基于FLAC3D的單樁負摩阻力特性研究

孫文懷，王志強，宋少華，董金玉

(1.華北水利水電學院，河南鄭州450011;2.中國水利水電第三工程局有限公司，陜西西安710032)

樁周土的沉降大于樁體的沉降，樁－土的相對位移(或者相對位移趨勢)是形成負摩擦力的原因.樁的負摩阻力和沉降機制取決于樁與土之間相互作用的應力應變性狀，這是一個十分復雜的問題.由于巖土條件的復雜多變，即使在現(xiàn)代實驗測試技術(shù)和計算技術(shù)高度發(fā)展的情況下，許多問題仍未獲得較為滿意的解答［1］.影響樁負摩阻力的因素很多，現(xiàn)有的計算方法與公式都具有近似性和經(jīng)驗性，都很少考慮到土體應力應變的非線性［2］.筆者用快速拉格朗日法有限差分程序FLAC3D模擬軟土地基中單樁負摩阻力的產(chǎn)生、發(fā)展機理，以期對這一問題做新的探究.

1 負摩阻力的產(chǎn)生機理及特性

負摩阻力產(chǎn)生、發(fā)展的過程是樁與土的沉降相互協(xié)調(diào)的過程［3］:樁土之間存在相對位移在正常情況下，樁頂受壓下沉，這時樁側(cè)的摩阻力方向向上為正摩阻力;如果土層相對樁側(cè)有向下的位移，此時樁側(cè)的向下摩阻力稱為負摩阻力.產(chǎn)生負摩阻力的情況有很多，歸結(jié)為:①欠固結(jié)軟粘土或新填土的自重固結(jié);②大面積堆載使樁周土層下沉;③地下水位降低造成樁周土下沉;④濕陷性黃土濕陷引起沉降;⑤打樁后孔隙水壓力消散引起固結(jié)沉降;⑥地震液化.

負摩阻力對樁起下拉作用，相當于在樁頂荷載之外又附加了分布在樁側(cè)表面的下拉荷載.樁基的負摩阻力可能發(fā)生在施工過程、使用前或使用過程中，其中發(fā)生在樁基使用過程中最為不利.對于摩擦型樁，負摩阻力會引起附加下沉，當建筑物的部分基礎(chǔ)或同一基礎(chǔ)中部分樁發(fā)生負摩阻力，將出現(xiàn)不均勻沉降，引起上部結(jié)構(gòu)的破壞;對于端承樁，負摩阻力會導致樁身荷載加大，使樁身破壞或者樁端持力層破壞［1］.負摩阻力已經(jīng)成為基礎(chǔ)工程界的一個技術(shù)熱點，設(shè)計時應予以充分考慮.

2 樁基負摩阻力的研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外關(guān)于樁基負摩阻力的研究主要集中在理論計算、現(xiàn)場試驗、室內(nèi)模型試驗和數(shù)值模擬等幾個方面［4］.影響負摩阻力的因素很多，要精確地計算負摩阻力十分困難，國內(nèi)外大都采用近似的經(jīng)驗公式估算，常用的主要有以下幾種方法［5］:有效應力法、標貫試驗法、經(jīng)驗值法.大量試驗與工程實測結(jié)果表明，以有效應力法計算負摩阻力較接近于實際.因此，文獻［6］中規(guī)定有效應力法為負摩阻力的計算方法.現(xiàn)場試驗是獲得樁側(cè)負摩阻力大小和分布的最直接可靠的方法［7］.但是，由于受工程工期、資金及負摩阻力時間效應的影響，現(xiàn)場試驗需要投入較高成本.近年來，國內(nèi)外學者在室內(nèi)模型試驗方面也進行了一系列研究，并取得了一定的成果［8－11］.但室內(nèi)模型只能部分反映某些較為簡單的地質(zhì)情況，其成果的適用范圍有一定的局限性.隨著計算機技術(shù)的提高，數(shù)值模擬技術(shù)在巖土工程界得到了廣泛應用.如Lee等［12］應用ABAQUS有限元軟件，Kong 等［13］利用 FLAC3D 軟件，Hoque［14］利用PLAXIS有限元軟件建立了單、群樁負摩阻力數(shù)值計算模型，分析了樁側(cè)負摩阻力、樁身下拽力等的變化規(guī)律.在前人研究的基礎(chǔ)上，筆者擬對軟土中單樁的負摩阻力進行數(shù)值模擬，并著重分析地面堆載與樁頂荷載的加載順序?qū)渡磔S力的影響.

3 單樁負摩阻力的FLAC3D數(shù)值模擬

作為一種基于三維顯式有限差分法的數(shù)值分析程序，F(xiàn)LAC3D能較好地模擬巖土材料在達到強度極限或屈服極限時發(fā)生的破壞或塑性流動的力學行為，特別適用于分析漸進破壞和失穩(wěn)以及模擬大變形.其強大的前后處理功能，方便用戶在計算過程中的任何時刻用高分辨率的彩色或灰度圖或數(shù)據(jù)文件輸出結(jié)果，對結(jié)果進行實時分析，給出計算域的任意截面上的變量圖或等直線圖，且可以旋轉(zhuǎn)計算域以便從不同的角度觀測計算結(jié)果.

3.1 計算模型的建立

為了計算方便和便于比較，模型擬采用2層土體:上部軟粘土層厚20 m，下部砂土層厚5 m，樁設(shè)置在軟土體內(nèi)，樁長20 m，半徑0.25 m，不考慮地下水的影響.土體采用Mohr-Coulomb模型進行模擬;樁體用FLAC3D中內(nèi)置實體 pile單元建立，采用MODEL elastic模型;樁側(cè)、樁端和土體接觸面采用無厚度接觸面單元，本構(gòu)模型采用庫侖剪切模型.接觸面參數(shù)很難確定，如果要準確確定接觸面參數(shù)則需要做大量的試驗，并且耗費大量人力、物力，所以在試驗條件不允許的情況下，許多學者的研究成果以及寶貴經(jīng)驗可以借鑒［15］.本次模擬考慮實際情況，并借鑒前人的經(jīng)驗，樁端和樁側(cè)接觸面參數(shù)——法向剛度、切向剛度均取10 GPa/m，粘聚力取30 kPa，內(nèi)摩擦角取20°，樁體與土體的力學參數(shù)見表1.

表1 樁體及土體的力學參數(shù)

為節(jié)約計算時間，取模型的一半進行模擬計算.計算模型的單元劃分、幾何尺寸和邊界條件如圖1所示.模型長30 m、寬15 m、高25 m，底部和側(cè)面約束法向位移，相當于鏈桿約束，上部為自由邊界.

圖1 FLAC3D模型示意圖

3.2 FLAC3D數(shù)值模擬計算

計算模型建立后，賦予樁土材料的各力學參數(shù)，樁所在位置的值取為相應土層參數(shù)，計算至平衡.計算結(jié)束后，樁所在位置處的參數(shù)改變?yōu)闃侗旧淼牧W參數(shù)，再進行一次計算至樁土相互作用下的平衡，以此來模擬實際的打樁過程.該模擬是在軟土地基單樁樁周土堆載作用下進行的，在樁土相互作用平衡的基礎(chǔ)上，以在樁周土施加豎向均布荷載模擬實際堆載過程，并改變堆載條件進行單樁負摩阻力的模擬，按以下幾種工況進行模擬計算:①單樁樁頂施加500 kN豎向荷載，計算至平衡后，樁周土分級施加25，50，100，150，200 kPa 的豎向均布荷載以模擬堆載對樁頂荷載作用下樁體軸力及負摩阻力的影響;②樁周土施加25 kPa豎向均布荷載，計算至平衡后，樁頂分級施加 500，1 000，1 500，2 000 kN 的豎向荷載，分析堆載條件下樁體軸力與樁頂荷載的關(guān)系;③樁頂施加500 kN豎向荷載的同時在樁周土施加 25，50，100，150，200 kPa 不同的豎向均布荷載，分析樁頂荷載與地面堆載同時施加情況下的單樁軸力分布及負摩阻力的變化規(guī)律.

利用FLAC3D強大的前后處理功能，監(jiān)測不同深度樁身及樁周土的應力分布、沉降值等，并在各工況計算結(jié)束后輸出以上各值，結(jié)合UltraEdit軟件計算并做出樁體軸力曲線圖進行比較分析.

3.3 結(jié)果分析

樁側(cè)負摩阻力是樁－土間相對位移引起的，樁周土為欠固結(jié)的軟土時，即使在較小的堆載條件下，也能夠產(chǎn)生負摩阻力.圖2是在單樁樁頂施加500 kN的豎向荷載，樁周堆載25 kPa條件下模型的樁身軸力分布圖.

由圖2可看出，中性點產(chǎn)生在樁身16 m處，樁身最大軸力值為716 kN，由負摩阻力引起的最大下拉荷載為216 kN，已達樁體軸力的30%，明顯加重了單樁的負荷.

計算工況①中地面堆載對樁頂荷載作用下樁身軸力的影響如圖3所示，比較圖中各級堆載作用下軸力分布可看出，單樁只受樁頂豎向荷載作用，即堆載0 kPa時，軸力線性分布，且沿樁深越來越小.地面堆載后受負摩阻力的影響，樁身軸力明顯增大，堆載增大，最大下拉荷載隨之增大，中性點深度也隨之加深，加至150 kPa后由于過大的地面堆載加速了樁體下沉，中性點位置反而有所上升.

計算工況②地面堆載作用下樁頂荷載對樁身軸力分布的影響如圖4所示.由圖可知在堆載25 kPa作用后分級施加樁頂荷載時，明顯產(chǎn)生了負摩阻力，但隨著樁頂荷載等級的增大，樁側(cè)負摩阻力逐漸轉(zhuǎn)化為正摩阻力，下拉荷載相對減小，中性點位置升高，樁頂荷載增大到2 000 kN時，負摩阻力消失，樁身軸力已近似線性分布.

計算工況③地面堆載與樁頂荷載同時加載的樁身軸力分布如圖5所示.由圖可知，地面堆載與樁頂荷載同時施加時，樁身軸力分布及變化規(guī)律與工況①相似，但樁身軸力較之工況①中軸力值大.

為進一步分析不同施荷順序?qū)扼w軸力變化規(guī)律的影響，調(diào)出以上3種工況中堆載25 kPa及樁頂受500 kN樁頂荷載時的軸力分布曲線進行比較分析，如圖6所示.

圖6 不同施荷順序下樁體軸力的分布曲線

由圖6可知，在樁僅受樁頂荷載作用時，樁側(cè)摩阻力為正而使樁體軸力沿樁深方向逐漸減小.地面堆載與樁頂加載的施荷順序?qū)扼w軸力分布的影響很大:工況②先地面堆載后樁頂加載比工況①先樁頂加載后地面堆載樁體軸力小得多，工況③同時加載的結(jié)果介于二者之間.由樁－土荷載傳遞機理分析，先地面堆載時，負摩阻力導致樁體下沉并暫時平衡，然后進行樁頂加載，樁體的沉降使部分負摩阻力轉(zhuǎn)化為正摩阻力而導致樁體下拉荷載相對減小;先樁頂加載后地面堆載的情況下，樁側(cè)正摩阻力受堆載的影響直接轉(zhuǎn)換為負摩阻力而達到新的平衡.

4 結(jié)語

數(shù)值模擬結(jié)果表明，單樁在樁頂荷載作用下，樁側(cè)負摩阻力隨地面堆載等級的增大而增大;在先進行地面堆載時，樁側(cè)負摩阻力則隨著樁頂荷載等級的增大而變小，負摩阻力逐漸轉(zhuǎn)化為正摩阻力.這與根據(jù)樁－土間荷載傳遞機理分析的結(jié)果相一致，可見利用FLAC3D對單樁負摩阻力進行數(shù)值模擬時效果良好.

目前在樁基礎(chǔ)設(shè)計時計算負摩阻力具有一定的近似性和經(jīng)驗性，現(xiàn)場測試可準確獲得樁側(cè)負摩阻力，但須耗費大量人力、物力且受時間的制約.數(shù)值模擬能較好地反映樁－土的應力、應變性狀，故在模型參數(shù)選取合理時，可利用FLAC3D數(shù)值模擬反演現(xiàn)場試驗，進行負摩阻力的定性分析、定量計算，減少現(xiàn)場試驗次數(shù).

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