， ， ，，

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，武漢 430074； 2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 地質(zhì)與路基設(shè)計(jì)研究處，武漢 430063; 3.核工業(yè)江西工程勘察研究總院，南昌 330079；4.核工業(yè)西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610061)

1 研究背景

通過對(duì)比自平衡測(cè)試法和傳統(tǒng)靜載試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)靜載試驗(yàn)所得到的承載力與自平衡測(cè)試法所得到的結(jié)果并不十分相符，而且這方面的理論研究比較匱乏。以往的自平衡測(cè)試法數(shù)值模擬研究中，對(duì)試驗(yàn)過程中樁周土體顆粒的孔隙率、位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)以及荷載傳遞機(jī)理的研究較少，而且基本都是視土體為均勻、各向同性的連續(xù)介質(zhì)，依賴高度簡(jiǎn)化和規(guī)定性質(zhì)的本構(gòu)方程，忽略了顆粒剛度、摩擦性質(zhì)、粒徑、形狀及其分布等細(xì)觀參數(shù)的影響，使得結(jié)果出現(xiàn)一定的偏差[1-3]。

本文利用離散元方法能考慮細(xì)觀參數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，采用顆粒流程序(PFC2D)模擬自平衡測(cè)試法的整個(gè)測(cè)試過程，從細(xì)觀角度(土體顆粒)分析測(cè)試過程中土顆粒細(xì)觀組構(gòu)變化，土體狀態(tài)的改變及土體應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)的變化規(guī)律等。通過分析還可得到上下段樁的Q-s曲線，克服以往宏觀角度研究的眾多缺陷，為自平衡測(cè)試法的理論研究提供一種全新的嘗試和探索。

2 二維離散元模型的建立

二維顆粒流(PFC2D)程序是通過離散單元法來模擬圓形顆粒介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)及其相互作用。本文利用顆粒流數(shù)值雙軸試驗(yàn)，找到能夠客觀反映黏性土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的土體顆粒細(xì)觀參數(shù)?？偨Y(jié)前人[4-7]對(duì)黏性土細(xì)觀參數(shù)研究，根據(jù)本文所采用土體的實(shí)際情況，先選取一組合適的細(xì)觀參數(shù)，進(jìn)行計(jì)算，將所得到的模擬結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行匹配；若偏差較大，則調(diào)整細(xì)觀參數(shù)，直到獲得與土體真實(shí)力學(xué)特性相近的一組細(xì)觀參數(shù)。

2.1 細(xì)觀參數(shù)的獲取

本文通過模擬雙軸試驗(yàn)來獲取適用黏性土的細(xì)觀參數(shù)，依據(jù)室內(nèi)雙軸試驗(yàn)實(shí)際情況，數(shù)值試樣的尺寸選取為70 mm×25 mm(高度×直徑)，數(shù)值試驗(yàn)的細(xì)觀參數(shù)見表1，數(shù)值雙軸試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D見圖1。

表1 黏性土細(xì)觀參數(shù)Table 1 Mesoscopic parameters of clayey soil inPFC model

圖1 數(shù)值雙軸試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭DFig.1 Schematic diagram of numerical biaxial test model

根據(jù)陳祖煜[8]提出的p-q法整理數(shù)值雙軸試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，獲得不同圍壓下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ)，將模擬試驗(yàn)得到的應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖，線性擬合得到p與q之間的關(guān)系，即

(1)

式中：σ1為最大主應(yīng)力；σ2為最小主應(yīng)力。

由線性擬合獲得的直線可以得到直線的截距和斜率，通過式(2)即可得到c和φ這2個(gè)重要的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，即

(2)

式中α為直線斜率。

不斷調(diào)整各細(xì)觀參數(shù)，建立各組細(xì)觀參數(shù)與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c，φ的定性與定量關(guān)系，得到能從宏觀上反映黏性土的細(xì)觀參數(shù)，室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值模擬試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。

圖2 黏性土偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線Fig.2 Deviatoric stress versus axial strain of clayey soil

由圖2可知，數(shù)值模擬結(jié)果與室內(nèi)三軸試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，說明表1中的這一組細(xì)觀參數(shù)能夠反映黏性土的宏觀力學(xué)性質(zhì)。

2.2 基樁自平衡測(cè)試法的數(shù)值建模

用PFC2D軟件對(duì)單樁靜載自平衡測(cè)試法進(jìn)行建模。利用wall模型模擬邊界墻體和樁體，利用ball模型模擬土體顆粒。綜合考慮計(jì)算效率和模擬精度等方面問題，根據(jù)武漢市某一工程實(shí)例中試樁的具體參數(shù)(樁長(zhǎng)40 m，樁徑1 m，長(zhǎng)徑比40∶1，荷載箱位于樁底以上約10 m的位置)，數(shù)值模型中樁長(zhǎng)取850 mm，其中有效樁長(zhǎng)為800 mm，樁徑D取20 mm，荷載箱位于樁底以上200 mm處的位置。根據(jù)Bolton等[9]在利用離心機(jī)試驗(yàn)?zāi)M靜力觸探問題時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)模型槽的寬度與靜力觸探探頭直徑比值>20倍時(shí)，模型槽的邊界效應(yīng)已經(jīng)不明顯，因此本文建立的二維模型槽在樁徑方向取30D，即為600 mm(寬度)，模型槽在樁長(zhǎng)方向取大約2L，即為1 700 mm(高度)。模型槽及樁體均由多面墻體組成，模型尺寸及自平衡測(cè)試法試驗(yàn)PFC2D模型如圖3所示。

圖3 模型尺寸及自平衡測(cè)試法試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.3 Modeling of self-balanced test and model dimensions

圖4 監(jiān)測(cè)圓系統(tǒng)Fig.4 System of monitoring circle

利用設(shè)置的監(jiān)測(cè)圓系統(tǒng)以及組成樁體的墻體測(cè)量相關(guān)的物理力學(xué)參數(shù)。由于對(duì)稱性，僅在一側(cè)設(shè)置較多監(jiān)測(cè)圓，監(jiān)測(cè)圓的設(shè)置如圖4所示。

量測(cè)系統(tǒng)主要用來測(cè)量自平衡測(cè)試法加載過程中樁周土體以及樁身部位相關(guān)的物理力學(xué)參數(shù)，主要包括2個(gè)部分:一是顆粒流自帶的測(cè)量圓系統(tǒng)，設(shè)置兩套，半徑分別為25 mm和100 mm，此處測(cè)量圓是用來記錄土體的平均應(yīng)力、應(yīng)變、孔隙率和配位數(shù)等變化情況；二是樁身墻體，主要用于監(jiān)測(cè)自平衡測(cè)試法加載過程中樁身墻體的應(yīng)力變化情況，主要是將樁身右側(cè)墻體采用17面墻體拼接而成，可獲取樁身不同位置處在加載過程中作用力的變化情況。上段樁和下段樁樁體均采用50 mm長(zhǎng)的一段墻體代替，由于上段樁朝上移動(dòng)，下段樁朝下移動(dòng)，為防止加載過程中顆粒由荷載箱處往樁體內(nèi)部溢，故荷載箱位置采用30 mm的搭接。

圖5 模擬自平衡測(cè)試法加載示意圖Fig.5 Modeling of loading of self-balanced test

本文通過對(duì)構(gòu)成樁的墻體施加速度模擬加載。同現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試一樣，分6級(jí)加載，在每級(jí)加載過程中控制樁身荷載箱以上墻體的速度為5×10-8m/時(shí)步，荷載箱以下墻體的速度為-5×10-8m/時(shí)步(以豎直向上為正方向)，每級(jí)加載20 000時(shí)步，靜置循環(huán)20 000時(shí)步，可以控制上段樁以及下段樁的位移均為6 mm，加載示意圖如圖5所示。

圖6 樁端阻力、樁側(cè)阻力、總承載力、端阻力占荷載比例與加載級(jí)別關(guān)系曲線Fig.6 Curves of tip resistance, side resistance,total bearing capacity, and ratio of tip resistance to load against load level

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 基樁自平衡測(cè)試法的承載性狀

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，輸出樁底及樁身右側(cè)墻體在加載過程中x，y方向上的接觸應(yīng)力數(shù)據(jù)，獲得自平衡測(cè)試法加載過程中樁端阻力、樁側(cè)阻力以及總承載力的變化情況，得到樁端阻力、樁側(cè)阻力以及總承載力與加載級(jí)別變化曲線如圖6(a)—6(c)所示。根據(jù)圖6(a)和圖6(c)可以得到，樁端阻力占荷載比例與加載級(jí)別的關(guān)系，如圖6(d)所示。

由圖6(a)可知：樁端阻力隨著加載級(jí)別的增加不斷增大，但是增大的速度越來越小。前4級(jí)樁端阻力增長(zhǎng)較快，能夠達(dá)到3.8 MPa；當(dāng)加載第4級(jí)時(shí)增長(zhǎng)速度明顯減慢，表明樁端阻力的增長(zhǎng)只是在一定的范圍內(nèi)增長(zhǎng)，并不是無限的增長(zhǎng)。

由圖6(b)可知：樁側(cè)阻力隨著加載級(jí)別的增加不斷增大，但是增大的速度越來越小。前5級(jí)側(cè)阻力增長(zhǎng)較快，能夠達(dá)到6.07 MPa；當(dāng)加載第5級(jí)時(shí)出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，增長(zhǎng)速度明顯減慢，表明樁側(cè)阻力的增長(zhǎng)只是在一定的范圍內(nèi)增長(zhǎng)；當(dāng)樁側(cè)土的摩阻力發(fā)揮到極限值時(shí)，不再增長(zhǎng)。

由圖6(c)可知：總承載力隨著加載級(jí)別的增加不斷增大，但是增大的速度越來越小,前5級(jí)總承載力增長(zhǎng)較快，其值能夠達(dá)到10.37 MPa；當(dāng)加載第6級(jí)時(shí),增長(zhǎng)速度明顯減慢。

由圖6(d)可知：加載到第1級(jí)荷載時(shí)，樁端阻力占總承載力的比值為0.33；加載到第3級(jí)時(shí)，比值達(dá)到了0.41；隨后的3級(jí)加載比值穩(wěn)定在0.41左右。

一般認(rèn)為樁側(cè)阻力先于樁端阻力發(fā)揮，但在本模型中樁端阻力自始至終發(fā)揮著重要的作用。出現(xiàn)此結(jié)果的原因主要是由于自平衡測(cè)試法與傳統(tǒng)靜載試驗(yàn)加載方式不同。自平衡測(cè)試法是通過樁中間的荷載箱對(duì)樁體分別施加向上和向下的荷載，且本次模擬荷載箱的位置離樁端較近，導(dǎo)致在加載的初始階段，樁端阻力就有一定的發(fā)揮，在第3級(jí)加載時(shí)樁端阻力所起的作用比較大，但是由于本次模擬的樁長(zhǎng)徑比為40∶1，加載全過程中樁側(cè)阻力始終占據(jù)主導(dǎo)地位。

3.2 基樁自平衡測(cè)試法承載性狀的細(xì)觀特點(diǎn)

3.2.1 樁周土體孔隙率變化規(guī)律

在每一級(jí)加載后，利用其中設(shè)置的監(jiān)測(cè)圓測(cè)量土體孔隙率。為了便于觀察，將各級(jí)孔隙率減去初始孔隙率然后乘以10 000倍。利用得到的數(shù)據(jù)，繪制每一級(jí)下的孔隙率變化云圖。取其中加載級(jí)別為第2、第4、第6級(jí)時(shí)所得到的云圖進(jìn)行分析，如圖7所示。

圖7 樁周土體孔隙率變化Fig.7 Changes of porosity of soil around pile

由圖7可知，孔隙率隨著加載級(jí)別的增加在空間上呈現(xiàn)出有規(guī)律的變化。上段樁上部近樁側(cè)土體孔隙率增大且增大趨勢(shì)明顯，該區(qū)域沿豎直方向1 550 mm位置呈圈狀向四周增大趨勢(shì)減小，水平方向?yàn)檫h(yuǎn)離樁體處孔隙率增大的趨勢(shì)越來越小，此區(qū)域?yàn)槭杷蓞^(qū)，而該區(qū)遠(yuǎn)樁側(cè)土體孔隙率減小且減小明顯，該區(qū)域?yàn)閴好軈^(qū)。上段樁中部近樁側(cè)土體的孔隙率增大且增大趨勢(shì)明顯，但是隨著加載級(jí)別的增加，此區(qū)域不斷減小，而該區(qū)遠(yuǎn)樁側(cè)土體的孔隙率變化不明顯，該區(qū)域?yàn)閴好軈^(qū)。上段樁下部及下段樁樁側(cè)土體的孔隙率增大且增大明顯，向四周呈圈狀增大趨勢(shì)減小，但是在樁端右側(cè)出現(xiàn)一孔隙率增大十分明顯的區(qū)域，該區(qū)域?yàn)槭杷蓞^(qū)。與樁側(cè)變化不同的是，樁端附近的土體孔隙率減小，且越靠近樁端孔隙率變化越大，沿豎直方向變化趨勢(shì)減小，形成一個(gè)壓密區(qū)。對(duì)比不同的加載級(jí)別可以看出，樁端土體在受到的加載力越來越大時(shí)，對(duì)土體的影響范圍也越來越大。

3.2.2 樁周土顆粒配位數(shù)變化規(guī)律

在二維顆粒流程序中，配位數(shù)為監(jiān)測(cè)圓內(nèi)某一顆粒與周邊其他顆粒的接觸數(shù)。在每一級(jí)加載后，利用其中設(shè)置的監(jiān)測(cè)圓測(cè)量土體顆粒之間的平均配位數(shù)。為了便于觀察，將各級(jí)配位數(shù)減去初始配位數(shù)得到其變化值。利用得到的數(shù)據(jù)，繪制每一級(jí)下的平均配位數(shù)變化云圖。取其中加載級(jí)別為第2、第4、第6級(jí)時(shí)所得云圖進(jìn)行分析，如圖8所示。

圖8 樁周土體顆粒平均配位數(shù)變化Fig.8 Changes of coordination number of soil particles around pile

由圖8可知，上段樁上部土體顆粒的配位數(shù)增大，該區(qū)域水平方向上遠(yuǎn)離樁體的配位數(shù)增大的趨勢(shì)越來越小，豎直方向越往上增大趨勢(shì)越大，水平方向的影響范圍主要到距模型500 mm處，即10D。上段樁中部土體顆粒的配位數(shù)減小，豎直方向上呈一個(gè)環(huán)狀，在約1 200 mm處配位數(shù)減小的數(shù)值達(dá)到最大，往上往下均趨勢(shì)變?nèi)?，水平方向上配位?shù)減小趨勢(shì)越小且水平方向的影響范圍主要到距模型左邊界400 mm處，即5D，該區(qū)域?yàn)槭杷蓞^(qū)。上段樁下部及下段樁土體顆粒的配位數(shù)增大且增大趨勢(shì)明顯，沿水平方向增大趨勢(shì)減小，豎直方向增大趨勢(shì)增大。樁端附近的土體配位數(shù)增大，且越靠近樁端配位數(shù)變化越大，沿豎直方向變化趨勢(shì)逐漸減小，形成一個(gè)壓密區(qū)。對(duì)比不同的加載級(jí)別可以看出，樁端土體在受到的加載力越來越大時(shí)，對(duì)土體的影響范圍也越來越大，從第1級(jí)加載的豎向800～700 mm處，變?yōu)榈?級(jí)加載的豎向800～600 mm處，影響范圍從樁端以下5D變?yōu)?0D。

在自平衡測(cè)試加載過程中，上段樁向上移動(dòng)，下段樁向下移動(dòng)，導(dǎo)致荷載箱附近的土體顆粒受到2個(gè)相反力的作用，有一個(gè)拉扯作用，導(dǎo)致這一區(qū)域的孔隙率減小但是接觸數(shù)反而增大；而上段樁的上部以及上段樁下部與下段樁的土體顆粒受到壓縮，這一區(qū)域土體孔隙率減小，土顆粒之間的接觸增多，形成一個(gè)壓密區(qū)。而樁端主要是由于樁向下移動(dòng)的過程中，對(duì)樁端土體的擠密作用，增加了土體顆粒之間的接觸。上述為樁周土體顆粒的配位數(shù)發(fā)生這種變化的主要原因。

3.2.3 樁周土體應(yīng)力變化規(guī)律

在每一級(jí)加載后，利用其中設(shè)置的監(jiān)測(cè)圓測(cè)量土體內(nèi)的水平方向附加應(yīng)力和豎直方向附加應(yīng)力。通過計(jì)算得到在加載過程中土體的附加應(yīng)力，繪制每一級(jí)下的附加應(yīng)力變化云圖。取加載級(jí)別為第2、第4、第6級(jí)時(shí)所得的云圖進(jìn)行分析，水平和豎向應(yīng)力云圖如圖9所示。負(fù)值表示附加應(yīng)力為正，土體顆粒進(jìn)一步壓縮；正值表示附加應(yīng)力為負(fù)，顆粒在一定程度上壓縮減小。

圖9 樁周土體水平和豎向附加應(yīng)力場(chǎng)變化Fig.9 Additional horizontal and vertical stress fields in soil around pile

由圖9(a)—圖9(c)可知，樁周土體水平附加應(yīng)力隨著加載級(jí)別的增加在空間上呈現(xiàn)出有規(guī)律的變化。樁端附近，土體的水平附加應(yīng)力持續(xù)快速減小，表明在下段樁的刺入作用下，樁端土體受到斜下方的擠闊作用，且作用隨著加載級(jí)別的增大逐漸變強(qiáng)，在樁端斜下方，在水平方向400～500 mm處，豎直方向700～750 mm的區(qū)域，出現(xiàn)一個(gè)水平附加應(yīng)力場(chǎng)增大區(qū)域。樁側(cè)附近，水平附加應(yīng)力變化最劇烈的位置位于荷載箱附近即豎向1 000 mm處，且隨著加載級(jí)別的增加顏色逐漸變深，表明樁側(cè)在這個(gè)區(qū)域剪切作用十分強(qiáng)烈，往上往下顏色均有不同程度的變淺，表明水平附加應(yīng)力作用在上段樁的上部和下段樁的下部周圍土體的效果不太明顯。在荷載箱的正右方，也就是水平方向400～500 mm，豎直方向900～1 100 mm的區(qū)域，出現(xiàn)一個(gè)水平附加應(yīng)力減小的區(qū)域，在此區(qū)域由于下部和上部土體的擠出效應(yīng)在此處形成一定的張拉效果，而此區(qū)域再往上(水平方向350～500 mm，豎直方向1 250～1 350 mm)出現(xiàn)一個(gè)擠密區(qū)，此區(qū)域的出現(xiàn)主要是由于上部土體的自重與下部土體的擠密作用雙重影響下，出現(xiàn)一個(gè)擠密區(qū)，與理論結(jié)果相符。樁周土體顆粒之間的水平附加應(yīng)力主要集中在樁端附近以及荷載箱所在的區(qū)域，這2處產(chǎn)生較大的水平向附加應(yīng)力，變化較劇烈。

由圖9(d)—圖9(f)可知，樁周土體顆粒之間豎向附加應(yīng)力場(chǎng)隨著加載級(jí)別的增加在空間上呈現(xiàn)出有規(guī)律的變化。在樁端下部大約30°以內(nèi)的區(qū)域，豎向附加應(yīng)力場(chǎng)呈圈狀放射分布，且隨著加載級(jí)別的增大，顏色逐漸變深，表明土體顆粒之間豎向附加應(yīng)力持續(xù)快速增加，形成一個(gè)逐漸增大的擠密區(qū)域，此區(qū)域擠密的土體給予樁身足夠的端阻力。樁側(cè)附近，豎向附加應(yīng)力變化最劇烈的位置位于荷載箱附近即豎向800～1 200 mm處，此區(qū)域豎向附加應(yīng)力變小，且隨著加載級(jí)別的增加顏色逐漸變淺，區(qū)域范圍變大，表明這個(gè)區(qū)域土體受到的拉扯作用十分強(qiáng)烈。豎向1 200 mm處往上顏色均勻，表明豎向附加應(yīng)力作用在上段樁的上部周圍土體的效果不太明顯。樁周土體顆粒之間的豎向附加應(yīng)力主要集中在樁端附近以及荷載箱所在的區(qū)域，樁端附近土體顆粒之間的豎向附加應(yīng)力增大較多，荷載箱附近減小較多，對(duì)比附加水平應(yīng)力值和附加豎直應(yīng)力值可知，豎直應(yīng)力值的變化遠(yuǎn)大于水平應(yīng)力值的變化。

3.2.4 樁周土體位移變化規(guī)律

在每一級(jí)加載后，利用編寫的程序測(cè)量一定區(qū)域內(nèi)顆粒的位移變化。利用計(jì)算結(jié)果獲取選定區(qū)域內(nèi)顆粒的數(shù)目、編號(hào)、坐標(biāo)、水平方向位移以及豎直方向位移等。本文共選擇18個(gè)樁端和17個(gè)樁側(cè)的典型顆粒進(jìn)行分析，所選擇的典型顆粒分布如圖10所示。樁端所選擇的18個(gè)顆粒全部位于樁中心線的右側(cè)且位于樁端的正下方，并近似呈一條直線分布，近樁端取點(diǎn)較密，遠(yuǎn)離樁端取點(diǎn)較疏，由上到下進(jìn)行重新編號(hào)，依次為1—18號(hào)顆粒。樁側(cè)所選擇的17個(gè)典型顆粒全部位于樁體的右側(cè)，并近似呈一條直線分布，近荷載箱取點(diǎn)較密，遠(yuǎn)離荷載箱取點(diǎn)較疏，由上到下進(jìn)行重新編號(hào)，依次為1—17號(hào)顆粒。

圖10 典型顆粒分布示意圖Fig.10 Distribution of selected particles

樁端下部土體顆粒位移隨加載級(jí)別的增加其變化曲線如圖11所示。

圖11 樁端典型顆粒水平位移和豎向位移Fig.11 Horizontal and vertical displacements of selected particles at pile tip

由圖11(a)可知，隨著加載級(jí)別增加，每一個(gè)顆粒的水平位移都有不同程度的變化且量值相對(duì)較小。

樁端中心線右側(cè)樁端以下約20 mm即1D范圍內(nèi)的土體顆粒在加載過程中不斷的朝左移動(dòng)；樁端以下20～100 mm即1D～5D范圍內(nèi)的土體顆粒在加載過程中不斷朝右移動(dòng)；樁端以下100～140 mm即5D～7D范圍內(nèi)的土體顆粒在加載過程中不斷朝左移動(dòng)；樁端140 mm即7D以下的土體在加載過程中不斷朝右移動(dòng)。

水平位移相對(duì)較小，在加載級(jí)別為6時(shí)，水平位移的最大值為D3號(hào)顆粒的0.134 8 mm，其余顆粒位移均在-0.1～0.05 mm之間。

由圖11(b)可知，隨著加載級(jí)別的增加，每一個(gè)顆粒的豎向位移都有不同程度的增加。并且豎向位移在整個(gè)加載過程中全部為負(fù)值，說明土體顆粒全部向下移動(dòng)。在加載到第6級(jí)時(shí)，豎向位移的最大值出現(xiàn)在D2號(hào)顆粒即樁端以下約10 mm處，其位移為-3.602 mm。該處以下，同一加載級(jí)別下，越靠近樁端，其豎向位移越大；越遠(yuǎn)離樁端，其豎向位移越小。以上結(jié)果表明，樁端土體顆粒在整個(gè)加載過程中，全部向下移動(dòng)，且越靠近樁端其豎向位移越大，越遠(yuǎn)離樁端其豎向位移越小，由此可以得到由于下段樁的移動(dòng)，樁端土體處于壓密狀態(tài)，并且壓密作用只是在樁端一定范圍的土體內(nèi)存在。

比較加載過程中的樁端土體的水平位移和豎向位移可知，由于下段樁的持續(xù)壓入，樁端下部土體豎向位移較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水平位移，且影響范圍主要在樁端以下20D的范圍以內(nèi)。

樁側(cè)土體顆粒位移隨加載級(jí)別的增加其變化曲線如圖12所示。

圖12 樁側(cè)典型顆粒水平和豎向位移Fig.12 Horizontal and vertical displacement of selected particles of pile side

由圖12(a)可知，隨著加載級(jí)別的增加，每一個(gè)顆粒的水平位移都有不同程度的變化。上段樁(1 000～1 600 mm)水平位移值相對(duì)較小，最大值為C4號(hào)顆粒，其值為0.57 mm，由C1和C2號(hào)顆粒水平位移為負(fù)值，可知在加載過程中樁頭附近土體朝左移動(dòng)；由C3和C5號(hào)顆粒水平位移為正值，可知在加載過程中上段樁中部附近的土體朝右移動(dòng)；由C6和C11號(hào)顆粒水平位移為負(fù)值，可知在加載過程中上段樁下部范圍內(nèi)的土體朝左移動(dòng)。荷載箱附近(900～1 100 mm)樁側(cè)土體顆粒在加載過程中的水平位移最大值發(fā)生在C8號(hào)顆粒，其值為-0.383 mm，由C7—C15號(hào)顆粒水平位移全部為負(fù)值，可知在加載過程中荷載箱附近范圍內(nèi)的土體均朝左移動(dòng)，但是水平位移值的大小規(guī)律不是很明顯。下段樁樁側(cè)土體顆粒在加載過程中最大值發(fā)生在C15號(hào)顆粒，其值為-0.254 mm。由C11—C15號(hào)顆粒水平位移為負(fù)值，可知在加載過程中下段樁上部附近范圍內(nèi)的土體均朝左移動(dòng)，由C15-C17號(hào)顆粒水平位移為正值，可知在下段樁下部范圍內(nèi)的土體朝右移動(dòng)。

由圖12(b)可知，隨著加載級(jí)別的增加，樁側(cè)每一個(gè)顆粒的豎直位移都有不同程度的變化且呈規(guī)律性變化。表現(xiàn)為豎向位移值相對(duì)較大，最大值發(fā)生在1號(hào)顆粒處，其值為2.777 mm，當(dāng)加載到第6級(jí)時(shí)，上段樁上部范圍內(nèi)的土體顆粒的豎向位移有所減小，上段樁下部范圍內(nèi)的土體顆粒的豎向位移仍在增加。由C1—C11號(hào)顆粒豎向位移均為正值，可知在加載過程中上段樁樁側(cè)附近的土體均朝上移動(dòng)。荷載箱附近土體顆粒在加載過程中，其上部范圍內(nèi)的土體，隨著加載級(jí)別的增加，在不同程度的增大，且值全部為正值，表明這一區(qū)域，在加載過程中朝上移動(dòng)。荷載箱下部范圍內(nèi)的土體，豎向位移隨著加載級(jí)別的增加有所減小，且值全部為負(fù)值，表明這一區(qū)域，在加載過程中朝下移動(dòng)。

下段樁樁側(cè)土體顆粒在加載過程中的豎向位移表現(xiàn)為下段樁上部范圍內(nèi)的土體，隨著加載級(jí)別的增加，豎向位移在不同程度的增大，且值全部為正值，表明這一區(qū)域，在加載過程中朝上移動(dòng)。下段樁中部范圍內(nèi)的土體，豎向位移隨著加載級(jí)別的增加，豎向位移有所減小，且值全部為負(fù)值，表明這一區(qū)域，在加載過程中朝下移動(dòng)。以上2個(gè)區(qū)域，當(dāng)加載到第6級(jí)時(shí)，豎向位移相對(duì)減小。下段樁下部范圍內(nèi)的土體，豎向位移隨著加載級(jí)別的增加，豎向位移不斷增大。

4 結(jié) 論

通過二維顆粒流對(duì)基樁自平衡測(cè)試法進(jìn)行研究，分析單樁在加載過程中的承載特性以及樁-土相互作用細(xì)觀規(guī)律，得出了以下結(jié)論：

(1)加載過程中樁周土體顆粒孔隙率的變化主要是樁端一定范圍內(nèi)的土體顆?？紫堵首冃。以娇拷鼧抖丝紫堵首兓酱?，沿豎直方向變化趨勢(shì)減小，存在擠密作用。樁側(cè)土體孔隙率的變化主要是荷載箱附近和上段樁上部一定范圍內(nèi)變大，形成疏松區(qū)。

(2)加載過程中樁周土體顆粒之間接觸數(shù)的變化主要是樁端一定范圍內(nèi)的土體顆粒之間接觸數(shù)變大，且越靠近樁端，接觸數(shù)變大的趨勢(shì)越大，沿豎直方向變大趨勢(shì)減小，存在壓密作用。樁側(cè)土體主要是荷載箱附近顆粒之間接觸數(shù)變小，形成一個(gè)疏松區(qū)，荷載箱往上接觸數(shù)變大，形成壓密區(qū)，往下逐漸變大，形成壓密區(qū)。

(3)加載過程中樁周土體應(yīng)力場(chǎng)的變化主要集中在樁端以及荷載箱附近，這2處產(chǎn)生較大的水平向附加應(yīng)力，變化較劇烈，而豎向附加應(yīng)力主要是樁端附近的豎向附加應(yīng)力增大較多，荷載箱附近減小較多。

(4)加載過程中樁周土體的位移場(chǎng)的變化主要是樁端一定范圍內(nèi)土體的豎向位移較大，且越靠近樁端豎向位移越大。樁側(cè)土體的豎向位移主要是荷載箱附近變化較劇烈，往上顆粒朝上移動(dòng)，往下顆粒朝下移動(dòng)，土體顆粒之間的豎向位移遠(yuǎn)大于水平位移。

(5)分析加載過程中樁周土體的承載性狀，得到加載的初始階段，樁側(cè)阻力要先于樁端阻力發(fā)揮，但是樁端阻力也有一定的發(fā)揮。隨著加載的進(jìn)行，樁端阻力開始占據(jù)明顯的作用，由于樁長(zhǎng)徑比為40∶1，因而在加載后期，樁端阻力占比維持在0.41左右。