碎石桩复合地基桩土应力比的数值模拟

【摘要】以呼和浩特绕城高速公路碎石桩复合地基为工程依托，通过静载荷试验，对碎石桩复合地基的桩土应力比进行现场测试。进一步，通过建立碎石桩复合地基的数值模型，确定相同载荷试验条件下，碎石桩复合地基桩土应力比的数值计算结果，二者比较接近，说明所建立的数值计算模型是合理的。
【关键词】碎石桩；复合地基；静载荷试验；桩土应力比
【Abstract】Relied on the project of the gravel pile composite foundation in Huhhot rounding highway, the pile-soil stress ratio was tested by static load test in the field. Furthermore, the numerical result of the stress ratio in the same load condition was determined by the numerical model of the gravel pile composite foundation. The difference between the two results was tiny, and it indicated that the numerical model was reasonable.
【Key words】 Gravel pile；Composite foundation；Static load test；Pile-soil stress ratio
        1. 引言  振冲碎石桩法加固地基已成功应用于建筑、水利、、石油等行业众多工程实践中。由于国内外对振冲碎石桩法的应用均在半理论半经验的水平，因此有必要对此进行深入研究。本文通过呼和浩特绕城高速公路碎石桩处理路基的路段进行了现场原位载荷试验，并利用ABAQUS有限元软件进行了桩土应力分析。为碎石桩处理软弱地基的工程实践提供理论依据。
        2. 工程背景介绍呼和浩特绕城高速所经路段属于阴山山脉段山前冲积平原和黄河支流大黑河流域冲积平原之上，地势较为平坦。在钻探揭示的深度范围内其地层为第四系冲洪积的砂土、砂性土、粉性土。在K32+850～K34+100段，根据钻探资料，勘探深度内的地层描述如下：第①层为粉质中液限粘土：黄褐色；稍湿～湿；可塑；该层厚1米，其容许承载力［ σ0］为160KPa。第②层为粉砂层：黄褐色；饱和；松散状态，该层后3.4米，其容许承载力［ σ0］为100KPa。第③层为粉土：黄褐色；饱和；中密状态，该层厚2.1米，其容许承载力［ σ0］为180KPa。第④层粗砂、砾砂层：黄褐色；饱和；中密状态，本次勘察未穿透该层，其容许承载力［ σ0］为 260KPa。由以上地质情况可知第②层粉砂层承载力低变形大，不能满足路基承载力和沉降要求，故采用碎石桩进行了地基处理。
        3. 碎石桩载荷试验本路段碎石桩设计桩长为5m，桩径为400mm,桩间距1500mm, 面积置换m=6.4%。现场载荷试验分别采用了间接法和直接法，间接法桩和桩间土刚性承载板采用直径D=40cm和D=50cm,面积分别为0.1256m2和0.19625m2，直接法刚性承载板采用直径D=1.565m,面积为1.93495 m2。采用间接法实测结果，直接法确定复合地基承载力。

复合地基桩土应力比的实测结果，在K33+200断面用直接法做静载荷试验时，土压力盒的埋设：下面分别是在均布荷载为21KPa、50KPa、100KPa、150KPa、200KPa、250KPa、300KPa下土压力的变化情况。桩和桩间土在开始受力时，桩土应力比n最大，这说明初期荷载主要由桩来承担，随着荷载的不断增加，桩土应力比n逐渐在减小，最后趋于一个定值，桩间土承担的荷载越来越多，当趋于定值时，桩间土承载力达到完全发挥，而且桩土应力比有一个范围，它不是无限制的，既有上限也有下限，从本试验测得的结果来看，其桩土应力比n在4.54～1.74之间，在提供的承载力处，其桩土应力比n平均值为2.88。

        4. 数值模拟
        4.1二维有限元模型。本文土体塑性模型采用Drucker-Prager模型，属于摩擦型理想塑性模型，在考虑静水压力的广义Mises屈服准则或D-P屈服准则的基础下建立起来的，因此也称为广义Mises模型。在本工程中，碎石桩在软土路基中采用梅花型布置，计算采用四节点平面应变积分单元CPE4R，在水平向和竖直向上均采用变化的节点密度，对加固区的网格进行加密，而离加固区较远的网格的划分则较为稀疏。桩长为5m，水平方向上，根据体积等效原理，按照实际桩间距1.4m可计算得置换率6.4%，则所得到的桩墙的宽度为0.09m，即为桩体单元的宽度。主要模拟在载荷板下桩土共同工作的效果和桩土应力-应变关系情况，现只模拟一根桩的情况，载荷板所压的体积也按照体积等效的原则进行折算，在加固区以外，根据相关的资料，水平方向上，土体单元的宽度取4.5m，竖直方向上，土体单元的厚度取9m。
        4.2数值计算结果。为了和静载荷试验的结果进行对比，按照静载荷试验作用的荷载分级情况进行，分别为21、50、75、100、150、175、200、225、250、300、325、350KPa。
        5. 结论通过载荷试验实测的碎石桩复合地基桩土应力比，与数值模拟结果非常接近。同时，通过桩土间应力的分析结果，解释碎石桩的工作机理，得出n在4.54～1.74之间。对碎石桩处理软弱地基的工程实践具有重要的价值。
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