基于离散元颗粒接触模型的桩...合地基土体力学改良影响研究_管鸣睿.pdf

DOI:10 19807/j cnki DXS 2023 03 049基于离散元颗粒接触模型的桩网复合地基土体力学改良影响研究管鸣睿(天津市勘察设计院集团有限公司，天津 300000)摘要为探讨保定环城水系东南段泵闸工程封装桩复合地基土体力学改良影响，采用离散元颗粒线性接触模型进行模拟计算，分析了复合土体三轴力学影响特征。研究表明，土工织物厚度对复合土体承载应力促进作用具有上限，当厚度超过 0 08 mm 后承载应力的提升较小，土工织物的存在，会改变复合土体应变弹 延塑性主导特征。封装料空隙率愈大，复合土体承载能力愈弱，且围压愈大，不仅可提升复合土体承载应力，也可减弱封装料空隙率对复合土体的抑制效应。高空隙率封装料试样在残余应力段具有较长时段的低应力、高应变。抗剪特征参数受土工织物厚度因素影响较小，主要受封装料空隙率影响较大。论文成果可为探讨离散元颗粒线性接触模型的应用及土体力学特征研究提供参考。关键词离散元;颗粒接触模型;保定环城水系;力学中图分类号TU472文献标识码A文章编号1004 1184(2023)03 0143 04收稿日期2022 07 29作者简介管鸣睿(1989 )，男，天津人，工程师，主要从事岩土工程勘察工作。Study on the influence of soil mechanical improvement on pile meshcomposite foundation based on discrete element particle contact modelGUAN Ming rui(Tianjin Survey and Design Institute Group Limited，Tianjin 300000)Abstract:In order to explore the effect of encapsulated pile composite foundation soil mechanics improvement in thesoutheast section of Baoding ing Water System Pump and Gate Project，a discrete element particle linear contact model wasused for simulation calculations and the triaxial mechanical influence characteristics of the composite soil were analysed e-search shows that the geotextile thickness has an upper limit to the composite soil bearing stress promotion，when the thicknessexceeds 0 08 mm the lifting of the bearing stress is smaller，the existence of geotextiles will change the composite soil strain e-lasticity ductile plasticity dominant characteristics The greater the encapsulated material void ratio，the weaker the com-posite soil bearing capacity and the greater the perimeter pressure，which not only enhances the composite soil bearing stress，but also weakens the inhibition effect of the encapsulated material void ratio on the composite soil High void fraction encapsu-lated material specimens have long periods of low stress and high strain in the residual stress section The shear characteristicparameter is less influenced by the geotextile thickness factor and more influenced by the encapsulated material void ratio Theresults of the thesis can provide a reference for exploring the application of discrete element particle linear contact models andthe study of the mechanical characteristics of soil bodiesKey words:Discrete elements;Particle contact model;Baoding City ring water system;mechanics0引言新时代水利工程涉及面较广，如城区节制闸水工设施，又如小型引水枢纽工程或岸坡防护工程等1 2，不论是何种类型水工建筑，其设计必须考虑工程场地稳定性。水工建筑场地地基稳定性与土体承载能力、工程环境等密切相关，实用性的地基处理技术包括有填土夯实、物化改性以及桩土复合地基等3 4。作为工程建设中应用面较广、技术较成熟的桩网复合地基技术，其承载能力与多种因素均有关联性。袁炳祥等5、刘点6为研究桩土复合地基承载能力，考虑管桩高径比、桩体完整性等因素，采用室内试验方法，对桩土模型试样开展了力学加载，分析了复合土体试样力学特征影响变化规律，为桩土复合地基设计提供了参照。李春元7、刘强8为探讨水工建筑软弱土体的处理技术，从力学改良角度出发，采用高聚物改性剂等物化改性方法，获得了改性后承载土体，并在室内试验对比维度下，分析了改性剂、土体自身因素对地基土力学特性影响，极大丰富了软土地基场地技术处理参考成果。封装桩乃是一种较为使用的桩网复合地基3412023 年 5 月第 45 卷第 3 期地下水Ground waterMay，2023Vol.45NO.3设计方案，刘洪波等9、王永洪等10针对封装桩的应用工程环境，借助 PFC 等离散元分析平台，开展了封装桩填充料、桩体因素的力学试验模拟，基于所获试验结果评价封装桩设计方案。本文为研究保定环城水系泵闸工程场地封装桩设计，采用离散元颗粒接触模型开展了封装桩复合地基土体的力学研究，为实际工程设计及建设提供依据。1离散元试验介绍1 1工程概况作为十四五时期“再造一个新保定”的重点工程，保定城区环城水系建设项目包括有疏浚府河、贯通一亩泉，连接清水河，构建起大保定环城区河流带以及水系景观带，对建设新保定、美丽河北乃是重要示范。根据水系规划，目前环城水系沿着保定城区东二环、天威路府河水系进行清淤治理，整治河段长度为 12 5 km，同是在北二环与复兴路一带，对一亩泉、清水河系支流等进行贯通，重点位于河道流量提升，防洪排涝设施除险加固等，预计需要贯通河段为 25 5 km。不仅需要对河段、河床或河道进行清淤疏浚，同时，在部分河段修建小型水闸设施，解决上、下游流量不均与汛期水位防洪排涝的水利难点问题。根据工程部门规划，预计新建水利设施包括 4 座泵闸工程，此类型泵闸工程按照防洪排涝、灌溉调节水位的多功能设计，图 1 为其中一座典型泵闸枢纽的贯流泵装置，位于环城水系府河天威路段与东二环段 K6+232处，可控制流域面积超过 80 km2，设计流量为 240 m3/s，前池水位运营期设计为 5 2 5 5 m，最大限值为 5 8 m，闸站上游府河河段设计水位与最高水位分别为 5 2 m、6 5 m，使用竖井式进水通道，可有效应对城区洪涝排涝，而下游出水通道的挡水闸门可解决自流灌溉与抽排的问题。该贯流泵乃是环城水系在保定东南方向重要调节枢纽，最大扬程为 5 2m，安装有 4 台泵机，单台泵机最大动力可达 1 200 kW。与之相匹配的是，环城水系东南段所新建的泵闸枢纽挡水闸门设计如图 2 所示，其半径可达 4 2 m，采用多根横、纵连系梁进行支撑面板，且具备有弹簧压杆支撑体系，全闸门结构与贯流泵设施均依赖于闸墩支撑，场地地基承载力需满足 180kPa。根据对环城水系途径河段场地勘察得知，存在局部软弱黏土层，松散性及吸水性较高，极易发生地基沉降，目前在环城水系东南段勘察设计阶段，已发现存在有厚度超过 5 m的粉质黏土层，极大影响着贯流泵以及高流量闸门的建设。为此，工程管理部门考虑在环城水系东南段泵闸枢纽场地开展封装桩复合地基设计，有效解决地基沉降及承载力不够的工程问题。图 1贯流泵装置1 2离散元介绍为探讨封装桩复合地基改良力学特性，引入离散元颗粒流线性接触模型，如图 3 所示为其接触面几何示意。该模型中颗粒间碰撞接触面包括有线性接触关系、平行节理关系等，但总的接触力可分为线性与非线性阻尼力两种10 11，前者类型具有线弹性与摩擦特性，后者表征了颗粒与颗粒间粘结特性，两者综合表述了颗粒流模型的抗剪能力。图 2挡水闸门设计模型图 3颗粒接触模型示意线性接触力的大小不仅与颗粒大小、质量有关，同时也与接触点位方向有关，包括有切向力与法向力两种，而阻尼力产生根源与颗粒自身摩擦阻尼系数有关，因而接触力计算表达式如下:Fc=Fl+Fd(1)式中:Fc，Fl、Fd、分别指接触力、线性接触分力、阻尼力。上式中，线性接触力可表述为:Fn=knUn(2)式中:kn指法向刚度，与模型颗粒球型及初始模量值有关;Un指法向刚度计算系数分量。切向接触力与迭代增量有关，其计算公式为Fs=ksUs(3)式中:Fs指切向接触力;ks指切向刚度;Us指切向刚度计算系数分量梯次步长。在离散元平台中，构建起法向、切向刚度是颗粒材料最终破坏力学的重要表征，在模 型 中 法 向 刚 度 可 按 下 式 确定12:1kn=1kA n+1kB n(4)式中:kA n、kB n分别指质点 A、B 法向刚度。与之相对应的，切向刚度可按照下式确定:1ks=1kA s+1kB s(5)式中:kA s、kB s分别指质点 A、B 切向刚度。基于上述颗粒流模型计算理论，笔者借助离散元 PFC3D平台，建立起封装桩中封装料颗粒流模型，如图 4 所示。该模型直径高度分别为 100 mm、200 mm，顶、底部分别设置有441第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月墙体边界，并按照加载速率进行相对移动，整个模型所处环境内具有一个完整的大圆柱包围，此环境模拟着加载围压。颗粒流模型所有颗粒组成均满足式(1)(2)模型要求，其中土颗粒间解除关系满足接触力的摩擦、粘结性。图 4封装料颗粒流模型图 5颗粒级配特征根据城南水系泵闸工程场地桩网复合地基设计，所使用的封装桩封装料为火山灰、矿渣等活性料，按照球型颗粒组成差异，分别在图 4 颗粒流模型中以不同颜色呈现。封装料颗粒级配特征如图 5 所示，颗粒粒径中以直径 5 10 mm 为占比最多，达 67 5%，直径低于 1 mm 的颗粒最少。不仅如此，本文分析的封装桩复合地基土体不仅需要考虑封装料，而其外包裹土工织物同样重要。根据 PFC3D 中SHELL 单元模型13，建立起封装料颗粒土工织物模型，如图6 所示。该模型中颗粒与织物的接触面为线性接触，且设定法向与切向刚度比为 1。基于此建立的颗粒流模型乃是本文试验对象，边界墙体模拟加载速率为 5 10 7m/s 移动，封装桩复合地基模拟围压设定为 150 kPa、300 kPa、450 kPa、600kPa，环境套柱模型围压按照 100 个迭代步长增长 10 kPa 施加。从研究对象工程设计出发，探讨封装桩体自身与封装料两大类因素，分别以封装桩土工织物厚度与封装料的空隙率为研究参数，其试验参数设计如表 1 所示。图 6封装料颗粒土工织物模型表 1试验设计方案围压/kPa土工织物厚度/mm封装料空隙率1500 02、0 04、0 06、0 08、0 1、0 120 1、0 2、0 3、0 4、0 5、0 63000 02、0 04、0 06、0 08、0 1、0 120 1、0 2、0 3、0 4、0 5、0 64500 02、0 04、0 06、0 08、0 1、0 120 1、0 2、0 3、0 4、0 5、0 66000 02、0 04、0 06、0 08、0 1、0 120 1、0 2、0 3、0 4、0 5、0 62复合地基土体力学特性影响2 1土工织物厚度因素根据对不同土工织物厚度下封装桩复合地基土体力学试验数据分析，获得了该因素对复合土体应力应变特征影响，如图 7 所示。由图中应力应变特征可知，当土工织物厚度愈大，则复合土体承载应力水平愈高，但不可忽视土工织物厚度对复合土体影响在厚度 0 08 mm 后，其承载应力水平增长趋势有所减小。在围压 150 kPa 下，当复合土体应变为 2%时，此时若土工织物厚度为 0 02 mm，则复合土试样加载应力为 47 96kPa，而土工织物厚度为 0 04 mm、0 08 mm 时，相应加载应力分别可增长至 62 5 kPa、155 5 kPa，但土工织物厚度为0 1mm、0 12 mm 时，其相应的加载应力较之厚度 0 08 mm 下分别仅有 5 5%、6 8%增长，此时土工织物厚度对承载应力影响显著降低。在该围压下，土工织物厚度 0 02 mm 试样峰值应力为 93 9 kPa，而在土工织物厚度不超过 0 08 mm 的前提下，试样峰值应力随土工织物厚度具有平均增幅 38 9%，在厚度 0 08 mm 下复合土体峰值应力可达 248 3 kPa;而土工织物厚度为 0 12 mm、0 1 mm 下复合试样峰值应力较之厚度 0 08 mm 下分别仅有增幅 2 5%、3 8%。当围压增大至450 kPa，复合试样峰值应力的变化仍在土工织物厚度 0 08mm 后出现放缓态势。分析认为，土工织物厚度对复合试样承载应力的提高主要在于其无缝衔接性，可保障封装桩内部松散颗粒与软土体达到紧密结合，但土工织物厚度即使再大，不论是松散颗粒或是软土体，其自身承载能力的缺陷终究存在，因而其承载应力的提高在土工织物厚度较大时会受限13 14。对比两围压下应变特征差异可知，在围压 150 kPa 下复合土体试样具有显著的峰值应力下降段，而围压 450 kPa 下峰值应力后下降态势与幅度显著弱于前者。相较而言，围压增大，复合土体变形占比以延塑性为主导。在同一围压下，土工织物厚度愈大，复合土体弹性模量愈高，如围压 150 kPa下土工织物厚度 0 08 mm、0 12 mm 试样弹性模量分别为76 2 kPa、81 kPa，而织物厚度为 0 04 mm、0 06 mm 下弹性模量较之厚度 0 12 mm 下分别减少了 52 7%、22 2%。综合分析可知，土工织物厚度因素对复合土体的影响在于承载应力的提高，但过高的厚度促进作用受限，而变形能力会使之趋于延塑性。图 7土工织物厚度对复合土应力应变特征影响2 2封装料空隙率因素封装桩复合土体力学特性不仅与封装桩自身土工织物有关，与封装填充料也具有相关性，图 8 为封装料空袭因素影响下复合土体应力应变特征。从图中力学特性影响可知，当封装料空隙率愈大，则复合土体承载应力水平愈低，当围压为 300 kPa 时，封装料空隙率 0 1 试样的峰值应力为 672 8 kPa，而空隙率 0 3、0 5、0 6541第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月试样峰值应力较前者分别降低了 29%、48 1%、59 3%，在该围压下封装料空隙率的每阶次提升，会导致复合土体试样峰值应力削弱 16 4%。显而易见，封装料填充程度会抑制封装桩复合土体承载能力。当围压为 600 kPa 时，相比前一围压下复合土体的承载应力变化，该围压下峰值应力随封装料空隙率变化，平均损耗为 8 6%。同时，该围压下各空隙率试样的峰值应力均有一定提高，如空隙率 0 3 试样峰值应力提高了 65 1%，在空隙率 0 1 0 6 各阶次试样中，两围压峰值应力总体提高了 65 1%1 6 倍，以空隙率 0 6 下试样提高幅度最大，且空隙率愈大，峰值应力在围压效应下改善最为明显。由此表明，围压愈大，不仅对封装桩复合土体承载应力有提高，也可改善受封装料空隙率因素抑制作用。在同一围压下，封装桩空隙率愈大，复合土体试样变形愈大，峰值应变愈大，在围压 300 kPa 中空隙率 0 1、0 3、0 6试样峰值应变分别为 3 3%、5 3%、7 8%，弹性模量受封装料空隙率影响与峰值应力变化一致。另一方面，封装桩空隙率的存在，导致残余应力段集中有较大应变，土体长时间具有低承载应力、高应变状态，此为泵闸工程地基设计时应重点关注。图 8封装料空隙率对复合土应力应变特征影响3复合地基土体抗剪特征影响根据 PFC 模拟封装桩复合土体三轴试验12，15，从数据结果获得了土体抗剪特征影响变化，如图 9。不论是黏聚力或是内摩擦角，与空隙率均为负相关，特别的黏聚力与空隙率变化具有幂函数关系，而后者抗剪参数与空隙率呈二次函数。当土工织物厚度愈大，两抗剪特征参数具有提高，但增幅较小，不论土工织物厚度在何值区间，当空隙率同为 0 2时，土工织物厚度 0 02 mm 试样黏聚力为 39 8 kPa，而厚度0 04 mm、0 08 mm 下 试 样 黏 聚 力 分 别 增 长 了 7 1%、12 5%，即土工织物厚度对复合土体黏聚力影响较为有限。同样，内摩擦角亦是如此。综上分析，封装桩复合土体抗剪特征参数与封装料密切相关，而土工织物厚度因素对抗剪参数影响较小，在泵闸工程设计时考虑地基土体抗剪能力时可以此为参照。图 9封装桩复合土体抗剪参数影响特征4结语(1)土工织物厚度愈大，则复合土体承载应力水平愈高，但在厚度 0 08 mm 后峰值承载应力的提升减缓，围压 150kPa 下厚度 0 12 mm、0 1 mm 复合试样峰值应力较之厚度0 08 mm 下分别仅有增幅 2 5%、3 8%;围压增大，复合土体受土工织物厚度影响，应变由延塑性为主导。(2)封装料空隙率与复合土体承载能力为负相关特性，围压 300 kPa、600 kPa 下封装料孔隙每阶次变化，分别可引起复合土体峰值应力削弱 16 4%、8 6%，两围压间空隙率0 1 0 6 试样峰值应力具有 65 1%1 6 倍增幅;高空隙率封装料复合土体在残余应力段具有低应力、高应变特征。(3)抗剪特征参数与封装料空隙率为负相关，且黏聚力、内摩擦角与之分别呈幂函数、二次函数关系;土工织物厚度对抗剪参数影响较小。参考文献 1丁京鹏 节制闸工程水泥土搅拌桩复合地基承载特性研究D安徽建筑大学 2022 2刘晓琪 冻融循环条件下土体试样力学特征研究J 水科学与工程技术 2021(03):13 16 3刘海源，李致立，李成芳 高压旋喷桩复合地基在软土地基处理中的应用J 重庆建筑 2022 21(07):70 72 4杨晓华，张建伟，张莎莎，等 黄土地区高速公路地基处理技术研究进展J 长安大学学报(自然科学版)2022 42(01):16 32 5袁炳祥，樊立韬，李志杰，等 层状地基中水平受荷桩 土相互作用试验研究J/OL 中国公路学报 2022 07:1 11 6刘点 排水半径及桩径对排水松木桩处理软土地基影响室内模型试验研究D 东华理工大学 2021 7李春元 枢纽工程坝基土新型改良材料下力学试验研究J水利科技与经济 2022 28(04):144 148 8刘强 矿渣 粉煤灰复合注浆材料加固软土路基效果研究J西部交通科技 2022(01):93 95 9刘洪波，李水江，叶永康，等 考虑成层土的储罐 CFG 桩复合地基沉降变形细观分析J 广东土木与建筑 2021 28(09):46 50 10王永洪，桑松魁，刘雪颖，等 层状黏性土中静压桩贯入特性颗粒流的数值模拟J 西南交通大学学报 2021 56(06):1250 1259 11许江波，曹宝花，余洋林，等 基于 PFC (3D)的黄土三轴试验细观参数敏感性分析J 工程地质学报 2021 29(05):1342 1353 12周凤玺，赵曼，应赛 非饱和土力学行为的三维离散元分析J 福州大学学报(自然科学版)2020 48(06):779 785 13吴尚杰 粉土填料细观剪切特性的颗粒离散元数值模拟研究J 水利与建筑工程学报 2022 20(03):129 133+175 14张升，彭锐，叶新宇，等 土工织物应用于新型压密注浆土钉的试验研究J/OL 岩土工程学报 2022 07:1 9 15侯娟，邢行，徐东，等 土工膜 土工布界面动力剪切特性试验研究J 岩土力学 2022 43(02):365 376 16张振平，盛谦，付晓东，等 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