李善珍
摘 要:本文在路基原型的基礎(chǔ)上,運(yùn)用有限元分析軟件MIDAS/GTS,對(duì)路堤在柔性荷載作用下樁帽、樁筏式CFG樁復(fù)合地基的樁身應(yīng)力和樁頂沉降位移進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:樁筏式CFG樁復(fù)合地基的樁身應(yīng)力大于樁帽式,這表明樁筏式CFG樁復(fù)合地基的承載特性較好;就整體沉降而言,樁筏式CFG樁復(fù)合地基的樁頂沉降均小于樁帽式的情況,同時(shí)樁筏式的沉降較均勻,這表明樁筏式CFG樁復(fù)合地基能夠更好地控制地基沉降,以期為以后的工程應(yīng)用提供參考。
關(guān)鍵詞:柔性路堤;CFG樁;數(shù)值模擬;復(fù)合地基
1 概述
改革開放以來(lái),隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,高速鐵路建設(shè)規(guī)模也隨之增加。高速鐵路對(duì)路基工后沉降要求極為嚴(yán)格,為滿足此要求,CFG樁復(fù)合地基技術(shù)被廣泛使用。因此,深入研究復(fù)合地基路基結(jié)構(gòu)的受力和沉降特性對(duì)高速鐵路的設(shè)計(jì)和施工具有非常重要的指導(dǎo)意義。
目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)復(fù)合地基進(jìn)行了一系列研究:Kempton[1]運(yùn)用拉格朗日有限差分法,分別研究了二維、三維兩種情況下復(fù)合地基加固區(qū)的樁土應(yīng)力比;Poorooshasb H B[2]建立了剛性樁和柔性樁兩種有限元模型,分析了二者樁側(cè)摩阻力的變化規(guī)律;Giroud和Han[3-4](2004)對(duì)土工格柵的加筋作用進(jìn)行了系列研究,提出了張拉薄膜理論(tensioned membrane theories),分析了路堤下褥墊層厚度的設(shè)計(jì)方法;陳仁朋,賈寧等[5]通過有限元分析對(duì)樁承式加筋路堤進(jìn)行分析,得到樁頂處的應(yīng)力小于樁身最大應(yīng)力,以及樁長(zhǎng)荷載和沉降的影響規(guī)律;肖偉、王建西[6]對(duì)哈大客專海城西站 CFG 樁帽復(fù)合地基承載特性進(jìn)行數(shù)值分析。結(jié)果表明,樁帽結(jié)構(gòu)改變了地基中附加應(yīng)力分布狀態(tài),地基沉降得到了有效控制;蔡德鉤[7]通過建立三維模型,分析了軟土層模量、下臥層模量、樁間距、等對(duì)樁網(wǎng)復(fù)合地基的受力、變形特性的影響;馬建林,劉俊飛等[8-10]對(duì)京滬高速鐵路北段李窯試驗(yàn)段CFG樁網(wǎng)、樁筏復(fù)合地基的加固效果,樁、土應(yīng)力和荷載分擔(dān)比進(jìn)行了分析研究,得到如下結(jié)果:隨路堤填筑高度增加,樁土應(yīng)力比有逐漸增大的趨勢(shì);最終樁土應(yīng)力比為3.2左右;路堤中心線處的樁土應(yīng)力比最大。
由此可見,對(duì)于路堤荷載下CFG樁復(fù)合地基的研究大都是在剛性基礎(chǔ)的理論上進(jìn)行的,而對(duì)于柔性基礎(chǔ)的研究較少?;诖?,文章運(yùn)用有限元軟件,研究柔性基礎(chǔ)下樁帽、樁筏式CFG復(fù)合地基的受力和變形特點(diǎn)。
2 模型方案與參數(shù)選取
根據(jù)文章研究?jī)?nèi)容,確定如下四種模型方案:樁帽懸浮式復(fù)合地基;樁帽支撐式復(fù)合地基;樁筏懸浮式復(fù)合地基;樁筏支撐式復(fù)合地基。為更清楚地反映各模型方案的效果,以天然地基作為參考。
3 有限元模擬分析
3.1 建立幾何模型
模擬單線高速鐵路,其中路基面寬度為8.8m,基底寬度為23.8m。由于路基結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的,為簡(jiǎn)化計(jì)算取路基中心線一側(cè)的路基來(lái)建立計(jì)算模型。具體幾何模型如圖1所示。
3.2 邊界條件與網(wǎng)格劃分
本模型模研究的是平面應(yīng)變問題,由路基實(shí)際情況可確定其邊界條件:路堤頂面和地基土頂面自由;左右側(cè)面對(duì)稱約束。
結(jié)構(gòu)部位不同,所需計(jì)算精度不同,這就要求網(wǎng)格的數(shù)量也不同。在計(jì)算數(shù)據(jù)變化較大的部位(如樁、土體、墊層、筏板的接觸處),容易出現(xiàn)應(yīng)力集中,故網(wǎng)格劃分較密;在遠(yuǎn)離樁體的部位計(jì)算數(shù)據(jù)變化較小,網(wǎng)格劃分可相對(duì)較疏。
3.3 模擬施工過程
為模型實(shí)際施工過程,結(jié)合各部分參數(shù),確定了初始應(yīng)力平衡階段(自重作用下,位移清零);路堤每層填土施工階段(填土高度為1m);施工完成后,最終模擬效果如圖2示。
圖1 幾何模型 圖2 工后效果圖
4 結(jié)果分析
4.1 樁帽式CFG樁復(fù)合地基承載特性分析
(1)樁身應(yīng)力
取路堤中心線處最靠近中間一排樁中的一根樁進(jìn)行分析:
由圖3可知,樁身應(yīng)力在荷載作用下在1-3m范圍內(nèi)增大然后出現(xiàn)拐點(diǎn)減小,在5m以后樁身應(yīng)力逐漸減小,應(yīng)力的最小值出現(xiàn)在樁端處。當(dāng)?shù)谒膶勇返烫钔镣瓿蓵r(shí),樁身應(yīng)力最大值為198kPa,應(yīng)力最小值為76kPa。由圖4可知,隨著路堤填土的進(jìn)行樁身應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)拐點(diǎn)且逐漸增大,應(yīng)力峰值也有增大趨勢(shì)。
(2)樁頂沉降
樁頂沉降值取復(fù)合地基中間一排樁分析:
由圖5可知,路堤中心線處的樁頂位移最大,位移隨著離開路堤中心線距離的增大而減小,路堤填土結(jié)束后,樁頂位移的最大、最小值分別為41mm和31mm。
由圖6可知,位移變化趨勢(shì)與樁帽懸浮式大體相同,但幅度較大。另外,支撐式復(fù)合地基最后一層路堤填土施工結(jié)束時(shí)的最大位移僅為19mm,但懸浮式的位移是41mm。顯然,整體沉降支撐式復(fù)合地基的小于懸浮式復(fù)合地基的。
4.2 樁筏式CFG樁復(fù)合地基承載特性分析
(1)樁身應(yīng)力
由圖7可得,樁筏式復(fù)合地基的樁端應(yīng)力均大于樁帽懸浮式復(fù)合地基的樁端應(yīng)力,且變化趨勢(shì)大體一致;同樣可得圖8,其分布規(guī)律與樁帽支撐式復(fù)合地基類似,即樁身應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)拐點(diǎn),且最終端應(yīng)力接近樁頂應(yīng)力。
(2) 樁頂沉降
由圖9得出,路堤中心處位移與路堤中心10m處的位移差不大,變化趨勢(shì)一致且較平緩,這表明筏板的存在能使路基整體沉降比較均勻。由圖10得出,路堤填土結(jié)束后,路堤中心線周圍樁頂最大位移值是9mm,相對(duì)樁筏懸浮式復(fù)合地基沉降減少了約35%,該數(shù)據(jù)是樁端堅(jiān)硬持力層作用的結(jié)果。
4.3 樁帽、樁筏式CFG樁復(fù)合地基承載特性對(duì)比
就樁身應(yīng)力而言,隨著四個(gè)階段填筑施工的完成,樁身應(yīng)力均是增大趨勢(shì),且兩中支撐方式的變化趨勢(shì)大體一致,但樁筏在整體上大于樁帽的;而樁頂位移是樁筏的比樁帽的更為均勻。
5 結(jié)束語(yǔ)
由樁身應(yīng)力的分布可得隨著樁長(zhǎng)的增加,樁側(cè)摩阻力漸漸發(fā)揮作用,分擔(dān)了部分荷載,使得樁土成為一個(gè)整體來(lái)共同承擔(dān)荷載;樁身應(yīng)力出現(xiàn)第二個(gè)拐點(diǎn)的原因是由于,當(dāng)荷進(jìn)一步加大時(shí),樁間土由于被壓縮應(yīng)經(jīng)不能分擔(dān)所有荷載,這時(shí)樁端堅(jiān)硬持力層開始作用,因其剛度較大,樁端處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中,因此樁端附近的應(yīng)力增大;同時(shí)也顯示樁端堅(jiān)硬持力層的存在對(duì)沉降的控制有明顯效果,故建議在實(shí)際工作工程中樁端能堅(jiān)硬持力層接觸。
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