重载堆场桩网复合地基离心模型试验与数值模拟研究

李威; 周春儿; 吴加武; 董华钢; 任红磊

doi:10.11779/CJGE2022S2016

重载堆场桩网复合地基离心模型试验与数值模拟研究 English Version

李威^{1, 2,},
周春儿³,
吴加武³,
董华钢³,
任红磊^{1, 2, ,}

1.
南京水利科学研究院岩土工程研究所, 江苏南京 210024
2.
水文水资源与水利工程国家重点实验室, 江苏南京 210029
3.
广东省航运规划设计院有限公司, 广东广州 510050

基金项目:

中央高校基本科研业务费专项项目 Y321002

江苏水利科技项目 2018019

详细信息

作者简介:
李威(1994—)，男，硕士，工程师，主要从事岩土工程数值模拟等方面的研究工作。E-mail：liwei@nhri.cn

通讯作者:
任红磊, E-mail: 1987766238@qq.com

中图分类号: TU472
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出版历程
- 收稿日期: 2022-12-07
- 网络出版日期: 2023-03-26
- 刊出日期: 2022-11-30

Centrifugal model tests and numerical simulations of pile-net composite foundation for heavy-load storage yard

LI Wei^{1, 2,},
ZHOU Chun-er³,
WU Jia-wu³,
DONG Hua-gang³,
REN Hong-lei^{1, 2, ,}

1.
Geotechnical Engineering Department, Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210024, China
2.
State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Nanjing 210029, China
3.
Guangdong Province Planning & Design Institute for Water Transportation Co., Ltd., Guangzhou 510050, China

摘要

摘要: 以某码头重载堆场CFG桩网复合地基为研究背景，开展离心模型试验及三维数值模拟计算，研究重载作用下桩网复合地基变形及受力特性。结果表明：离心模型及数值模拟得出的地基变形、桩顶轴力、孔隙水压力及桩土应力比结果具有较好的一致性，两种方法可互为补充验证；重载作用下，桩网复合地基发生的位移以竖向沉降分量为主，水平位移分量较小，位移变化速率满足堆场稳定性控制要求；复合地基中桩土应力比介于20~40之间，CFG桩分担了一半以上的上覆堆场荷载，发挥了极其关键的荷载分担作用。
- CFG桩 /
- 变形 /
- 桩土应力比 /
- 离心模型试验 /
- 数值模拟
Abstract: Based on the research background of pile-net composite foundation of the heavy-load storage yard of a wharf, the centrifugal model tests and three-dimensional numerical simulations are carried out to study the deformation and stress characteristics of the pile-net composite foundation under heavy loads. The results show that the values of foundation deformation, axial force at pile top, pore water pressure and pile-soil stress ratio obtained by the centrifugal model and numerical simulation are in good agreement, and the two methods can be complemented and verified for each other. Under the heavy loads, the displacement of the pile-net composite foundation is mainly the vertical settlement component, and the horizontal displacement component is small. The change rate of displacement meets the control requirements of yard stability.The pile-soil stress ratio in the composite foundation is between 20 and 40, and the CFG piles share more than half of the loads of the overlying storage yard, playing a key role in load sharing.
- CFG pile /
- deformation /
- pile-soil stress ratio /
- centrifugal model test /
- numerical simulation

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0. 引言

膨润土是一种以蒙脱石为主要矿物成分的层状硅铝酸盐矿物,遇水膨胀,具有良好的吸附性和造浆性,被广泛应用于软土地基处理及建设工程当中^[1-3]。膨润土泥浆主要可分为钠基膨润土泥浆和钙基膨润土泥浆,膨润土泥浆中的钠离子的离子交换能力远高于钙离子^[4],钠基膨润土泥浆具有更高的吸附性、触变性和胶凝性,更适用于工程的应用。

在顶管工程当中,管体侧壁与土体之间会生成较大的摩阻力,故需要注浆以降低管壁侧摩阻力,提高施工效率^[5-7]。膨润土泥浆经搅拌后形成悬浮液,当浆液注入土层中的超挖间隙,其是具有黏性和流动性的胶体,使得管体侧壁的摩擦转化为湿摩擦^[8]；当渗入土层的浆液不再运动时,浆液又会发生絮凝,形成凝胶体,起到支撑作用^[9]。由于膨润土泥浆的流变性和触变性,能充分发挥其在顶管施工过程中润滑和支撑的作用。顶管施工过程中膨润土泥浆注入土层后,先与周围土体发生渗透形成稳定的泥浆套后,再填补管体与土体之间的空隙。滤失量通常作为一项重要指标反映浆体形成泥饼形成的质量,滤失量越大则泥饼越厚且疏松,滤失量越小则泥饼的形态越薄且致密。低滤失量的泥浆在顶管工程中所形成的泥浆套不透水性更好,结构致密强度高,能够有效阻止地下水的侵入和泥浆的失水和渗透作用。泥浆良好的流动性有利于泥浆的泵送和流动,能够有效降低管壁的摩阻力,提高施工效率。漏斗黏度作为一项简单易测的指标,虽然不能反映泥浆的流变特性,但可反映泥浆的流动性,通常在施工现场作为一种便捷的泥浆控制指标。

膨润土泥浆通常是由膨润土、水和添加剂按一定比例配置而成的,顶管施工中的膨润土泥浆通常选用纯碱和聚合物组合的方式来提高浆液的性能^[10,11]。本文探究了羧甲基纤维素钠（CMC）,聚丙烯酰胺（PAM）和瓜尔胶三种聚合物在不同膨润土和纯碱用量下对泥浆工程特性的影响,并提出了相应的预测公式,在此基础之上进行关联度分析,为工程应用中泥浆的制备提供参考。

1. 聚合物改性膨润土泥浆的制备

膨润土中的主要矿物成分为蒙脱石,蒙脱石的微观结构是由中间夹有一层铝氧八面体,上下两层各为硅氧四面体组成的三层片状结构,属于典型的2∶1型单斜晶细结构,具有较高的离子交换能力、吸附能力^[4,12]。本文所选用膨润土的主要矿物成分：高岭石为0.2%,伊利石为16.1%,绿泥石为0.4%,蒙脱石含量达到83.3%。

顶管工程中膨润土改性泥浆中的添加剂主要分为两类,一类为纯碱,能增强泥浆中离子交换作用,使得晶体结构带负电产生斥力,增强膨润土的分散效应,提高悬浮性；另一类为聚合物,能通过其自身的分子链吸附在膨润土晶体结构的表面,进而形成立体网状结构,提高泥浆工程特性。试验分别设置纯膨润土泥浆（A组）、纯碱膨润土泥浆（B组）、纯碱CMC膨润土泥浆（C组）、纯碱PAM膨润土泥浆（D组）和纯碱瓜尔胶膨润土泥浆（E组）进行对比分析研究,具体组别参见表1～5。其中,水的用量各组试验均选用1000 g的水进行泥浆的配置,纯碱的用量使泥浆中的纯碱浓度分别为0.4,0.8 mol/L。

表 1 纯膨润土泥浆试验分组

Table 1. Grouping of bentonite slurry

组别	水/g	纯碱/(mol·L^-1)	膨润土/g
A1	1000	0	50
A2			75
A3			100
A4			150

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表 2 纯碱膨润土泥浆试验分组

Table 2. Grouping of bentonite slurry with sodium carbonate

组别	水/g	纯碱/(mol·L^-1)	膨润土/g
B1	1000	0.4	50
B2			75
B3			100
B4			150
B5		0.8	50
B6			75
B7			100
B8			75

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表 3 纯碱CMC膨润土泥浆试验分组

Table 3. Grouping of bentonite slurry with sodium carbonate and CMC

组别	水/g	膨润土/g	纯碱/(mol·L^-1)	CMC/g
C1		50	0.4	2
C2				3
C3				4
C4				5
C5		75	0.8	1
C6	1000			2
C7				3
C8				4
C9		100	0.8	1
C10				2
C11				3
C12				4

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表 4 纯碱PAM膨润土泥浆试验分组

Table 4. Grouping of bentonite slurry with sodium carbonate and PAM

组别	水/g	膨润土/g	纯碱/(mol·L^-1)	PAM/g
D1		50	0.4	1
D2				1.5
D3				2
D4	1000	75	0.8	1
D5				1.5
D6				2
D7		100	0.8	1
D8				1.5
D9				2

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表 5 纯碱瓜尔胶膨润土泥浆试验分组

Table 5. Grouping of bentonite slurry with sodium carbonate and guar gum

组别	水/g	膨润土/g	纯碱/(mol·L^-1)	瓜尔胶/g
E1	1000	75	0.4	0.2
E2				0.3
E3				0.4
E4		100	0.4	0.1
E5				0.2
E6				0.3
E7		150	0.8	0.1
E8				0.2
E9				0.3

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在相同室温（20℃）、搅拌速率（1000 r/min）和搅拌时间（1 h）条件下,泥浆配置完成后静置30 min,再进行漏斗黏度和滤失量的测试。漏斗黏度采用漏斗黏度计进行测量,将700 mL浆液放入锥形漏斗当中,记录其流出500 mL泥浆所需的时间,即为漏斗黏度,通常建议取值范围为25～45 s^[8]。滤失量可由中压滤失仪进行测量,在0.69 MPa的压力下,记录30 min通过滤失仪所渗出的液体量,即为滤失量,通常滤失量不宜超过25 mL^[13]。

2. 泥浆的配比优化分析

由于现场施工条件复杂,目前难以形成统一的泥浆配比方案。基于实际工程对泥浆特性的基本要求,开展了膨润土改性泥浆各主要成分用量与泥浆特性的量化分析,提出了相应的优化计算公式,为工程的泥浆应用选取提供了参考。

A组是纯膨润土泥浆的试验组,其试验结果如图1所示,给出了膨润土含量为50,75,100,150 g的泥浆滤失量和漏斗黏度值,其拟合回归曲线为

$y_{o 1} = 12.57 + 47.28 e^{- 0.01 x} （滤失量）$ ,

(1)

$y_{o 2} = 15 + 0.88 x^{0.43} （漏斗黏度）$ 。

(2)

图 1 纯膨润土泥浆指标特征曲线图

Figure 1. Characteristic curves of bentonite slurry

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B组试验是在膨润土泥浆中加入了纯碱,其试验结果如表6所示。为了更清晰地反映纯碱与泥浆特性间的联系,引入滤失量比 $η_{1}$ 和漏斗黏度比 $λ_{1}$ 分别来表示纯碱添加量与泥浆滤失量和漏斗黏度的影响：

$η_{1} = V_{n} / V_{o}$ ,

(3)

$λ_{1} = F_{n} / V_{o}$ 。

(4)

表 6 纯碱膨润土泥浆试验结果

Table 6. Results of bentonite slurry with sodium carbonate

指标	B1	B2	B3	B4	B5	B6	B7	B8
滤失量/(m·L^-1)	47.8	38.6	31.5	24	49.7	40.2	32.4	24.6
漏斗黏度/s	19.5	20.4	21	23	18.5	19.3	19.9	21.8

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式中 $V_{n}$ 和 $F_{n}$ 为添加纯碱后的滤失量和漏斗黏度； $V_{o}$ 和 $F_{o}$ 为纯膨润土泥浆的滤失量和漏斗黏度。滤失量比 $η_{1}$ 和漏斗黏度比 $λ_{1}$ 与纯碱浓度 $x_{1}$ 之间的关系（见图2）可表示为

$η_{1} = 1.33 - 0.33 e^{\frac{- x_{1}}{0.22}} （滤失量比）$

(5)

$λ_{1} = 0.92 + 0.08 e^{\frac{- x_{1}}{0.47}} （漏斗黏度比）$

(6)

图 2 纯碱膨润土泥浆指标特征曲线图

Figure 2. Characteristic curves of bentonite slurry with sodium carbonate

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C组、D组、E组探究了聚合物添加量与泥浆特性之间的关系,如表7～9所示,聚合物的添加能显著提高泥浆漏斗黏度,降低滤失量。CMC在降低滤失量方面更为突出,PAM则在提高漏斗黏度方面更为出色,而瓜尔胶能在较少的添加量下,明显提升泥浆的工程特性。这里再引入滤失量比 $η_{2}$ 和漏斗黏度比 $λ_{2}$ 分别来表示聚合物添加量与泥浆的滤失量和漏斗黏度的影响,其表达式可表示为

$η_{2} = V_{a} / V_{n}$ ,

(7)

$λ_{2} = F_{a} / F_{n}$ ,

(8)

表 7 纯碱CMC膨润土泥浆试验结果

Table 7. Results of bentonite slurry with sodium carbonate and CMC

指标	C1	C2	C3	C4	C5	C6	C7	C8	C9	C10	C11	C12
滤失量/(m·L^-1)	10.6	9.6	9.1	8.4	12.2	9	8.1	7.4	11.7	7.9	7	6
漏斗黏度/s	24.2	28.1	42.9	70.2	21.6	25.1	34.2	58.3	24.9	35.6	56.3	438.5

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表 8 纯碱PAM膨润土泥浆试验结果

Table 8. Results of bentonite slurry with sodium carbonate and PAM

指标	D1	D2	D3	D4	D5	D6	D7	D8	D9
滤失量/(m·L^-1)	14.3	13.7	11.8	13.6	12.3	10.9	12.2	11.8	10.2
漏斗黏度/s	33.3	36.9	39.1	34.5	38.4	41.3	35.4	40	42.9

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表 9 纯碱瓜尔胶膨润土泥浆试验结果

Table 9. Results of bentonite slurry with sodium carbonate and guar gum

指标	E1	E2	E3	E4	E5	E6	E7	E8	E9
滤失量/(m·L^-1)	32.6	31.9	31.1	26.1	25.3	24.4	20	19.6	18.8
漏斗黏度/s	24.2	27.8	35.2	24	27.8	38.4	32.4	35.9	51.6

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式中, $V_{a}$ 和 $F_{a}$ 为添加聚合物和纯碱后的泥浆滤失量和漏斗黏度。

图3～5分别给出了CMC、PAM和瓜尔胶3种聚合添加量与泥浆液滤失量比和漏斗黏度比的关系曲线,其曲线关系可分别表示为

图 3 纯碱CMC膨润土泥浆指标特征曲线图

Figure 3. Characteristic curves of bentonite slurry with sodium carbonate and CMC

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图 4 纯碱PAM膨润土泥浆指标特征曲线图

Figure 4. Characteristic curves of bentonite slurry with sodium carbonate and PAM

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图 5 纯碱瓜尔胶膨润土泥浆指标特征曲线图

Figure 5. Characteristic curves of bentonite slurry with sodium carbonate and guar gum

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滤失量比：

$η_{2} = {\begin{matrix} 0.20 + 0.80 e^{- 1.69 x_{2}} (CMC) \\ 0.29 + 0.71 e^{- 2.47 x_{2}} (PAM) \\ 0.81 + 0.19 e^{- 23.77 x_{2}} (瓜尔胶) \end{matrix}$ ,

(9)

漏斗黏度比：

$λ_{2} = {\begin{matrix} 1 + 0.04 x_{2} + 0.10 x_{2}^{2} (CMC) \\ 1 + 0.79 x_{2}^{0.52} (PAM) \\ 1 + 2.69 x_{2} - 1.84 x_{2}^{2} (瓜尔胶) \end{matrix}$ 。

(10)

综上所述,聚合物改性膨润土的滤失量 $y_{1}$ 和漏斗黏度 $y_{2}$ 可用纯膨润土泥浆的指标 $y_{o 1}$ , $y_{o 2}$ 与滤失量比( $η_{1}$ , $η_{2}$ )和漏斗黏度比( $λ_{1}$ , $λ_{2}$ )的乘积表示：

$y_{1} = η_{1} \cdot η_{2} \cdot y_{o 1} （滤失量）$ ,

(11)

$y_{2} = λ_{1} \cdot λ_{2} \cdot y_{o 2} （漏斗黏度）$ 。

(12)

3. 聚合物的关联性分析

为了更清晰地分析聚合物与泥浆特性之间的关系,选用漏斗黏度比 $η_{2}$ 和滤失量比 $λ_{2}$ 来表示聚合物添加量与泥浆漏斗黏度和滤失量的影响,采用关联度分析法以量化分析各聚合物对泥浆特性的影响。

根据表3～5中的膨润土用量和纯碱浓度关系,每种聚合物都可分为3个组别进行分析计算,将每25 g膨润土中的聚合物含量、漏斗黏度比 $η_{2}$ 和滤失量比 $λ_{2}$ 作为分析变量。采用绝对灰关联度分析其间关联性,可按下式计算^[14]：

$ε (X_{0}, X_{i}) = \frac{1}{n} (\sum_{k = 1}^{n - 1} | \frac{1 + (x_{0} (k + 1) - x_{0} (k)) (x_{i} (k + 1) - x_{i} (k))}{\sqrt{1 + {(x_{0} (k + 1) - x_{0} (k))}^{2}} \sqrt{1 + {(x_{i} (k + 1) - x_{i} (k))}^{2}}} | + 1) 。$

(13)

式中 $X_{0}$ 为25 g膨润土中的聚合物相对含量； $X_{1}$ 为泥浆漏斗黏度比 $η_{2}$ ； $X_{2}$ 为泥浆滤失量比 $λ_{2}$ 。

表10给出了关联度的计算结果,各种聚合物与黏度和滤失量的关联程度整体较高,说明了聚合物的添加对泥浆的黏度和滤失量造成显著影响。值得注意的是,C9-C12和E7-E9中的漏斗黏度关联度偏小的原因,主要是因为C12和E9中的漏斗黏度急速升高所导致的数据关联性减弱。整体上,随着膨润土添加量的增大,PAM和瓜尔胶的泥浆漏斗黏度比呈下降趋势,而CMC与此相反,说明膨润土的增加,能够增大泥浆漏斗黏度,且CMC能更好的与膨润土共同作用增加泥浆漏斗黏度。同时,随着膨润土添加量的增大,泥浆滤失量黏度比均呈上升趋势,说明各种聚合物对泥浆滤失量的作用均受到了泥浆中膨润土的含量的影响。

表 10 绝对灰色关联度计算结果

Table 10. Results of absolute degrees of gray incidence carbonate and guar gum

高聚物	组别	漏斗黏度比关联度	滤失量比关联度
CMC	C1-C4	0.9286	0.8666
	C5-C8	0.9604	0.8812
	C9-C12	0.8218	0.9095
PAM	D1-D3	0.9927	0.8517
	D4-D6	0.9846	0.8955
	D7-D9	0.9772	0.9176
瓜尔胶	E1-E3	0.9808	0.9938
	E4-E6	0.9683	0.9946
	E7-E9	0.8211	0.9988

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4. 结论

本文通过室内试验对CMC、PAM和瓜尔胶3种聚合物对膨润土泥浆滤失量和漏斗黏度的影响进行了分析研究,主要得到以下3点结论。

（1）展开了不同聚合物对泥浆漏斗黏度和滤失量影响的量化分析,得到了合理范围内的相应指标预测公式,以方便实际工程应用中的选取。

（2）分析了不同聚合物添加量与漏斗黏度和滤失量间的关联性,聚合物的添加能够显著增大泥浆漏斗黏度并减小泥浆滤失量。

（3）膨润土含量更高的泥浆,其聚合物对泥浆工程特性的改善作用越为突出。其中,CMC能更好的与膨润土共同作用增加泥浆漏斗黏度,各种聚合物对泥浆滤失量的作用则均受到了泥浆中膨润土含量的影响。

图 1 复合地基剖面图

Figure 1. Profile of composite foundation

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图 2 模型布置图

Figure 2. Layout of model

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图 3 有限元模型

Figure 3. Finite element model

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图 4 加载过程线

Figure 4. Curves of loading process

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图 5 沉降等值线图

Figure 5. Contours of settlement

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图 6 各测点沉降过程线

Figure 6. Development curves of settlement

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图 7 水平位移等值线图

Figure 7. Contours of horizontal displacement

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图 8 各测点水平位移过程线

Figure 8. Development curves of horizontal displacement

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图 9 孔隙水压力发展过程曲线

Figure 9. Development curves of pore water pressure

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图 10 桩顶轴力发展过程曲线

Figure 10. Development curve of axial force at pile tip

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图 11 桩土应力比分布

Figure 11. Distribution of pile-soil stress ratio

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表 1 土的计算参数

Table 1 Parameters of soils

土层参数	K	n	R_f	c/kPa	φ_c/(°)	K_ur/K	c_d	n_d	R_d	CFG桩
复合垫层	400.0	0.300	0.70	25.0	0.0	3.5	0.005	0.67	0.69	γ=24 kN/m³, E=30 GPa, $\nu$ =0.2
素填土①₂	186.2	0.794	0.70	25.1	18.7	4.0	0.010	0.60	0.69
淤泥质黏土②₁	87.6	0.832	0.80	9.9	12.2	5.0	0.040	0.80	0.69
粉质黏土③₄	250.0	0.700	0.70	27.2	17.7	4.0	0.005	0.58	0.69	土工格栅
中粗砂③₂	250.0	0.700	0.70	0.0	30.0	4.0	0.005	0.58	0.69	J_2%=210 kN/m, E=2 GPa, $\nu$ =0.3
黏土④₁	110.0	0.809	0.75	32.6	14.8	8.0	0.025	0.75	0.69
黏土④₂	136.2	0.794	0.70	32.6	14.8	8.0	0.020	0.75	0.69

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参考文献(7)

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施引文献(8)

期刊类型引用(4)

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2.	张海洋，魏东，李旭瑞. 掺黏粒改良粉土的土水特征试验研究. 路基工程. 2024(05): 102-108 . 百度学术
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4.	李沛云. 考虑边载因素的平板载荷试验分析及应用——以评价沙特麦麦高铁风化砂岩持力层地基承载力试验分析为例. 烟台职业学院学报. 2022(04): 105-109 . 百度学术