筋箍碎石桩桩土界面摩擦特性研究

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近年来,随着基础设施的不断兴建,越来越多的工程需要修建在软土地基上,对软土处治技术的要求越来越高。筋箍碎石桩因其取材便利、成本低廉,且具有较好的排水、置换等改良作用在软弱地基处理中得到大量的使用,但筋箍碎石桩桩-土界面涉及筋材、软土、碎石三种材料的相互作用,桩侧摩阻力的计算和界面强度参数的取值均存在一定的经验性,相关的理论研究仍远远滞后于工程实践。因此,本文针对这一问题,通过室内大型直剪试验和离散元及离散-连续耦合数值模拟方法,对筋箍碎石桩桩-土界面强度特性和界面摩擦特性展开研究,主要开展了以下研究工作:首先,依托室内大型直剪仪开展了若干组对比试验,研究了法向应力、桩周软土含水量、碎石料相对密实度、筋材设置对筋箍碎石桩桩-土界面摩擦特性的影响。研究结果表明:(1)桩-土界面剪切强度随法向应力的增大而线性增大,但桩-土界面摩擦系数随法向应力的增大而减小,且逐渐趋于某个极限值,由此可知桩侧摩阻力的量值和分布形式与桩土界面法向应力密切相关。(2)筋箍碎石桩桩-土界面抗剪强度和界面摩擦系数均随桩周软土含水量的减小而增大,且软土含水量越大这种现象越明显。因此,使用排水性能良好的筋箍碎石桩,可使桩-土界面摩擦性能随固结度的增长而不断强化,这有利于提高地基承载力。(3)桩-土界面抗剪强度和界面摩擦系数随碎石料相对密实度的增加而增加,这里的增长主要体现在界面粘聚力的增长上,而粘聚力的增长主要源于密实颗粒间的咬合和嵌锁作用。(4)筋材的存在弱化了桩-土界面的综合抗剪强度和摩擦系数,这与筋-土界面摩擦性能对桩土界面综合摩擦性能的贡献程度相关。其次,考虑到离散元方法能从微观上反映试样在剪切过程中的受力和变形机理,因此结合PFC中内嵌的fish语言,建立与室内大剪试验相同力学性能的碎石料、土工格栅、软土分析模型,在验证模型合理性的基础上,分析了碎石颗粒几何形状、碎石料相对密实度、软土细观力学参数、粒孔比、筋材抗拉刚度对桩-土界面摩擦特性的影响规律,并得出以下结论:(1)定义了适用于量化描述筋箍碎石桩中碎石颗粒形状不规则性的参数-颗粒不规则系数,发现法向应力较小时桩土界面抗剪强度与不规则系数呈线性增加关系,法向应力较大时桩土界面抗剪强度与不规则系数呈幂函数增加关系,说明法向应力越大碎石颗粒形状不规则性对界面性能的影响越强。因此,考虑颗粒的棱角和形状的不规则性对界面问题的研究十分重要。(2)桩土界面综合抗剪强度由土-石界面强度和筋-土界面强度共同组成,其中土-石界面抗剪强度和界面摩擦角随碎石料相对密实度的增加而增加,但土-石界面粘聚力随相对密实度的增加反而有所下降。粘聚力的变化主要是筋材对颗粒位移具有限制作用而产生的。此外,发现配位数不但能验证数值试样的密实程度,还能反映试样剪切过程中颗粒的微观变形和受力特征。(3)提出了适用于量化分析筋材加筋作用的桩土界面抗剪强度分析模型,发现筋土界面抗剪强度随格栅面积比的增大而逐渐增大,但其增大速度小于土石界面抗剪强度的衰减速度,因此宏观上表现为土工筋材弱化了桩土界面的综合抗剪强度。(4)给出了适用于工程设计的最优粒孔比,该值既考虑了碎石不能漏出格栅套筒的工程需要,又能使界面抗剪强度最大化。再次,使用离散-连续耦合数值模拟方法,以某高速公路软基处治工程为原型,建立了碎石桩(离散体)和桩周软土(连续体)共同组成的复合地基分析模型,研究得出以下结论:(1)碎石桩和筋箍碎石桩的竖向荷载传递机理及桩土相互作用极大受到桩体径向鼓胀应力和鼓胀变形的影响。(2)碎石桩径向鼓胀应力沿深度的分布与其径向鼓胀变形的分布形式极为接近,均是在桩顶以下2-3倍桩径处达到最大值;而筋箍碎石桩的最大径向应力和最大鼓胀变形均出现在加筋末端一定深度范围内,之后随深度逐渐衰减。(3)基于研究所得的界面强度参数,得出了筋箍碎石桩和普通碎石桩桩侧摩阻力沿深度的分布规律。发现桩侧摩阻力沿深度先逐渐增大,达到峰值后随深度逐渐衰减,这与桩土相对滑移的变化规律相似,说明本文桩侧摩阻力的求取方法不但能反应桩土间相互作用和荷载传递的激烈程度还能考虑桩土相对滑移的影响。将本文所得桩侧摩阻力与理论推导中常用的其他方法作比较后,发现均匀分布是一种偏安全的侧摩阻力取值,线性分布的侧摩阻力和本文侧摩阻力在量值上较为接近,但线性分布和均匀分布的侧摩阻力均不能反映桩土相互作用的激烈程度和桩土界面的相对滑移,不能很好的解释筋箍碎石桩的竖向荷载传递机理。最后,结合本文研究得出的筋箍碎石桩桩土界面抗剪强度参数,基于已有文献中承载力和沉降量的计算方法,分别得出修改界面强度参数前和修改界面强度参数后的筋箍碎石桩承载力和沉降值,并与现场观测值进行对比。研究得出,现有文献对筋箍碎石桩桩侧摩阻力的考虑偏安全,承载力计算方面,容易低估实际的地基承载力,造成不必要的浪费;在沉降计算方面,沉降值往往较实测值偏大。综上可知,准确考虑桩土界面摩擦特性对于更准确计算筋箍碎石桩复合地基承载力和沉降具有积极意义。
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