基于ABAQUS的软土地基工程数值模拟研究

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我国沿海地区发达,对基础建设的需求大,而其沿海地区的软土地质条件也是一个影响建筑物安全稳定的重要因素。在如何处理软土的技术问题上,有换土垫层法、排水固结法、搅拌桩法等加固方法。对于不同的工程,采用的加固方式各有不同。本文在中山市某变电站场地进行水泥搅拌桩加固软土地基的现场试验,围绕着“先堆载后打桩(DPZ)”及“先打桩后堆载(ZDP)”两种不同处理方式来进行分析;在现场试验后结合有限元软件ABAQUS来对处理效果较好的方式进行模拟,并探索桩长与荷载对加固效果的影响。本文的主要研究内容及结论如下:(1)在现场试验场地上进行在排水板联合堆载预压及水泥搅拌桩的不同工艺(主要包括:“先堆载后打桩”及“先打桩后堆载”)的软土地基加固试验,根据试验得到的不同区域的土体静力触探结果及其沉降量变化,结合不同处理方式处理来综合分析,可知经过“DPZ”及“ZDP”区各处理方式后的软基都有一定变化,处理后的各土层间的锥尖阻力都得到了提升。其中,先堆后桩的施工工艺对软土地基浅层的土体作用效果较明显,锥头阻力较大;先桩后堆的施工工艺对软土地基深层的土体作用效果较明显,锥头阻力较大。从两种不同工艺下处理的软土地基的沉降量大小来分析,ZDP区的沉降量远比DPZ区的要小。这是因为ZDP区的施工工艺是先打桩后堆载,由于前期打入了水泥土搅拌桩,对后面的堆土所带来的上部荷载具有支撑作用,最终导致ZDP堆载区的总沉降量比DPZ堆载区的总沉降量减少接近一倍,在实际工程中先打桩后堆载的方式适用性较好。(2)在现场试验的基础上,以ZDP堆载区水泥土搅拌桩加固的软土地基为研究对象,运用大型有限元软件ABAQUS建立相应的水泥搅拌桩加固软土地基三维有限元模型并进行验证。对软土地基变形及水泥搅拌桩的内力分布进行了数值模拟分析,并与监测结果进行对比,可知1)桩体部分的最大mises应力值位置发生处理位于桩体的最下端。而与桩体同等深度处的土体应力情况则起伏变化较小。2)桩体的U3(垂直沉降量)位移量为21.72mm;对于桩间土而言,沿其土体路径的U3位移量达到79.24mm。在深度达到14米处时(位于桩体下部土体中),此深度以下的土体的变形量较小。同时,桩体在土体处的沉降要比其靠近土体表面的沉降量小,此外在接近桩体底部时,桩体位移变化量又逐渐接近。桩体部位产生的总沉降量比起土体的沉降量要小,大约只占土体沉降量的三分之一。3)在桩端下1和2倍时,桩体对土体的沉降量影响较大,此处的桩端下土体沉降量与受到荷载区域的其他土体沉降量相差相对较大,而在3、5和8倍桩端下,桩端下土体与周围土体沉降量则较为相似。土体承受荷载所带来的沉降量随着土体深度的增加而减小,并与其位置是否在桩端下有关联,但随着深度越大,关联越小。(3)在对ZDP区的验证模拟中,利用有限元ABAQUS软件深入探究在该软土地基上,不同桩长、不同上部荷载对水泥搅拌桩加固软土基地效果的影响关系,相应的沉降量变化规律,得到持力层土体的最大竖向位移都出现在持力层土体中与桩端接触的部位。在同一荷载水平下,随着桩身长度的增加,地基的沉降量逐渐减小,两者成线性关系。根据水泥搅拌桩打入持力层的不同,可得到两组沉降量大小的排序:8米桩>10米桩>12米桩、14米桩>16米桩。当荷载较小,桩端进入第三层粉砂层持力层时,12米桩效果较好;当荷载较大时桩端进入第四层粉质黏土层时,桩长为14m或者16m,两者不同桩长引起的沉降量反而变化不大,同时14m桩长可满足设计要求,较16m桩长更经济实效。但短桩的效果跟长桩的相差较小,从经济效益方面来考虑,短桩的的适用性相对较强。
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