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刚性夹杂物加固的土工结构荷载传递机制的研究

摘要：对于高层建筑和路基而言，加固软土体是一种既实用又经济的措施。这种方法是在群桩顶部设置一个颗粒层，来降低下部土体的承担荷载和上部结构的垂直沉降。这个研究的重点是用有限元法（土工合成材料板）和离散元法(粒状层;在某些情况下的混凝土板)之间的耦合来为群桩上部加固区的荷载传递机制建模。褥垫层厚度对于增加负载转移强度和降低垂直沉降的重要性是很明显的。但是，没有基础土工合成材料板，软土的压缩性对其作用机理有很大的影响。基于卡尔森的解决方案，一种预测负荷转移强度的方法被提了出来。有关的主要参数是其工作的几何形状和颗粒层的峰值和残留摩擦角。DOI: 10.1061/(ASCE)GM.1943-5622.0000083. copy; 2011 American Society of Civil Engineers.

CE数据库关键词：土体结构;填土;桩;土工合成材料;离散元法;有限元法; 耦合; 荷载分担;颗粒介质。

关键词：土体加固;刚性夹杂物;桩;土工合成材料基础;离散元法;有限元法;耦合;荷载传递;粒状材料。

引言

在土体非常软的地区建造民用工程很可能受到大面积严重或不均匀沉降。这些位移必须限制在容许值内以确保其稳定性，结构完整性，和有关的土木结构的耐久性。特别是对于大规模工程（公路，高速公路，铁路和工业建筑），传统的基础技术会导致高昂的成本和严重延误。在过去的几十年中，刚性夹杂技术已经基本替代了传统加固的方法。

这种技术是基于群桩的使用，群桩上的褥垫层，以及一些情况下，插入颗粒层中间或者底部的增强体（土工格栅或者土工合成材料板）。

这个过程的主要特征就是增加部分重定向刚性群桩的负载，以减少导致软土和地表沉降的竖向荷载。建筑物对于不均匀沉降的严格要求，使刚性板得到了广泛的应用。

这样的机制，即那些涉及使用粒状层，土工合成材料加固，或混凝土板，是很复杂的。而且通过分析设计方案的方式得到的描述仍然是个问题。当前的设计方法被限制在涉及颗粒层荷载转移机制的描述 (British Standards Institution 1995; Oslash;iseth and Busklein 2001; Deutsche Gesellschaft fuuml;r Geotechnik 2004)。他们可以分为三类。第一类认为颗粒层内的传递机制类似于太沙基1943年的描述。在这种情况下，颗粒层可以被分为两个区域：位于恰好桩上方的加固区，和加固区之间滑动的其他部分，从而引起摩擦力和负载传递方向变化(Combarieu 1988, 1990; Russel and Pierpoint 1997)。这种方法使British Standard 升级到了8006 (British Standards Institution 1995)。第二个假设的影响的区域在每根桩可以得到的负荷传输 (Carlsson 1987; Svanoetal.2000;Oslash;iseth and Busklein 2001)。 最后一类认为，两根相邻桩之间发生拱效应并且根据假设的拱形状来计算负荷的转移(Hewlett and Randolph 1988; Kempfert 1997;Deutsche Gesellschaft fuuml;r Geotechnik 2004)。这些不同的方法仍然受到讨论和改进，特别是土工合成材料时使用 (Yun-Min et al. 2008; Abushararetal. 2009)。

这个专门用于刚性夹杂物技术的具体设计或执行法规，被称为Ameacute;lioration des Sols par Inclusions Rigides (A.S.I.Ri)的国际项目，已经在发过在法国进行了。

这个项目的目的是提供一个有技术的和经济有效的措施来使刚性桩复合地基满足工业需求。为了减少成本（劳动力和材料供应），并以降低对环境的影响，该项目的工作主要使用0.5到1.0 m厚度的颗粒层和群桩介于2到5%的低覆盖率（覆盖率是桩顶的面积与总面积的比率）。这些值较传统设计方法的建议值小很多，比如British Standard BS8006 (British Standards Institution（1995) 和Hewlett and Randolph (1988)推荐的颗粒层厚度至少是0.7至1.4倍的桩距。还有Han and Gabr (2002)建议桩的覆盖率范围为10至20％。

作为该项目的一部分，一个数值模拟研究已经展开了。该研究使用了基于离散元法和有限元方法之间的耦合的原始数值工具。这项研究的重点是使用了颗粒层，土工合成材料片材，或刚性板的群桩的荷载传递机制。

用于这种结构的数值建模和离散元法与有限元方法之间的特殊耦合将在第一部分中描述。第二部分介绍典型的几何研究和数值程序模拟的实施。最后，对三种不同的加固方法进行了研究，即颗粒层，基础底板和基础土工合成材料板。

数值模型

离散单法（DEM）和有限元（FEM）的耦合分别用于粒状材料和土工合成材料板的建模。这种耦合通过比较数值分析和满程现场的实验得到了验证(Villard et al. 2009)。

DEM的建模部分是基于分子动力学(Cundall and Strack 1979)。用通过接触力相互作用刚性粒子来模拟颗粒材料。实验过程中不断地使每个质点在符合牛顿第二定律的情况下运动，不断更新粒子位置和接触点，计算接触力，并使每个质点的力的平衡发生变化。一个明确的跨越式方案被用来整合运动方程(Allen and Tildesley 1994)。使用线性接触法，质点间接触力的主要部分被推导了出来。

其中，KN=接触质点的正常刚度，hij = 两个接触质点i和j之间的重叠。

忽略质点间的相互引力（质点间无粘性）。接触力的切向分量用Cundall and Strack (1979)提出的公式计算，并通过一个库仑摩擦系数mu;来限制：

图1：土壤颗粒和板材料之间的相互作用规律

有限元模型通过连接两个三节点三角形单元来模拟土工合成材料的纤维结构(Villard and Giraud 1998)。板的拉伸和压缩都是在大的应变的数学描述的基础上严格的转载。土工合成材料的整体力学性质取决于相关联的每个方向的纤维的拉伸刚度Ĵ。给定方向的光纤的拉伸力T取决于变形ε和所考虑方向的纤维的刚度Ĵ：

在全面工程实验室和现场测试已经成功验证了土工合成材料板的这个有限元建模(Villard et al. 2000; Gourc and Villard 2000。

离散和有限元素之间的相互作用被处理由颗粒和三角形元件之间的接触。正常和切向线性接触法律考虑。 角色这些接触的正常刚度是只以防止颗粒穿过片材元件。切向接触力是由在通常使用的弹性塑性行为调节数值方法 (Villard 1996; Reddy et al. 1996; Villard et al. 2009)和由库仑摩擦准则（图1）的限制。颗粒和土工合成之间的相对位移片，必要的摩擦相互作用是完全发达，被称为U0。

数字模拟的几何形状和特点

数值分析是基于几何形状和特征在全面的实验测试使用的材料 (Brianccedil;on 2007)在法国A.S.I.Ri的框架内进行的项目。

厚度HM的颗粒层被放置在一个加固软土刚性桩的一个网络中的一个正方形网格隔开。由于对称的条件下，在一个被执行的分析2.50times;2.50m2的正方形基本单元（图2）。每堆都有方形截面的0点37times;0点37平方米。因此，被覆率，这是桩头的面积与基本的面积之比电池，代表了2.19％。

荷载传递层

数值负载转移层组成的组件的颗粒，在最小的一个多边形区域随机生成的0.355孔隙率，使用半径膨胀与摩擦减少（REDF）工艺(Chareyre and Villard 2005)。两种厚度颗粒层的被认为是：一0.5m高的负荷转移层由16000颗粒和另1米高的由32000颗粒（图3）的。每个粒子是由一个完全直径为d的两个重叠的领域的刚性的组件。该一个颗粒的两个球体的中心之间距离等于0.95D。 d是球体的直径相等0.01到0.04 m之间分配。

图2：实验测试的整体几何图

粒状组件的接触参数，在所示表1中，被选择以再现试验的抗剪强度这对应级别常用粒状材料软土加固工程。图4示出了数值响应8000颗粒在三轴试验用50千帕围的样品的施加的压力，对应于平均应力水平加载到选址在成堆的颗粒材料中。

8000颗粒与样品的数值响应三轴压缩试验给了一个初始切线杨氏模量等于257兆帕和对应的泊松比等于0.08。泊松比的小值观察到经典的高配位数和高模量扬(Kuwano and Jardine 2002; Chevalier et al. 2007)。

图3：材料模型的视图

表1：数值模拟颗粒层的微观和宏观力学参数

图4：50KPa围压下颗粒层的三轴试验数值曲线

基础底板

板坯，通常被认为是用于构建应用程序，是仿照与DEM使用球体的组件具有相同的直径均匀地布置成两层（图3）。这些领域是绑定参数kn和kt的弹性和牢不可破的联系。在板坯的弯曲力矩是从内的力推导所述上层和下层。考虑的解析解弯曲简支梁，正常的接触刚度kn进行了测定。切向接触刚度kt被设置为适合嵌入在其四个边框板坯的变形行为(Chevalier 2008)。弯曲试验建模，以验证这些值。为了保证板，高吸引力的凝聚力已经考虑到球体的两层之间。精确板坯的描述不是必要这里，由于判定发生在板的力和弯矩不是本文的目的：主要目的是充分再现板坯的弯曲行为。

土工合成材料板

该土工合成片材是由三角形的组件建模元件连接到一个其他。这是假设该薄片为通过与拉伸纤维的两个垂直方向增强刚度J，根据情况的研究：J=750KN/m或J=1500KN/m。

接触的土壤颗粒间的宏观行为土工合成材料和板材的特点是通过实验实验室检查（摩擦或拉出测试）。摩擦角土壤和土工合成材料床单之间测量phi;gfrac14;30°。切向接触刚度ktg（图1）之间粒状颗粒和三角元素被从比推导出平均正常应力在界面sigma;max的相对位移U0需要充分调动摩擦 (Pasqualini 1993; Gilbert 1996)。在界面sigma;max正常应力为归因于颗粒层的自重，和相对位移U0被认为等于几毫米。

软土和边界条件

本研究的目的集中于负载转移发生在颗粒层。因此，发生之间的机制不被认为是软土和桩的网络。 所以，软土是由垂直于一种简化的方式建模弹簧(linear Winkler model)。弹簧的刚性的Kc取决于对软土的压缩delta;和结算链接软土垂直应力应用：

KC以MPa/m给出并且表示软的等效高度hc土体侧限压缩的弹性模量：

四个Kc的值被认为是，以确定其影响负载转：Kc={0.25; 0.50; 0.5; 1.00} MPa/m。

软土和之间的边界元件（图3）颗粒层类似于那些用于建模的有限元素的土工合成材料片材，但与的一个可忽略的值拉伸刚度J.在堆头上的边界要素是固定在空间的三个方向。引进的对称性，4摩擦的垂直平面是围绕基本使用细胞。

加载过程

重力被应用，而负载传输层上软土保持无效。在此之后，温克勒弹簧被释放。一旦平衡状态达到，过载由粒状层以上的增量施加。 下列一旦平衡状态是载荷增量仅适用到达。所用的平衡标准用得到的计算垂直力Fz的软土桩以下条件：

其中，w等于重量负载转移层（包括重的板坯，如果有的话）和颗粒层上，Q等于实际过载。统一垂直过载应力q的连续值分别为：12.8，25.5，46.8，和68KPa。总应力qt日起，颗粒层的自重（包括混凝土板，如果的话）和过载q可以写入：

荷载转移机制

软土加固刚性的两种常见的应用桩建筑和堤防加固下（基本上，公路或铁路路基）。它们之的主要区别是，上部结构变形公差以及所涉及的可能使用的刚性的边界条件板。这两个应用程序产生的机制因此根本不同，这里呈现的不同的部分。

路堤加固的应用

负载转移机制的典型结果

负载转移机制从不均匀沉降导致由软土的收缩产生的。分析这些现象，基本数值模拟了下进行以下条件：

1.高度颗粒层：hm=0.5m或1.0m;

2.刚度软土：kc=0.75MPa/m;

3.无土工合成材料加固。

颗粒内行事的全局负载转移机制层与由之比所限定的效率（E）的定量施加在一个桩FP的总垂直载荷的负荷施加在一个基本单元W Q：

无负载的转让，效率E趋于价值被覆率：在这种情况下2.19％。负载转移的能力层的过载Q重定向到桩可由给出以下比G：

当负载的Delta;FP等于增加连续重定向到桩超载Delta;Q的应用。

E和G中相对于总负荷的qt值图5和6中给出。颗粒层的高度为hm=0.5m和hm=1.0m。图5示出了效率E与总负载增加施加QT，并达到约30％的阈值对于hm=0.5m米，而65％为hm=1.0m。这些阈值比为2.19％的被覆率值高得多。结果在图6表明，该层的能力的过载重定向到桩是相对恒定的，约35％为hm=0.5m和75％为hm=1.0m。因此，图7示出了一个总负载夸脱的固定值，增加的高度颗粒层包括一个减少的最大垂直沉降的软土delta;。

图5：颗粒层的效率

图6：负载转移层重分配桩上荷载的能力

图7：软土的最大垂直沉降

图8：hm=0.5m，kc=0.75MPa/m时，每个阶段内，垂直横截面内粒子的位移

图9：hm=1.0m，kc=0.75MPa/m时，每个阶段内，垂直横截面内粒子的位移

图10：Carlsson对于倒金字塔形内荷载转移层的描述

分析荷载转移机制而制定的议案 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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