深厚软土地基上振动沉水过程中孔隙水压力的发展过程

深厚软土地基上振动沉水过程中孔隙水压力的发展过程

0桩沉桩作用机理研究在深层和柔软的土壤基中，使用振动沉降法将深而长的钢护筒（长度可超过15m）放入深层，然后制备混凝土并填充。最后，振动提升法是一种非常有效的灌溉。它可以保证旋挖钻机施工超长灌注桩时钻孔的质量。利用这一技术,已在多个重要工程中获得应用。实际上,钢护筒振动沉入过程中引起地层的强烈振动,会以应力波的形式向外传播和扩散,从而使得周围土层受到很大的扰动,并诱致较大的孔隙水压力和土层的变形,从而会对周围尚未凝结的混凝土桩或已有建筑物产生影响。因此,深入研究钢护筒沉入过程对周围软土层的挤压效应和钢护筒的沉入机理有实际意义。这里,振动沉入钢护筒采用的振动源可看作是循环变化的简谐波(强迫振动),而钢护筒的振动下沉过程是一个十分复杂的力学过程,不但涉及到振动和挤压作用对周围软弱地层的强烈的扰动效应,同时还涉及到钢护筒内、外侧壁与土体之间的循环剪切摩擦作用。一些学者对类似问题进行过研究,主要涉及预制桩打入引起的地基土的变形、孔隙水压力和土体挤压以及强夯冲击引起的挤压效应和振动影响等。在理论方面,白冰、王育兴等曾利用圆柱形小孔和球形小孔扩张理论对饱和粘性土中打入桩的沉桩过程进行过模拟分析,包括桩周挤土应力的估算、孔隙水压力的演化等。郑俊杰等对沉桩挤土效应进行了轴对称应变的有限元模拟计算,对圆柱形孔的内壁位移、桩周土体的应力场、位移场进行了分析。刘汉龙等开发了一种适用于软土地基的振动沉模大直径现浇薄壁管桩技术,并就其施工工艺和施工过程对周围土层的挤压效应进行现场测试,也对薄壁管桩沉入机理进行了探讨。朱向荣等结合工程桩沉桩过程实测资料,探讨了单桩桩周土体中产生的超孔隙水压力大小的分布规律和影响范围,并对实测值与理论预测值进行了比较。但总体而言,这方面的成果还比较少见。结合已经完成的饱和软土地基桩基施工时所采用的钢护筒振动沉拔过程现场测试资料,本文利用三维有限差分数值计算程序研究在深厚软土地基上振动沉入钢护筒过程对周围土层的挤压效应。1描述和计算模型1.1磷系灰黑素灰黑盐图5根据芜湖电厂的勘测资料,模型区自上而下地基土为粉质粘土、淤泥质粉质粘土、粉细砂,局部地段逐渐过渡到中粗砂,厚度51～53m,下伏基岩有侏罗系砂岩、三叠系灰岩和泥盆系石英长石砂岩。场地地层岩性自上而下描述如下:素填土:灰黄、褐黄色、主要成分为粉质粘土,含少量铁锰氧化物,稍密,很湿,层厚为0.9～1.6m,沿长江大堤附近分布,为加固长江大堤所填。淤泥:灰黑色,饱和,流塑,含植物根系、腐植质等,有嗅味,主要分布在沟渠、水塘等水网中。粉质粘土(Q4a1):褐黄、灰黄色,含铁锰氧化物,等级轻～中,韧性中,干强度中,无摇振反应,局部夹薄层粉土、粉砂,具水平层理,可塑～软塑,层厚一般0.7～2.3m。淤泥质粉质粘土(Q41):青灰、灰褐色,含有机质、夹(含或混)腐植质,有嗅味,等级中～轻,韧性中,干强度低,无摇振反应,局部夹(含或混)薄层粉土、粉砂,含云母,具水平层理,局部具斜层理,软塑～流塑状,层厚一般1.0～16.2m。1.2钢护筒模型的选取和网格划分本次计算模型区域土体主要为淤泥质软粘土,采用三维有限差分程序进行数值计算。根据工程地质结构和土体的物理特性,将计算地层概化为单一土层。将坐标系的原点选在钢护筒截面的中心,x方向和y方向为径向,z方向为垂直向下。充分考虑钢护筒的几何形态和地层条件,选取的计算模型的范围为:半径20m,深度15m,见图1。钢护筒位于圆柱型模型的中部,直径为0.9m。模型的网格划分见图1,共由27000个单元,28816个节点组成。为模拟钢护筒的沉入过程,分别对钢护筒深度(沉入深度)为2m,4m,6m,8m和10m等5种情况进行模拟计算。假定计算区域外侧无水平方向位移(即侧向约束),底部无竖向位移。同时,假定模型周边侧面和底面为不透水界面,地表为透水界面。钢护筒周围与土体界面处为透水界面。1.3荷载加速度幅值根据芜湖电厂现场振动测试结果,振动沉入钢护筒时,振动加速度时程可看作是简谐循环荷载,幅值在10g～20g的范围内。为此,在本例中输入的动荷载的加速度幅值为10g,频率为20Hz。动荷载施加在钢护筒外侧周围的薄壁区域上(即外半径取0.55m,内半径取0.45m,参见图1)。2模型和计算参数的构建2.1土的粘聚力及内摩擦角计算采用Mohr-Coulomb弹塑性模型,其破坏包络线对应于摩尔-库仑剪切屈服函数和拉应力屈服函数。Mohr-Coulomb破坏准则满足fs=0,屈服方程为fs=σ1−σ3[(1+sinφ)/(1−sinφ)]+2c(1+sinφ)/(1−sinφ)−−−−−−−−−−−−−−−−−−√(1)fs=σ1-σ3[(1+sinφ)/(1-sinφ)]+2c(1+sinφ)/(1-sinφ)(1)式中:c和φ分别为土的粘聚力和内摩擦角。张拉破坏准则为ft=0,屈服方程为ft=σ3-σt(2)式中:σt为土的张拉强度。2.2动力分析基本原理求解动力问题的边界条件一般有远置人工边界和粘滞边界2种。远置人工边界条件要求边界足够远。而粘滞边界可保证边界对入射波的反射尽可能减少。在动力分析数值计算中,粘滞边界是通过在边界的法线方向和水平方向施加独立的粘滞力来实现的,其法向粘滞力fn和剪切粘滞力fs可表示为式中:vn和vs分别为边界上的法向和切向速度分量;ρ为土体密度;Cp和Cs分别为p波和s波的速度。粘性边界方程式(3)的法向和切向两个方向采用独立的阻尼器,在吸收入射角大于30°的体波时是十分有效的。2.3刚度阻尼方程粘滞阻尼的选取是动力计算中一个重要因素,本文计算采用瑞利阻尼(Rayleigh),其阻尼方程如下C=αM+βK(4)式中:α和β分别为质量阻尼系数和刚度阻尼系数。2.4kpa的基本特征模型参数选取如下:重度γ=21kN/m3,内摩擦角φ=6°,粘聚力c=10kPa,泊松比为μ=0.3,渗透系数k=6×10-7cm/s,孔隙率n=0.42,体积模量K=1.4×107Pa,剪切模量G=0.65×107Pa。根据一些典型资料,对于软粘土,可取质量阻尼系数α=0,刚度阻尼系数β=0.01。3结果分析3.1孔隙水压力波动的幅值为模拟钢护筒沉入过程,分别计算了下沉深度为2m,4m,6m,8m和10m时,钢护筒周围软土层的孔隙水压力变化过程。这里,作为典型结果,图2给出钢护筒下沉深度为8m时,在地层不同深度(H=2m,4m,6m,8m)和不同的径向距离处(r=2m,4m,6m,8m)处,孔隙水压力随时间的演化过程。由图2可以看出,随振动时间的增长(即随钢护筒上下的不断循环剪切),不同深度处的孔隙水压力均迅速上升。而且,离开钢护筒的径向距离愈近,孔隙水压力上升愈快(如r=2m处与r=8m处的比较),其后孔隙水压力达到一个较大的值并趋于稳定。同时,离开钢护筒的距离r愈近,孔隙水压力波动的幅值也愈大。值得注意的是,在靠近地表处和离钢护筒表面较近处(如图2(a)中r=2m处),孔隙水压力先上升到某一峰值后又开始有显著下降,然后才进入稳定波动状态,而且进入稳定波动状态的孔隙水压力平均值比距离稍远处的孔隙水压力平均值要小些,这是由于该处孔隙水压力的消散比较快而引起的。此外,由图2可以看出,随离开钢护筒距离的增大,周期波动的相位也相应滞后。由图2可以看出,可以将孔隙水压力的变化过程分为三个阶段,即急剧增长阶段、缓慢增长阶段和稳态变化阶段。在急剧增长阶段,孔隙水压力几乎沿直线变化趋势快速上升;在缓慢增长阶段,孔隙水压力逐渐由急剧增长形态过渡到平稳上升阶段,上升速率明显减慢;然后,在稳态变化阶段,随振动时间的增长,孔隙水压力平均值不再上升或下降而主要呈现波动变化的过程。由图2可以看出,由于钢护筒沉入深度为8m,在6～8m深度处的孔隙水压力相应比其它深度处的孔隙水压力要大。计算还表明,在地下10m处孔隙水压力值增加很小,其波动幅度大约在6kPa左右。笔者曾对钢护筒下沉到不同深度处的情况也进行了计算,其变化规律与图2类似,但是在数量上有所差异。3.2钢护筒距离对孔隙水压力的影响图3给出钢护筒下沉深度为4m和8m时,不同地层深度处的孔隙水压力沿径向距离变化规律。图3中,孔隙水压力为振动过程处于稳定状态时(即t=3s)的波动平均值。由图3可以看出,在离地表较深的位置(如深度4m,6m,8m,10m处),随离开钢护筒距离的增加,孔隙水压力一般呈现明显衰减的趋势。但在离地表较近处(如深度2m处),孔隙水压力随径向距离增大先增大而后减小,这是由于地表处(为透水面)孔隙水压力消散较快引起的。此外,振动荷载诱致的孔隙水压力的影响范围局限在距离钢护筒中心一定的区域内,而且随钢护筒沉入的深度不同而不同。例如,当钢护筒沉入深度为8m时,孔隙水压力的影响范围在8m范围内,之后孔隙水压力显著减小。3.3孔隙水压力检测图4分别为钢护筒下沉到深度4m和8m时,不同径向距离r处(r=1m,1.5m,2m,3m),孔隙水压力沿地层深度的关系曲线(孔隙水压力值为振动过程处于稳定状态时的波动平均值,即t=3s)。由图4可以看出,在钢护筒底部深度附近(两种情况分别在4m或6～8m深度处)有较大的孔隙水压力(两种情况下峰值分别为27kPa和35kPa)。在离开该点向上靠近地表处由于孔隙水的排出,孔隙水压力较小,而在较深的位置处由于振动作用影响比较小,孔隙水压力迅速降低。由图4(a)与图4(b)的比较可以看出,随钢护筒继续向下推进,孔隙水压力峰值所在位置逐渐向下移动。此外,随径向距离的增大,孔隙水压力明显减小。这一变化规律与现场测试结果(见图5,包括钢护筒由2m下沉至4m时和由6m下沉至8m时两种情况的测试结果)十分相似。但由图4与图5给出的计算结果与现场实测结果的比较可以看出,计算所得的孔隙水压力值常比现场实测结果要大。事实上,在现场测试时,当钢护筒振动沉入到一定深度时,先停止钢护筒的振动过程,然后再进行测试,此为残余孔隙水压力(孔隙水压力值已有一定的回落或消散);而计算孔隙水压力值为振动过程中某一时刻的值,并没有考虑孔隙水压力的消散过程,因此比实测值要大,而所引起的孔隙水压力影响范围也比实测影响范围要大。根据现场一些典型测点动孔隙水压力消散过程的跟踪监测来看,此阶段孔隙水压力的消散是很快的。4钢护筒周边孔隙水压力(1)随振动时间的增长(即随着钢护筒的不断循环剪切),不同深度处的孔隙水压力均迅速上升。而且,离开钢护筒的径向距离愈近,孔隙水压力上升愈快,其后孔隙水压力达到一个较大的值并趋于稳定。可以将孔隙水压力的变化过程分为急剧增长、缓慢增长和稳态变化三个阶段。同时,离开钢护筒的距离愈近,孔隙水压力波动的幅值也愈大。(