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用刚性夹杂物加固薄板填土平台的岩土土体结构荷载传递机理研究

B. Chevalier1; P. Villard2; and G. Combe3

摘要：通过刚性夹杂物对软土进行加固是一种实用且经济的技术，适用于大跨度建筑物和堤防基础。这种方法包括将颗粒层放置在桩网顶部，以减少支撑土上的垂直载荷和上部结构的垂直沉降。本研究集中在有限元法（土工合成材料）与离散元素法（颗粒层，某些情况下为混凝土板）之间的耦合的位于网络上的加固结构中发生的载荷传递机构的建模。观察到颗粒层厚度增加载荷转移强度和减少垂直沉降的重要性。然而，没有基础土工合成材料，软土的压缩性对机理有很大的影响。基于Carlsson的解决方案，提出了一种预测负载转移强度的方法。主要参数是颗粒层的几何形状和颗粒层的峰值和残余摩擦角。 DOI：10.1061 /（ASCE）GM .1943-5622.0000083。 copy;2011美国土木工程师学会。

CE 数据库主题标题︰ 土壤结构;填充;桩;土工合成材料;离散的元素;有限元法;耦合;荷载传递;粒状介质。

作者关键字︰ 土壤加固;刚性夹杂;桩;基底土工合成材料;离散元法;有限元法;耦合;荷载传递;颗粒材料。

引言：

在非常软的土壤上建造的土木工程作业可能受到相当大的绝对或不同的沉降。这些位移必须限于可接受的值，以保持有关土木工程结构的稳定性，结构完整性和耐久性。对于大型工程（道路，高速公路，铁路和工业建筑），使用传统的基础技术可能会导致成本和延误。在过去的几十年中，刚性夹杂物技术为传统的加固方法提供了有意义的替代方案。

该技术基于使用堆叠网络，位于堆叠之上的粒状负载传递层，并且在一些情况下，插入在颗粒层的中间或基部的土工合成增强材料（土工格栅或土工合成材料） 。

此过程的主要关注点是增加负荷重定向到刚性桩工作，以减少地表沉降与软土的垂直载荷的网络的一部分。用于构建应用程序，这需要非常低的差异沉降，刚性板是常用的。

这种机制，即涉及使用颗粒层，土工合成钢筋或混凝土板的机构是复杂的，并且通过分析设计方案的描述仍然是有问题的。目前的设计方法仅限于描述颗粒层中的负载传递机制（英国标准协会1995;Oslash;iseth和2001 Busklein;德国岩土工程协会2004年）。它们可以分为三类。第一类认为颗粒层内的机制与Terzaghi（1943）描述的相似。在这种情况下，颗粒层可以分为两个区域：固定部分位于桩的正上方，其它部分在固定部分之间滑动，从而引起摩擦和向夹杂物的载荷传递（Combarieu1988，1990; Russell和1997皮尔波因特）。这种方法产生了英国标准8006（英国标准协会1995年）。第二个假设是对可以获得负载转移的每个桩的影响区域（Carlsson 1987; Svano等人2000;Oslash;iseth和Busklein 2001）。最后，第三类认为在两个相邻桩之间发生拱形效应，并根据拱的这种预先形状计算荷载传递（休利特和兰多夫19971988 Kempfert;德国岩土工程协会2004）。这些不同的方法仍然需要讨论和改进，特别是当使用土工合成材料时（运敏等人2008;. Abusharar等人于2009年）。

为了制定专门针对刚性夹杂物技术的具体设计或执行规定，在法国进行了一个名为“安全防护法”（A.S.I.Ri）的国家项目，以调查这些作品涉及的机制。

该项目的目的是为满足工业需要的刚性桩提供技术和成本效益的对软土补强问题的反应。为了降低成本（劳动力和材料供应）并限制环境影响，项目工作重点是厚度为0.5至1.0米的薄颗粒平台，桩的覆盖率低于2％至5％（覆盖率为比例 的桩头面积到总面积）。 这些值小于经典设计方法的建议：英国标准BS8006（英国标准协会1995年）和Hewlett和Randolph（1988）建议，桩之间的颗粒填充厚度至少为桩的间距的0.7至1.4倍，而汉族 和Gabr（2002）建议的覆盖率在10％到20％之间。

作为该项目的一部分，使用基于离散和有限元方法之间的耦合的原始数值工具进行数值研究。本研究集中在通过颗粒层，土工合成板或刚性板的荷载向桩网的传递机理。

在第一部分中描述了用于建模这种结构的有限和离散元素方法之间的数值模型和特殊耦合。第二部分介绍了所研究案例的典型几何形状和进行仿真的数值程序。最后，考虑了颗粒层，基础板或基础土工合成材料，研究了三种不同的钢筋构型。

数值模型

分离元件法（DEM）和有限元法（FEM）的耦合分别用于对颗粒材料和土工合成材料进行建模。通过比较数值分析和全尺寸现场实验，验证了该耦合（Villard等人，2009）。

建模的DEM部分基于分子动力学（Cundall和Strack 1979）。粒状材料用与接触力相互作用的刚性颗粒建模。时间迭代过程包括在每个粒子上连续应用牛顿第二定律，更新粒子位置和接触点，计算接触力，并更新每个粒子上的力平衡。一个明确的跨越方案被用于整合运动方程（Allen和Tildesley 1994）。粒子之间的接触力的正常分量是从线性正态接定律推导出来的

其中 =接触的正常刚度，=接触的两个粒子i和j之间的重叠。

颗粒之间没有吸引力（接触是无粘性的）。 接触力的切向分量由Cundall和Strack（1979）提出的表达式计算，并受系数mu;的库仑摩擦准则的限制：

其中 =触点的切向刚度; =两个颗粒之间的增量切向位移。 Combe（2002）在静态条件下表明，考虑在0.5和1之间的比率不影响建模的结果。此外，

Schauml;fer（1996）建议在动态条件下将的比率设定为0.75。在本文讨论的数值模拟中，的比值固定为0.75。

有限元模型使用三节点三角形元素相互连接来描述土工合成材料的纤维结构（Villard和Giraud，1998）。基于大应变中的数学描述，片材的拉伸和膜行为被严格地再现。土工合成材料的全局机械性能取决于与纤维每个方向相关联的拉伸刚度J。在纤维的给定方向的拉伸力T取决于所考虑的方向上的纤维的变形ε和刚度J：

全尺寸工程的实验室和现场测试已成功验证了这种有限元模型的土工合成材料（Villard et al。2000; Gourc and Villard 2000）。

离散和有限元素之间的相互作用由颗粒和三角形元素之间的接触来处理。考虑正常和切向线性接触定律。这些触点的正常刚度的作用只是为了防止颗粒通过片状元件。切向接触力由数值方法中通常使用的弹性塑性行为（Villard 1996; Reddy等人，1996; Villard等人，2009）调节，受到库仑摩擦标准的限制（图1）。对于摩擦相互作用所必需的颗粒与土工合成材料的相对位移称为。

图1 土壤颗粒与片材元素之间的相互作用规律

数值模拟的几何和特征

数值分析基于在A.S.I.Ri项目框架内在法国进行的全面实验测试（Brianccedil;on2007）中使用的材料的几何形状和特征。

将厚度为的颗粒层放置在用平方网格间隔开的刚性桩网络增强的软土上。由于对称条件，分析在2.50times;2.50平方米的方形元素池（图2）上进行。每一堆都有0.37times;0.37平方米的正方形。 因此，覆盖率是桩头面积与基本单元面积的比值，占2.19％。

图2。 全尺寸实验测试的几何

负载转移层

数值载荷传递层由一组粒子组成，它们是以最小孔隙度0.355的多边形区域随机生成的，使用半径随着摩擦减小（REDF）过程的扩展（Chareyre和Villard 2005）。考虑了两种厚度的颗粒层：0.5m高的载荷传递层由16,000个颗粒组成，另外1个高度由32,000个颗粒组成（图3）。每个颗粒由直径为d的两个重叠球体的完全刚性组件组成。一个粒子的两个球体的中心之间的距离等于0.95d。球体的直径d均匀分布在0.01和0.04米之间。

选择表1所示的颗粒组件的接触参数，以再现与通常用于软土壤加固工程的颗粒材料相应的实验剪切强度水平。 图4显示了数值响应。在具有50kPa密封压力的三轴试验中的8000个样品中，对应于在装载到位于桩上的颗粒材料中的平均应力水平。

表1.数值粒度材料的微观和宏观机械参数

图4。在50 kPa密封压力下对颗粒材料进行三轴试验的数值曲线

8000个样品对三轴压缩试验的数值响应给出初始切线杨氏模量等于257MPa，相应的泊松比等于0.08。 泊松比的小值经典地观察到高配位数和高杨氏模量（Kuwano和Jardine 2002; Chevalier等2007）。

图3。 数值模型（）

基础板

通常考虑用于建筑应用的板坯使用具有均匀排列成两层的相同直径的球体组合（DEM）进行建模（图3）。这些球体与参数kn和kt的弹性和不可破坏的连接结合在一起。

板中的弯矩是从上层和下层的力推导出来的。考虑到弯曲简单支撑梁的分析解决方案，确定了正常的接触刚度kn。切向接触刚度kt被设定为适合镶嵌在其四个边界上的板的偏转行为（Chevalier 2008）。模拟弯曲试验以验证这些值。为了保证板坯的内聚力，在两层球体之间考虑到高吸力。这里不需要对板坯的精确描述，因为在板坯中发生的力和弯矩的确定不是本文的目的：主要目的是充分再现板坯的弯曲行为。

土工合成材料

土工合成材料通过彼此连接的三角形元件的组合来建模。假设根据研究的情况，片材由具有拉伸刚度J的两个垂直方向的纤维增强：。

土壤颗粒和土工合成材料之间的接触的宏观行为通过实验室实验室测试（摩擦或拉出试验）来表征。在土壤和土工合成材料之间测量的摩擦角为。颗粒颗粒和三角形元素之间的切向接触刚度（图1）从界面处的平均法向应力与充分动员摩擦所需的相对位移推算出（Pasqualini 1993; Gilbert 1996）。界面处的正应力归因于颗粒层的自重，相对位移被认为等于几毫米。

软土和边界条件

本研究的目的集中在颗粒层中发生的载荷传递。因此，软土和桩网之间发生的机制尚未考虑。因此，软土通过垂直弹簧（线性Winkler模型）以简化的方式建模。弹簧的刚度Kc取决于软土的压缩性，并将软土的沉降delta;与施加的垂直应力连接起来：

Kc以表示，表示具有欧氏模量的软土的等效高度：

考虑了Kc的四个值来确定其对载荷转移的影响：

软土和颗粒层之间的边界元素（图3）是与用于建模土工合成材料的那些有关的元素，但拉伸刚度J的值可忽略不计。桩头上的边界元素固定在 空间的三个方向。为了引入对称性，在基本单元周围使用四个无摩擦垂直平面。

加载过程

重力作用在载荷传递层上，而软土保持不活动。之后，温克勒弹簧被释放。一旦达到平衡状态，就会通过粒度层上的增量施加过载。 只有达到平衡状态后才应用以下负载增量。 使用的平衡标准用软土和桩的垂直力Fz计算，具有以下条件：

其中W =载荷传递层的重量（包括板坯的重量，如果有的话），Q =颗粒层上的实际过载。均匀垂直过载应力q的连续值分别为：12.8,25.5,46.8和68 kPa。总应力qt产生颗粒层的自重（包括混凝土板，如果有的话）和过载q可以写出来:

负载转移机制

软土地基加固与刚性桩的两个常见应用是建筑物和路堤（基本上是道路或铁路路堤）的加固。 这些之间的主要区别在于上层结构的变形公差和可能使用刚性板的边界条件。 因此，这两个应用程序产生的机制是根本不同的，并在不同的部分介绍。

在堤防下加固的应用

负载转移机制的典型结果

载荷传递机制是由软土收缩产生的差异沉降产生的。为了分析这些现象，在以下条件

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