 、大小影 响着材料 的应力和变形 的非线性关系 。在解决连续介质力 学 问 题时 ，除边界条件外 ，还须满足 ：平衡方程 、变形 协 调方程和本构方程 。变形协调方程保证介质 的变形连 续性 ，本构方程即物理方程 ，它表征介质应力 和应 变 的物理关系 。对于颗粒流而言 ，由于介质一 开始 就假 定为离散颗粒体 的集合 ，颗粒之间就不再有变形协 调
１０ ８ ） ０ ０ ３
摘
一
要 ：基 于颗粒 流理论 ，采 用 Ｐ Ｃ Ｄ程 序 ，研 究粘土地基 中挤 扩 支盘桩 受上拔荷 载 时，荷 载 Ｆ２
桩体位移 关 系、土体 变形破坏情 况及地基位移场分布 。结果表 明：荷载与桩体位移 变化 曲线分 为初 始弹性 阶段 、 中间塑性 阶段和破坏 阶段 ；土体破 坏产 生的滑裂面主要从 下部 支盘 的端部 沿斜上 方向地 表发展 ；土体颗粒 受影响 区域 为倒钟形 。 关键词 ：上拔荷 载；挤扩 支盘桩 ；颗粒流理论 ；Ｐ Ｃ Ｄ Ｆ２
学 分析 。
的约束条件 ，因此只需满足平衡 方程 。若某个颗粒 受 到与它接触 的周 围颗粒 的合力及合力距不等 于零 ，则 颗粒运动规律按牛顿第二定律确定。颗粒的运动不 是 自由的 ，要受到周围接触颗粒的阻力 限制 ，这种位 移
和阻力的规律就相当于物理方程。颗粒流程序在整 个
计算循 环过程中 ，交替应用力 一 移定律和牛顿运 动 位 定律 ，通过力 一位移定律更新 接触 部分 的接触力 ，通
中图分类号 ：Ｔ ４ ３ １ Ｕ ７ ．
０ 引 言
文献标 志码 ：Ａ
文章编号 ：１０ ８２ （０ １ ０ ０ １ ０ ０ ３— ８５ ２ １ ）３— ０ ３— ３
１ 颗 粒 流 理 论 及 Ｐ Ｃ Ｄ 程 序 简 介 Ｆ ２
随着城 市建 设规 模 的扩大 ，人 们 对 高层 建筑 的
间的新接触 。
本文基 于 颗粒 流理 论 ，采 用 Ｐ Ｃ Ｄ程 序 ，研 究 Ｆ２ 粘 土地基 中挤扩支盘桩受上拔荷载 时 ，荷 载与桩体 位
移关系 、土体变 形破坏 情况 、地 基 土体位 移 场分 布。 研究表 明 ，颗粒 流技术 为研究上拔荷载作 用下挤扩 支 盘桩 的抗拔特性提供 了一种新 的思路 。
机 理 的一 种 有 效 方 法 。颗 粒 流 理 论 及 其 Ｐ Ｃ Ｄ 程 Ｆ２
序 ，作 为一 种 特殊 的离散 元方 法 ，克服 了传统 连 续 介 质力 学模 型 的宏观 性假 设 ，从细 观层 面 上对 土 的 工 程特 性进 行数 值模 拟 ，并通 过细 观参 数 的研 究来 分 析宏 观力 学行 为 ，尤其 适合 土这类 散 粒 介质 的力
路 基 工 程 Ｓｂｒ ｅ ｎ ｎｅｎ ｕｇ ｄ ￣ ｅｆ ｇ ａ Ｅ ｉ
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
２ １ 年第 ３期 （ ０１ 总第 １６期 ） ５
是由圆盘单元构成 ，土颗粒之间接触模型选用 接触连结
收稿 日期 ：２ １ ０ ０ ０— ４—０ １ 基金项 目：２０ ０ ６年教育部新世纪优 秀人才支持计划 （ Ｃ Ｔ一 ６ ＮＥ ０—
０８） ０４
２ 颗粒流数值模拟上拔荷载作用下挤扩支盘桩试 验 ２ １ 方案设计 及计算 参数 的选取 ． 在颗粒 流数值模 拟试验 中 ，设计两套 数值试验方 案 ，如 图 １ 。模 型箱 宽 １ ５ｍ，高 １ ８ ｍ，由左 墙 、右 墙 、底墙 ３ 墙体 组成 ，墙 体 的法 向刚 度 ｋ 和 切 向 道 刚度 ｋ 均为 １ ０ Ｎ ｍ。方案一支盘桩长为 ６ｍ，共 ×１ ／ 两个支盘 ，方 案 二 支 盘 桩 长 为 １ ２ ｍ，共 四个 支 盘。
作者简介 ：周
喻 （９５ ，男 ，重庆人。博士研 究生 ，主要从 １８ 一）
事岩 土 工 程 数 值 计 算 仿 真 研 究 。Ｅｍ ｉ ｗ ｓ ｏ８ ＠ — ａ ： ｅ ｂｙ５ ｌ ｔ
ｓｎ Ｌ ｃ ｒ ｏ ｉ ｔ ｏ ｎ
两套方 案支盘桩直 径 ０５ｍ，支盘直 径 １５ｍ，支盘 ． ． 高 ０ ５ｍ，支盘间 距 ３０ ｍ。在 上述 给定 的墙体 范 围 ． ．
周 喻 ，等 ：上拔荷载作用下挤扩 支盘桩颗粒 流数值模 拟
・１ ３・
上 拔 荷 载作 用 下 挤 扩 支 盘 桩 颗 粒 流 数值 模 拟
周 喻 ，李 健 ，吴顺川 ，
（ ．北京科技大学土木与环境工程学 院 ，北京 １ １０ ８ ； ０ ０ ３
２ 北京科技 大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室 ，北京 ．
兴建 和地 下 空间 的开 发越来 越重 视 。水 的 浮力 、膨 胀 土 的膨 胀力 、冻 土 的冻胀 力 以及风 荷 载作 用 等引 起 的上拔 力往 往成 为导 致工 程事 故 的直 接原 因。挤 扩支 盘桩 作 为一种 由原 始等 截 面钻孔 桩发 展 而来 的 新 型桩型 … ，通 过沿 桩身 不 同位 置设 置 支盘 ，显 著
提高 了桩 的抗 拔性 能 。 目前研 究挤 扩 支 盘桩 问题 的 主要 方 法 有 实 验 法 、理 论 分 析 法 和 数 值 模 拟
法 。 由于现场 试 验历 时 时 间长 、工 作 复 杂 、耗 资 巨大 ，室 内试 验 又 无 法 模 拟 实 际 工 程 中 的 应 力
场 ，而理论 分 析 中的模 型假设 、参 数设 定 对 复杂 多 变 的实际 问题 产生较 大 的误差 ，因此 ，随着计 算 机 技 术 的发展 ，数 值模 拟 法成 为研究 挤扩 支 盘桩 抗 拔
二维颗粒流 （ Ｆ ２ ）程序是通过离散单元 法来 ＰＣＤ
模拟 圆形颗粒介质 的运动及其相互作 用 。土的结构
可视为一个 由单粒 、集粒或凝块等骨架单元共 同形成 的结构体系 ，这些体系之间的连接关 系 ，嵌 固咬合状 态 、组合特征及散粒体 的强度性质 、大小影 响着材料 的应力和变形 的非线性关系 。在解决连续介质力 学 问 题时 ，除边界条件外 ，还须满足 ：平衡方程 、变形 协 调方程和本构方程 。变形协调方程保证介质 的变形连 续性 ，本构方程即物理方程 ，它表征介质应力 和应 变 的物理关系 。对于颗粒流而言 ，由于介质一 开始 就假 定为离散颗粒体 的集合 ，颗粒之间就不再有变形协 调
１０ ８ ） ０ ０ ３
摘
一
要 ：基 于颗粒 流理论 ，采 用 Ｐ Ｃ Ｄ程 序 ，研 究粘土地基 中挤 扩 支盘桩 受上拔荷 载 时，荷 载 Ｆ２
桩体位移 关 系、土体 变形破坏情 况及地基位移场分布 。结果表 明：荷载与桩体位移 变化 曲线分 为初 始弹性 阶段 、 中间塑性 阶段和破坏 阶段 ；土体破 坏产 生的滑裂面主要从 下部 支盘 的端部 沿斜上 方向地 表发展 ；土体颗粒 受影响 区域 为倒钟形 。 关键词 ：上拔荷 载；挤扩 支盘桩 ；颗粒流理论 ；Ｐ Ｃ Ｄ Ｆ２
学 分析 。
的约束条件 ，因此只需满足平衡 方程 。若某个颗粒 受 到与它接触 的周 围颗粒 的合力及合力距不等 于零 ，则 颗粒运动规律按牛顿第二定律确定。颗粒的运动不 是 自由的 ，要受到周围接触颗粒的阻力 限制 ，这种位 移
和阻力的规律就相当于物理方程。颗粒流程序在整 个
计算循 环过程中 ，交替应用力 一 移定律和牛顿运 动 位 定律 ，通过力 一位移定律更新 接触 部分 的接触力 ，通
中图分类号 ：Ｔ ４ ３ １ Ｕ ７ ．
０ 引 言
文献标 志码 ：Ａ
文章编号 ：１０ ８２ （０ １ ０ ０ １ ０ ０ ３— ８５ ２ １ ）３— ０ ３— ３
１ 颗 粒 流 理 论 及 Ｐ Ｃ Ｄ 程 序 简 介 Ｆ ２
随着城 市建 设规 模 的扩大 ，人 们 对 高层 建筑 的