复合地基单元体的有限元分析.pdf

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第24卷第5期 2007年5月 公路交通科技 Jou丌1al of Highway and 1、籼pon乱ion Research and DeVelopment V01.24 No.5 Mav 2(】07 文章编号:1002—0268(200r7)05-0Q52一03 复合地基单元体的有限元分析 叶观宝k2,王 艳1’2,高彦斌1’2 (1.同济大学岩土工程重点实验室,上海200092;2.同济大学土木工程学院地下建筑与工程系一L海200092) 摘要:结合目前地基处理方法的优缺点,提出搅拌桩和塑料排水板联合处理的方法,即长板短桩工法,,为了对长板一 短桩工法复合地基的数值模型的合理性作探索和验证,实施了塑料排水板、长板短桩和水泥土搅拌桩试验,根据试验 参数,将整个复合地基中的某个单元体分离出来作为研究的对象,采用复合地基单元体法进行数值模拟。以现场量测 结果作为数值模型检验的依据,验证了采用复合地基单元体的有限元分析方法可以模拟搅拌桩复合地基、塑料排水板 地基以及长板短桩工法地基的固结沉降特性。模拟结果显示,不同方案的沉降值模拟与实测值曲线基本吻合,而平均 固结度的对比曲线中,长板短桩段的模拟结果最好,因此该方法更适合长板短桩工法的数值分析。 关键词:道路工程;复合地基;有限元;长板短桩;复合地基单元体法 中图分类号:U416.01 文献标识码:A NumericaI study 0f ReinforCement PnncipIe BeSed 0n D—M MethOd YE Gu嗣m—bao‘p,WANG Yanl”,GAO Y锄.binl’2 (1.脚IJabomlory of Gf埘f!(:h谪柚Engi∞ering,T0嘲i umVeIsity,ShaI唱hai 200092,cKlla; 2.跳panmem 0f eeo【echnical B慨她,Sch00l of Civil E蛔rIe商ng,Ton商i UlliVers时,sharI曲ai嬲2,Chi眦) AblsI陷cl:pM met}lod is 8 new印吣nd tI髓hIlent t001 w王lic}I c0Ⅱd如峭1m培pl勰tic drain诵tIl short cernent 111ixing method.To Validate t11e nurnerical rrlodel’s ratiollal蚵of D-M n配山0d,tests about pk西c drainage,D-M嘶m0;d and ceHlent IIlixing nle曲坩was done.Using t|le test data as calculating p昌哦叶配te糟,dle composite fbuIldation u描t method was ad叩Ied that one cell was∽panlte‘l f而m the whole composite foundation明a research object.C(,m咖ng tk field experinlent resmts,the cornposite foundation umt method was valid砒ed t11at it can be used to simmate cons0Iidation chamcteristics of ceHlem IIli】【ing met}Iod,plastic drainage and驴M method.Acco础ng to the simulation data, the semeⅡlent simulation value was basicaUy in line埘tll theⅡleasured value by diⅡ’erent method, as f打t}擀avemge concretion.the simulmion resuh of D—M method was rTlost satisfied.So tKs melhod was埘Klm吼lited to simulate【卜M me山‘)d. Key v岫rds:mad en毋neering;composite‰lnd砒inn;fin沁elernent;胪MⅡlethod;c叫lposice f妇dation urIit method 0引言 长板短桩工法是利用长的塑料排水板和短的水泥 土搅拌桩联合进行地基处理的方法,简称D—M工法。 对于复合地基的数值计算分析应当是计算机技术、数 值方法和地基基础工程基本理论三者研究成果的结 晶。针对各类复合地基的承载力和沉降计算,国内外 学者都提出一些新的计算方法,对于这些方法的验证 工作不容忽视。本文在工程试验的基础上进行数值模 拟,对比分析塑料排水板、水泥土搅拌桩及二者联合 处理的效果。 1工程地质概况 试验路段位于淮盐高速公路盐城段第十四合同段 K97+461一I97+561,根据岩土工程勘察结果,试验 段浅层天然地基的基本特性可归纳如下: 试验段场地在21.5 n·深度范围内的地基土属于 第四系泻湖相沉积,分布比较稳定,主要由饱和粘性 土、粉性土以及砂土组成,一般具有成层分布特点, 按其成因类型、土层结构及其工程特征,大致可以划 收稿日期:2005一llH08 基金项目:上海市重点学科(岩土工程)资助项目(沪教科[2001]44号);江苏省交通厅科研资助项目(03Y0∞) 作者简介:叶观宝(1964一),男,安徽歙县人,教授,博士生导师,从事岩土加固与原位测试技术研究.(ye斟anba0@啷.cinz.nel) 万方数据 第4期 叶观宝,等:复合地基单元体的有限元分析 53 分为5个层次。 第①层(Ⅱ;:;)粉质粘土、粘土:褐黄~灰黄 色,可塑,湿~饱和,含铁锈斑点,在本场地东部和 部分回填区底部均有分布,厚0.O~2.1 m。本层地表 为褐灰色耕植土层,根系比较发育,软塑~硬塑。 第②层(Vj::)淤泥质粉质粘土或粘土:灰色, 饱和,软塑~流塑,具有薄层粉细砂层理,厚3.4。 5.8一n,呈东薄西厚的趋势。 第③层(Ⅱ;”一1)粉细砂与粘土互层:灰色, 土质不均,在本场地连续分布,厚O.5~4.1 m,呈由 西向东逐渐变薄的趋势。 第④层(V;::)淤泥质粘土:灰色,饱和,软 塑一流塑,层中夹10—20 cm厚的粉细砂薄层。该层 厚5.9~7.3 m,层位稳定。 第⑤层(Ⅱ;”一2)砂质粉土:灰色,土质不 均,饱和,稍密~中密,具水平层理。本层与以上土 层的工程性能具有明显差别,在本次勘察中,钻孑L未 穿透该层。 试验段共分成4个段落,从东到西依次为:塑料 排水板处理段、长板短桩B段、长板短桩A段和水 泥土搅拌桩段。各段的处理方法如表l所示。 表l试验段各分段处理方法 T钮b.1 Method of gro岫d tre砒Hlent in each experirr七m secti衄 甥料排水板处理段长板短桩B段 长顿短桩A段水泥土搅拌桩段 采用靼料排水板 处理,板{丈为17 m,间距为1.2 m, 梅花形布置。路 堤底部用塑料排 水板加固。 用水泥土搅 桩处理,桩长 17.5 m,间距 1.2 m,梅花 布置。 路堤顶面宽度为28 m,底面宽度为44 m,坡度为 l:1.5,采用分级填土方式,共分18层填,每层厚度为 0.3 m。填土自2003年10月18日开始,至2004年8 月2日完成,共填土5。4 m,然后进入预压阶段,直至 12月20日路堤沉降基本达到稳定。 2复合地基的数值模拟分析 2.1 荷载 图l为填土历时曲线,本次数值模拟在模拟路堤 填土时共分6个阶段,填土重度为20.o kN/m3,填土的 变形模量为12 MPa,泊松比为0.35。 第1阶段:从开始至78 d,此阶段填土1.5 m,历时 78 d,模拟成荷载线性增加过程;第2阶段:78~140 d, 维持填土高度1.5 m不变;第3阶段:140一187d,此阶 段填土1.5 m,历时47 d,模拟成荷载线性增加过程;第 E 趟 幄 。 塔 图1填土历时曲线(即模拟所采用的荷载历程) ng.1 fkl()ading pD0cess(i.e.10ading application IⅡncess used in tIle simulation) 4阶段:187—244 d,此阶段填土O.6 Hl,历时57 d,模拟 成荷载线性增加过程;第5阶段:244~306 d,此阶段填 土1.8 m,历时62 d,模拟成荷载线性增加过程;第6阶 段:306~436 d,此阶段维持填土高度5.4 m不变。 2.2计算参数 各个段落的地质资料及计算所采用的参数如表2 所示。 表2斌验段地质资料 7IIab.2 Geo蛔cal data of expeIirnem section层号砉霖隶意麓耋麓需鸶 鼹右霖蒙装篓差墨嚣蓑鬟嚣鬻薹蕊稀:芍 。 粉质黏 1土、黏土 淤泥质粉 2质黏土、 淤泥 3粉质砂土 淤泥质粉 4质黏土、 淤泥 5粉质黏土18.4 19.0 19.3 18.7 3.3 7.95×10—4 6粉质砂土25.8 26.2 26.3 26.o 9,9 0.I 7 7景翌 未揭穿 7.5 3.92×lo一4 2.3有限元模型 各种地基处理方案下的有限元数值计算方法均采 用单元体的方法。这种方法也是国内外常用的一种复 合地基数值计算方法,将整个复合地基中的某个单元 体分离出来作为研究的对象。对于本课题中的不同处 理方案,这些单元体分别为搅拌桩复合单元体,塑料 排水板复合单元体和搅拌桩一塑料排水板复合单元体。 所有方案的边界条件相同。底边界为竖向支撑,对称 轴和右边界为水平支撑,地基表面为自由边界。在对 塑料排水板的处理中,考虑了涂抹效应对径向渗流的 影响。桩的本构模型为线弹性本构模型,土的本构模 型为非线性弹性本构模型。 搅水桩长¨省一一~一一一删蚓处m涧眺胁耙合。队梅搅水桩长¨曙一~~一一一蒯蚓处m涧陇 肋利合o m梅 万方数据 54 公路交通科技 排水边界 搅拌桩 .、恂I古l定 位移边界 “ 图2搅拌桩复合地基 图3桩+排水板+土 白限元模犁 有限元模璎 Fi譬.2 }’EM m(Ⅱkl¨f'(·f,me nl ng.3 FEM nmdel(Jf mixing pile composite fbull(1athl pile—PV驴s(Jil 2.4模拟结果 模拟结果见图4~图1l所示。 刚间/d 0() 一u.2 姜 ‘014 冀10,s —O_8 一I O .1 2 图4塑料排水板段路堤中心沉降曲线 Hg.4 central sememem 0f PVD experinlent section 0() 一(1I 一(}.2 萄一()3 篷-()4 .()5 .()^ 一【).7 时闻,d 100 0 图6长板短桩B段路堤中心沉降曲线 ng.6 Cfmtml settle r】_1ent t)f I)_M B ex一打m∞t sfx凭ion 80 60 40 20 0 O 第24卷 |_f问/d 图5迥料排水板段地耩、F均固2,S憷蚴线 Fig.5 Avfjragc(:()nsoIiflafion deg肿e(1f PVl)t’xlxlljmpnI stl(。Ii(’n 从以上数值模型模拟的结果看,塑料排水板处理 段、水泥土搅拌桩段、长板短桩A段和长板短桩B 段的路基中心沉降和平均固结度实测值与模型计算值 比较接近。不同方案对平均固结度的模拟值都稍微偏 大,而长板短桩A段的模拟结果最好。说明本构模 型的选择和模型参数的取值是基本正确的。将长板短 桩的曲线与塑料排水板比较,设置搅拌桩后,不仅总 沉降量会大大减小,而且,固结速率也会大幅度的提 高。其原因是搅拌桩复合地基刚度要比天然地基的刚 度大很多。与水泥土搅拌桩相比,排水路径缩短,固 结沉降加快。因此,采用复合地基单元体的有限元分 析方法可以模拟地基固结沉降特性,更适合于分析长 桶锕林T法每合地基. E\ 茁 蜡 赠 () 50 I()(J 5(】2(}0 250 30()3504()()45() I时间/d 时间/d 图7长板短桩B段地基平均固结度曲线 图8 长板短桩A段路堤中心沉降曲线 Ii’ig.7 Average consolidation degree of D—M B Fig.8 Ccntml sctflcmPnt ol n—M A E 茁 世 赠 ¨t问/d 图9长板短桩A段地基平均固结度 Rg.9 A、『erage consolidation deg【℃e of驴M A experirnent section exr沱nment stx:tlon 时间/d exI×÷T1nlent s“:tIon 水泥土搅拌桩段路堤中心沉降 图n Kg.10 Centr寸settlenlent of CMM e碍)eIimem secl:ion 时问/d 水泥土搅拌桩段地基平均固结度 Rg.11 Average consoliadtion degree 0f CMM experiment sectinn (下转第58页) ∞ ㈨ ∞ 删 孙 。 誉\莓『躲日露睁 0●2 3 4 5 6 7 8 O m砌曲坩m∞加m 享\越好匪霹牛 孚\髓螺丑嚣牛 m m ¨ ∞ 巧 如m o m 气; m m m酊 0 8 6 4 ,一 芋\趟姆匿霹牛 万方数据 58 公路交通科技 :J:织物对路基体内的孔隙水压力的发展影响不大。若 要加快孔压的消散,可以联合使用土工织物和塑料排水 板,并把土工织物置于一定厚度的砂垫层中。 擦作用的大小取决于作用点处正应力的高低。因此, 为了更好地发挥土工织物的加同效果,:L。I:织物应塔 量布置在高应力区域。同时,仅铺没土】:织物对路堤 体内孑L隙水压力影响不大。若要加快孔压的消散,可 以联合使用土工织物和塑料排水板进行处理。 参考文献: [1] 罗志强.填海造陆区路基工程的发计与施工[J].公路,2()() (10):124一128. 图9填筑至4 m时路躯体内的超静水JK力分布 究【J1.公路交通和技,2002,19(5):8一l(). Fig.9 Distril肌i()n(Ji the excess时(h'ostati(:p.essL∽i“ [3] 戴莹.加筋土基础分析与波计f J].公路,2(脚(】):59—63, the sullgrade when enll_)ankment is 4 m height [4] 赵维炳,雷囤辉,陈永辉,等.士工织物加筋与塑料板排水联 3结论 (3):6I一65. (1)土工织物对路堤体鬯塑降等粤线的形状影响 b 3纛裟+篓需裟攀憔研究¨。’蜘锹不大,但相应等值线上的数值有所变小,即土工织物 [6] (;B5029∽8,土工合成材料应用技术规范[s]. 能够减小路堤体内沉降的发展。同时,由于土工织物 [7] R()WE R K,soDERMAN K L.An app汹。t。。。th()d n。。。ti。。ti。g 的加固作用使路堤体内的沉降速率场数值上变小,分 the stability of geo㈨ile—rein{i,rced一妇lknlmts【J J.也m“{i” 布上更趋于均匀。 (矾ec}111ical J0uma【,1985,22(3):392—398· (2)土工织物对减小侧向位移有较大的作用,其 [8]w00DS R 1’?EWELL R A·A。。“删k。de5i印“mod h崩嘤4 可以使侧向位移减小15%。25%。土工织物弱化了 竺吼芸”‘31_‰“6k”1嘶“…6…“,’990’9‘班 路堤与地基之间塑性区的连接与贯通,并使塑性应变 f91 BER《;ADo D T。LoNG P v,LEE(:H,以趔.Ped确。…f。m。{ 的数值和塑性分布的区域均有所减小,从而增强了路ernbmlkIl—t on舳ft B“出ok cla)“thhigh—su℃ngth刚extile reinf0一 堤的稳定性。加筋处理后,路堤的稳定性可提高 删[J]·(两嘲iles and‰wnenl}'r肌%1994,13:403—420· 20%以上。 [10]PA删E1RA E M,PERElRA J H F,51‘Ⅳ4 1’-B∞。analy∞s(“垮㈣yn’ (3)土工织物在靠近路堤中部范围内发挥的作用 篆。::=。烹烹尝,:篓“ik¨J‘‰。“1“k一…“ 比较大,而在靠近路堤坡脚处的轴力大大减小。土工 [11]朱湘,黄晓明,邓学钧.土工格栅加筋路堤机理研究….公 织物是通过与土体之间的摩擦来发挥作用的,这种摩 路交通科技,2()00,17(1):】一4. (上接第54页) 国建筑工业出版社,1994. 3 结论 公路交通科技,2005,22(4):23—26. [2] 叶观宝,汤竞,等.利用孔压静探估算粘.£的土性参数[J]. (1)采用复合地基单元体的有限元分析方法可以 [3] 韩煊,李宁.复合地基设计理论的数值试验研究….勘察科 模拟搅拌桩复合地基、塑料排水板地基以及长板短桩 学技术,2000(3):3—1 2’ .,.复合地基的固磊沉降特也是长板短桩工法数值分析 H1 喜孝辈是鋈警慧譬篙篙等降分析及控制¨卜 的一种有效方法。 [5] 陈晓平,邢仲星.复台地基中桩上应力数值分析[J].工业建 (2)在长板短桩工法中,短桩的设置不仅可以提 筑,200l,3l(11):5—8. 高路基的整体稳定性,还可以加速复合层和固结层的 [6] 李宁.桩复合地基加固机理数值试验研究… 岩L..力学, 固结速率。尤其是在加固层中设置了排水板之后,复 1999,20(4):42—49· 合层的固结速率将进一步』)Ⅱ饿 n1鬈喜赫淼警罢蔗凳恭篱:雀舅学猷j (3)在长板短桩工法模拟计算中,合理设置竖向 [8] 杨涛.柔性基础,FJ复合地基下卧层沉降特性的数值分析…. 排水体和桩长,是模拟结果正确与否的关键。 岩土力学,2003,24(1):53—56. 参考文献: 万方数据
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