土工织物封装火山渣桩三轴试验及连续-离散元耦合研究

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为了实现“碳达峰、碳中和”的宏伟目标,近年来地基处理中愈发强调对周边环境的保护,同时兼顾经济性和适用性,因此就地取材,因地制宜显得更为重要。土工织物封装火山渣桩是一种新型软土地基处治技术,火山渣填料不但具有类似于传统碎石填料的力学性能,而且火山渣作为环境友好型材料,在部分地区取材更方便,造价更低廉,目前对土工材料封装碎石桩已有大量研究,但对土工织物封装火山渣桩的研究还鲜有耳闻,其承载特性机理及受力变形特性尚有待研究。鉴于此,本文基于应用最广泛的室内三轴试验及土工材料封装散体桩的研究成果,从承载特性、桩体受力变形特性等方面出发,通过土工织物封装散体桩三轴试验研究了土工织物封装散体桩在不同围压下的应力-应变特性,桩身鼓胀特性及抗剪强度特性。基于试验结果,通过连续-离散的土工织物封装火山渣桩的数值模型进一步对桩体的承载变形特性进行深入的宏细观研究,并结合已有简化计算方法,讨论了不同解析解对试验结果的适用性,主要取得以下成果及结论:(1)土工织物封装散体桩三轴试验研究(1)对比有无土工织物包裹的火山渣三轴试验结果,无包裹的火山渣内摩擦角分别为37.0°,土工织物包裹的火山渣的似黏聚力c=153.8 k Pa,摩擦角φ=36.8°,土工织物对填料的内摩擦角影响不大,却能极大的提高桩体的似黏聚力,且根据有无包裹碎石的三轴试验结果可知,对于不同填料的似黏聚力提升效果大体相同。封装火山渣桩(Dr=0.8)的不同围压下的峰值应力约比无封装火山渣桩(Dr=0.8)平均高3.3倍,比低密实度(Dr=0.6)下的封装火山渣桩平均高15%。(2)封装散体桩三轴试验中,围压越大,初始切线模量越大,且在低围压作用下,在桩体达到应变软化之前,应力-应变曲线基本保持线性增长,而在高围压下,加载初期由于在固结过程中土工织物在体积上有一定的收缩,所以相较于低围压下的剪切过程,包裹材料会较晚的发挥其约束作用。(3)不同桩体填料及密实度下的桩体鼓胀变形特征有着类似的规律,桩体在距加载位置1.5d的高度鼓胀变形最为剧烈,桩体中间位置次之,桩底位置鼓胀不明显。(2)土工织物封装火山渣桩三轴试验连续-离散元耦合研究(1)通过球体颗粒模拟火山渣颗粒,壳结构单元模拟土工织物套筒,建立连续-离散的土工织物封装散体桩三轴数值模型,对三轴试验的全过程进行模拟,在应力-应变曲线及桩体鼓胀变形规律上与试验结果相吻合,验证了本文数值模型的合理性。(2)在加载过程中,火山渣的竖向应力和径向应力主要集中分布在桩体鼓胀变形最大的区域范围内,该区域的颗粒接触力明显偏大,孔隙率偏大,配位数偏小。(3)土工织物封装火山渣桩连续-离散元耦合模型参数分析(1)根据不同围压下峰值应力和桩身模量与不均匀系数和曲率系数的关系,建立考虑级配影响的土工织物包裹封装散体桩的桩体强度计算公式。(2)长径比为5的细长土工封装火山渣桩的微观应力分布规律与封装火山渣桩在三轴试验中保持一致,在距桩顶1 d~2 d范围内出现明显鼓胀,1.5 d高度位置鼓胀最为剧烈,在此位置对应的竖向应力与径向应力较大,颗粒间接触力较大。根据孔隙率及配位数的变化规律表明,细长桩在加载过程中,桩底及桩顶一定高度范围内密实度逐渐增加,而在桩中部位置密实度有所下降。(3)桩身越短,土工织物的径向变形越大,对应的桩体承载力也就越大,但是会更快的达到极限承载力。同一桩体尺寸下,填料密实度越高,桩体强度越大,填料密实度为0.5及以下的桩体土工织物出现径向收缩现象,且桩体强度较低。此外,良好级配填料的桩体有着更高的承载能力,填料颗粒中粗颗粒的含量越高,桩体承载能力越强。(4)土工织物封装火山渣桩承载特性解析解研究(1)根据验证结果,结合文献简化及修正的理论解析解公式适用于试验中的土工织物封装散体桩三轴试验,能够较好的预测桩顶沉降及桩身鼓胀变形。(2)采用非线性弹性模型均能较准确地预测桩顶沉降,但预测结果比实际偏小,线弹性模型预测结果偏差较大;在鼓胀变形预测中,线弹性模型的计算结果偏于保守,非线性弹性模型预测结果较为准确。
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