U型槽下振冲碎石桩联合抗拔桩数值仿真分析_李齐.pdf

第 18 卷增刊 2地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol.182022 年 12 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringDec.2022U 型槽下振冲碎石桩联合抗拔桩数值仿真分析李齐1,陈东霞1,2(1.厦门大学 建筑与土木工程学院,福建 厦门 361005;2.厦门市交通基础设施智能管养工程技术研究中心,福建 厦门 361005)摘要:为研究某沿海下穿道路工程 U 型槽结构下碎石桩联合抗拔桩的抗浮效果,采用有限元软件 ABAQUS 建模,先分析振冲碎石桩对桩周土的挤土效应,将此振密挤密效果应用于抗拔桩侧阻力以及 U 型槽整体抗浮效果数值模拟分析中,结果表明:振冲碎石桩在单桩模型中桩周 0.5 m 范围以内挤土效应最强,桩周土体位移可达 0.2 m,在群桩模型中桩周土体弹性模量能够得到较大的增强;与碎石桩实测荷载沉降曲线对比发现,数值模拟中采用初始桩半径0.2 m,膨胀位移 0.2 m 的参数设置能客观反映碎石桩挤密效应;整体模型数值模拟证实高水位砂性地层中振冲碎石桩联合抗拔桩的设计对 U 型槽抗浮效果最佳。结合规范中抗浮和沉降要求,U 型槽底板的合理厚度宜为 1.2 m。关键词:振密挤密;抗浮效果;数值模拟;侧摩阻力中图分类号:TU43文献标识码:A文章编号:1673-0836(2022)增 2-0743-09Numerical Simulation Analysis on Vibroflotation Gravel Pile Combined with Uplift Piles under U-GrooveLi Qi1,Chen Dongxia1,2(1.Department of Civil Engineering,Xiamen University,Xiamen,Fujian 361005,P.R.China;2.Xiamen Engineering Technology Center for Intelligent Maintenance of Infrastructure,Xiamen,Fujian 361005,P.R.China)Abstract:In order to study the anti-floating effect of Vibroflotation Gravel Pile(VGP)combined with uplift pile under U-groove structure of a coastal underpass road project,the finite element software ABAQUS is used to analyze the soil compaction effect of VGP on the soil around the pile,and the vibroflotation compaction effect is applied to the numerical simulation analysis of lateral resistance of uplift pile and overall anti-floating effect of U-groove.The results show that the soil squeezing effect of VGP is the strongest within 0.5 m around the pile in the single pile model,and the displacement of soil around the pile can reach 0.2 m.In the pile group model,the elastic modulus of soil around the pile can be greatly enhanced.Compared with the measured load settlement curve of VGP,it is found that the parameter setting of initial pile radius of 0.2 m and expansion displacement of 0.2 m can objectively reflect the compaction effect of VGP.The numerical simulation of the overall model shows that the design of VGP combined with uplift pile in high water level sandy stratum has the best anti-floating effect on the U-shaped groove.Combined with anti-floating and the settlement requirements from the code,the appropriate thickness of the bottom plate is 1.2 m.Keywords:vibration and compaction;anti-floating effect;numerical simulation;side friction收稿日期:2022-04-22(修改稿)作者简介:李齐(1996),男,江西宜春人,硕士生,主要从事隧道与地下工程方面研究。E-mail:1342591797 基金项目:福建省自然科学基金(2021J01010,2021J02003)0引言在现代化城市道路建设进程中,封闭式路堑 U型槽结构的变形小、刚度大,且具有防止路面下沉、开裂和防水效果优良等优势,被广泛应用于下穿通道的建设1。地下通道多位于地表以下。高地下水位下砂性地层中 U 型槽结构的设计常常需要考虑抗震液化。抗液化不满足要求时可采用振冲碎石桩进行地基处理。振冲碎石桩的挤土效应可使土体变得密实,提高地基土的抗液化性能2。此外,高水位下结构抗浮的稳定性通常也是 U 型槽结构设计的重要环节之一。目前有学者采用有限元软件 PLAXIS 2D,利用“空腔膨胀技术”分析振冲碎石桩的打入对桩周土振密挤密效果。Guetif 等3模拟了振动压实技术的影响范围,估算了振冲碎石桩对改良土杨氏模量的影响;McCabe4进一步分析了振冲碎石桩的打入方式对桩周土隆起体积和隆起范围的影响,并推导了土体刚度随桩长的变化;Sexton 等5研究了考虑土体蠕变时振冲碎石桩的打入对桩周土性质的影响,并引入了主沉降和总沉降修正系数计算地基沉降;Ammari 等6利用 PLAXIS 2D 分析单桩、双桩的打入过程对桩周土体刚度的影响,并将此规律应用于 PLAXIS 3D 的建模中,与实际工程中群桩效应下振冲碎石桩的沉降进行对比,论证了数值模拟的合理性。高水位砂性地层中仅靠 U 型槽自身的重力难以满足抗浮要求,通常还需设置抗拔桩。在抗拔桩方面,有学者7用有限元软件 ABAQUS 中建立了桩土非线性模型,比较了单桩与群桩下抗拔桩的侧摩阻力,发现在相同的上拔荷载作用下,单桩的侧摩阻力高于群桩的侧摩阻力,群桩中桩距大的桩侧摩阻力大;Das8通过室内松砂和密砂在上拔荷载下的群桩模型试验,发现在密砂中群桩效应系数随桩间距的增加而线性增加,且对于任意群桩布置方案密砂中的群桩效应系数均低于松砂的群桩效应系数;于丹等9用有限差分软件 FLAC 3D 对理想加载条件下的静载荷试验进行数值模拟,发现桩侧摩阻力分布呈“两头小,中间大”,且上拔荷载越大,桩侧摩阻力发挥得越充分;吴江斌等10开展了等截面、扩底和桩侧注浆 3 种桩型抗拔桩的现场足尺试验和数值模拟分析,比较了低、中、高 3 种荷载水平下不同桩型的侧阻力发挥特性,与规范值和实测值进行对比,获得不同桩型下的荷载传递特性;王涛等11采用综合系数法,将几种不同侧摩阻力概化模式分解为基本矩形和三角形两种形式,计算抗拔桩的桩身压缩量;刘畅等12研究了深基坑开挖条件下不同桩长、桩径、开挖深度、开挖半径对抗拔桩单桩承载力的影响。以上研究分别针对振冲碎石桩的挤土效应以及抗拔桩侧阻力的发挥研究,未涉及振冲碎石桩联合抗拔桩下抗拔桩侧阻力发挥规律的研究,更未对振冲碎石桩联合抗拔桩对结构抗浮性能展开研究。本文基于某沿海道路工程中 U 型槽结构下的振冲碎石桩联合抗拔桩的设计,采用 ABAQUS 建模分析振冲碎石桩的打入过程对桩周土的振密挤密效果,研究其挤土效应影响下抗拔桩荷载传递规律,探讨振冲碎石桩联合抗拔桩对高水位下 U 型槽结构抗浮性能的影响,为今后同类工程提供指导。1工程概况1.1场地地质条件某海湾大道工程项目紧靠泉州湾,受海水潮汐影响,地下水位变动频繁。拟建场地抗震设防烈度为 7 度,设计基本地震加速度值为 0.15 g,场地20 m 深度范围内存在饱和砂土,可能发生液化。在振冲碎石桩挤土效应的分析时,选取 K5+359.5K5+414.5 标段的三根振冲碎石桩对其打入过程进行数值模拟,碎石桩所处标段的地层分布如图 1所示,穿越的土层分别为填砂、中砂、粉质黏土;在抗拔桩侧阻力和振冲碎石桩联合抗拔桩对 U型槽抗浮特性的研究时,选取最不利的 K7+486标段 U 型槽作为研究对象,该标段 U 型槽断面如图 2 所示,每个断面设有 8 根振冲碎石桩和 4 根抗拔桩。图 1振冲碎石桩区域地层分布Fig.1Stratum distribution of vibroflotation gravel pile area447地 下 空 间 与 工 程 学 报第 18 卷图 2K7+486 处 U 型槽断面图Fig.2Section of U-groove at K7+486U 形槽底板底标高-4 m,南北侧两墙墙顶标高 7 m,现状地面高程 6 m。由于场地内主要为高水位砂性地基,同时考虑结构部分位置埋深较深,不能满足结构抗浮的需要,设计采用振冲碎石桩+抗拔桩的地基处理方式。1.2有限元模型建立采用 ABAQUS 软件建模分析,对于振冲碎石桩挤土效应分析的有限元计算模型及其网格划分如图 3 所示;对 U 型槽、抗拔桩、碎石桩联合抗浮分析 的 整 体 模 型:U 型 槽 墙 顶 到 墙 底 高 度 为9.5 m,底板厚度为 1.5 m,U 型槽横断面总长度为35 m。地基土自上而下分为 6 层,土层参数及模型参数如表 1 所示。整体模型网格划分如图 4 所示。U 型槽和碎石桩选用线弹性本构模型,碎石桩和土体采用 Mohr-coulomb 本构模型。网格划分时,靠近桩体部分网格采取加密处理。考虑到渗流的作用,对于土体和碎石桩采取CPE4P(孔隙流体应力单元),对于抗拔桩与土体采取 CPE4(平面应变单元)。模型中的桩 土、U表 1整体模型参数Table 1Overall model parameters土层层厚h/m重度/(kNm-3)变形参数/MPa黏聚力c/kPa内摩擦角/()渗透系数Ks/(cms-1)杂填土5.117.5Es=3.714.4312.54.710-2中砂10.118.5Es=5.52.0028.01.910-2粉质黏土2.219.0Es=5.523.5717.25.310-4残积砂质粘性土4.319.0Es=5.819.7922.25.310-4砂土状强风化花岗岩2.021.0Es=5.820.0028.02.510-2中风化花岗岩7.125.0/3.010-3填砂18.5Es=5.31.9827.21.810-2U 型槽25.0E0=3.25104/碎石桩20.0E0=21.3033.01.010-4抗拔桩20.0E0=3.15104/注:土体的变形参数为压缩模量 Es,U 型槽、碎石桩、抗拔桩的变形参数为弹性模量 E0。图 3碎石桩挤密效应模型示意图Fig.3Schematic