沉桩过程中钙质砂颗粒破碎特性模拟研究

获得规律性的结果，假设地基土为横观各向同性， 沉桩采用的桩体为圆柱形，数值模型简化为二维半 模型。用 PFC2D 模拟真实的沉桩过程，由于原型中 颗粒数量巨大，计算机难以实现，故参考江浩等[1] 针对钙质砂所做的模型桩试验，相似比例为 1:30， 模型尺寸选为 0.35 m×0.9 m，管桩半径为 30 mm， 壁厚为 6 mm，桩长为 0.60 m，颗粒粒径最大为 4.2 mm，最小为 2.1 mm，颗粒半径服从[0，1]分布。
f
簇粒 2.8 4.2 2.1 3.0×108 3.0×108 0.2×106 0.1×106 0.5
聚粒 2.8 4.2 2.1 3.0×108 3.0×108
0.5
管桩 2.9
5.0×109 5.0×109
0.2
注： 为颗粒密度；dmax、dmin 分别为最大、最小粒径；kn、ks 分别为法 向和切向刚度；n_bond、s_bond 分别为法向、切向黏结力；f 为摩擦系数。
1引言
过去几十年里，钙质砂地层中海洋石油平台桩 基工程技术在海洋工程中的应用一直面临重大挑 战。工程实践证明，由于钙质砂颗粒强度低、易破 碎的固有特性，从其他地基材料的桩基工程中获得 的传统经验无法适用于钙质砂地层。由于试验条件 及成本的限制，钙质砂中与大型现场桩基试验相关 的文献尚未见报道，而目前室内模型试验也仅在桩 的承载力及变形性状方面开展了研究[1－2]。钙质砂 表现出的特殊工程性质主要源于受力后砂粒易于破 碎，而目前很难通过试验来研究桩基贯入过程中地
研究时，根据双轴试验与室内三轴试验[22]对比 分析来确定土的细观物理力学参数。模拟发现，一 组细观参数难以满足全部围压情况下的应力-应变 条件，本文选择模拟与试验结果最为接近的微观参 数如表 1 所示。管桩采用聚粒模拟，在沉桩过程中 不可破碎，同时参考周健等的工作[9－11]，桩体刚度 不小于土体颗粒的 10 倍，最终确定桩体的具体参数 见表 1，其中簇粒为模拟的钙质砂颗粒，聚粒为与 之对比的不可破碎颗粒。
monitoring circle in foundation
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岩土力学
Biblioteka Baidu
2015 年
在颗粒替换完成后，进行自重平衡循环，以消 除模型内部的不平衡力，从而达到所需要的初始应 力状态。为保证应力测量的准确性，尽可能使监测 圆内的颗粒不少于 70 个，将监测圆的半径取为 15 mm。监测圆主要监测桩侧颗粒受力，并在桩周 附近适当加密，监测圆的总数为 483 个。初始应力 场和监测圆布置如图 2(b)所示。
明，钙质砂试样块状和纺锤状颗粒的含量在 90%以 上，片状和枝状颗粒较少。由于颗粒形状差异不大， 本文未考虑颗粒形状的影响。图 1 为颗粒形状及等 效替换示意图。本次模拟采用 7 个单位厚度的圆盘， 按一定的规律组合并给予一定的黏结强度来模拟钙 质砂颗粒，如图 1(b)所示。圆盘之间采用接触黏结 模型，每个簇粒由 12 个黏结键黏结，当其所受的力 大于其黏结强度时，则黏结键断裂，表示颗粒发生 了破坏，在两圆盘接触处垂直于黏结键的方向作条 短线表示该处发生了颗粒破碎。作为对比的颗粒采 用同样形状的聚粒进行替换，其内部不受力，颗粒 形状如图 1(c)所示。
表 1 土体和桩体的颗粒模型参数
Table 1 Meso-parameters of numerical model for
sand soil and pipe pile
颗粒
dmax dmin
kn
ks
类型 /(g/cm3) /mm /mm /(N/m) /(N/m)
n_bond /N
s_bond /N
目前，考虑颗粒破碎的方法主要有两种，一种 是将更细小的颗粒黏结为一个多孔隙的颗粒集合 体，黏结键的断裂代表了颗粒破碎的发生[17－18]；另 一种方式是采用预先定义好的破坏标准，对颗粒进 行等价替换来表现颗粒破碎情况[19－20]。Lobo 等[19－20] 基于第 2 种方式，采用简化的抗拉破坏准则模拟了 打入桩桩周颗粒材料的破碎现象，此后又分析了桩 型、桩-桩相互作用对颗粒破碎的影响。
本文基于第 1 种考虑颗粒破碎的方式，采用接 触黏结模型模拟颗粒单元内部微弱的黏结力，7 个 圆盘按一定关系组合成簇粒来模拟易破碎的钙质砂 颗粒，同样形状的圆盘集合设置为聚粒模拟无颗粒 破碎的地基土，将两者进行对比研究颗粒破碎对沉 桩的影响。
2 颗粒流模型的建立
2.1 颗粒形状选择 陈海洋等[21]研究了钙质砂颗粒的形状，分析表
(a) 单个颗粒 (b) 等效的簇粒单元 (c) 等效的聚粒单元
图 1 颗粒形状 Fig.1 Particle shapes
2.2 参数选取 为了研究钙质砂中颗粒破碎对挤土桩的影响而
管桩
监测圆
0.35 m
(a) 初始地基模型
(b) 初始应力场和监测圆布置
图 2 初始地基模型与监测圆布置图 Fig.2 Initial model of soil foundation and layout of
基土产生的颗粒破碎。因此，从细观角度开展相关 方面的模拟研究就显得特别重要。
近年来，粗粒料被广泛应用于水利、港口、交 通等岩土工程建设中，颗粒破碎现象及由此引发的 一系列工程问题越来越引起岩土工程研究者的重 视。国内外研究者针对颗粒破碎做了大量的研究工 作，但关注点主要集中在颗粒破碎的影响因素与破 碎度量指标上[3－6]。
桩体是由一定排列方式的圆盘组合为不可变形 破坏的颗粒集合，通过不同的组合方式表示不同的 桩型。开口靴管桩的管靴长度取为 25 mm。通过在 桩体顶端施加恒定的力，来模拟挤土桩的沉桩过程。
3 颗粒破碎过程分析
颗粒流数值模拟再现了挤土桩沉桩过程中钙质 砂地基土的颗粒破碎发展情况，图 3 为钙质砂地基 土中闭口管桩压入过程中颗粒位移发展和颗粒破碎 情况。图 3(a)为累积位移分布图，图 3(b)为颗粒破 碎情况图。压桩初期，地基土在桩端压力的作用下
桩底应力急剧增加，当应力超过颗粒本身的强度 后，开始出现少量的颗粒破碎，颗粒重新调整，此 时桩的贯入阻力主要由桩端阻力构成。沉桩至深度 0.05 m 时桩底颗粒破碎强于桩侧，桩端少量颗粒发 生明显的位移。随着压桩的深入，桩侧土体颗粒受 到桩侧的挤压和摩擦，逐渐开始承担一部分力，桩 侧部分颗粒开始发生破碎，破碎范围逐渐增加。沉 桩至深度 0.1 m 时桩底颗粒破碎范围进一步扩大， 而桩侧部位也有所增加，以桩端部为中心颗粒位移 增加，沉桩至深度 0.3 m 时桩底颗粒破碎范围有扩 散趋势，随着沉桩的进行，扩散特征越明显。从图 3(b)中可以看出，桩底颗粒破碎最严重，受力最大， 桩侧颗粒破碎相对较少，桩顶处颗粒破碎情况最弱， 破碎范围类似水滴状，主要是由于从桩顶到桩底， 颗粒移动空间受限，且地层应力增大，排土过程中 颗粒在运动相同距离时受到的力也越大，颗粒破碎 也就更严重。
粗粒土由于其散体特性，本构关系本身就复杂， 颗粒破碎无疑进一步增加了其复杂性。采用现场或 室内试验，不仅对仪器要求高，而且其成本也高， 导致有些试验根本无法完成。随着计算机功能的不
收稿日期：2013-08-07 基金项目：国家自然科学基金资助项目(No. 41002104)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(No. CUG120112)；2013 年中国地质大学（武汉） 教学实验室开放基金资助项目。 第一作者简介：张家铭，男，1976 年生，博士，副教授，主要从事海洋土力学等方面的教学与研究工作。E-mail: zjmnm@163.com
第1期
张家铭等：沉桩过程中钙质砂颗粒破碎特性模拟研究
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断增强，从细观角度辅助颗粒破碎的研究成为可能。 颗粒流作为一种简化的离散单元法，克服了传统连 续力学的宏观连续性假设，对粗粒土的模拟具有特 殊的优势。近年来，国内外运用离散元法对诸如颗 粒破碎的模拟[7]、沉桩过程[8－11]、室内试验[12－14]、 原位测试[15－16]等问题进行了研究。
摘 要：基于二维离散单元法，对沉桩过程中钙质砂颗粒破碎情况进行了模拟。采用簇粒来模拟易破碎的钙质砂颗粒，并用
形状与变形特性相同的聚粒单元来模拟不可破碎颗粒，对这两种单元特性进行对比，分析不同桩型的沉桩过程、桩周土体的
力学响应、沉桩过程中钙质砂的颗粒破碎现象。结果表明：破碎颗粒将引起桩侧土体级配的重新调整，与桩体接触好于不可
破碎土体；桩处于颗粒破碎的钙质砂中，其沉桩速度较快，对地基土扰动小于未发生颗粒破碎的情况；对于不同桩型、不同
土层，桩体压入过程中，桩周土体应力场分布具有相似性；靠近桩端附近，土中水平应力和竖向应力急剧增大，形成应力核；
同等条件下发生颗粒破碎的钙质砂地基土中，桩端应力峰值高于不可破碎土体。
关 键 词：钙质砂；挤土桩；颗粒破碎；离散元法；细观分析
第 36 卷第 1 期 2015 年 1 月
DOI：10.16285/j.rsm.2015.01.037
岩土力学 Rock and Soil Mechanics
Vol.36 No. 1 Jan. 2015
沉桩过程中钙质砂颗粒破碎特性模拟研究
张家铭，邵晓泉，王霄龙，胡舫瑞，左鸿鹏
（中国地质大学（武汉）工程学院，湖北 武汉 430071）
2.3 模型的建立 采用切向和法向刚度均为 5.0×109 N/m 的四面
墙体模拟边界条件，在较小的范围内随机生成地基 土原始颗粒，再通过 FISH 语言编程读取当前颗粒 的坐标及半径信息，对其进行等效的簇粒或聚粒颗 粒替换，得到相应孔隙率的地基土，模型及局部放 大如图 2(a)所示。
0.6 m
0.9 m
中图分类号：TU 473
文献标识码：A
文章编号：1000－7598 (2015) 01－0272－07
Discrete element simulation of crushing behavior of calcareous sands during pile jacking
ZHANG Jia-ming，SHAO Xiao-quan，WANG Xiao-long，HU Fang-rui，ZUO Hong-peng
（Faculty of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan, Hubei 430074, China）
Abstract: Based on two-dimensional discrete element method, this paper simulates the calcareous sand particle of easily-crushed feature as a cluster cell. It uses the clump cells with the same shape and deformation characteristics to simulate the particles without crushing. The jacking processes for different types of pipe piles are simulated with the model to analyze the meso-mechanical behaviors and breakages of the calcareous sands. The results show that the particle breakage can cause the gradation readjustment, resulting in a better contact between the particle and the pile. The driving speed in calcareous sands is relatively fast. There is a smaller disturbance to the foundation soil. The stress field around the pile has the same tendency. The stresses near the pile tip increase dramatically and result in the formation of the stress nucleus. Under the same surrounding conditions, the horizontal and vertical stresses of crushable calcareous sands are obviously greater than those of the unbroken soil. Key words: calcareous sands; soil compaction pile; grain breakage; discrete element method (DEM); meso-scopic analysis