基于FLAC3D的灌注樁樁底沉渣影響研究

馬 露,盧廷浩,陳 帥

(1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇南京210098;2.河海大學(xué)巖土工程研究所,江蘇南京210098)

0 引 言

隨著樁基礎(chǔ)廣泛應(yīng)用于橋梁工程、道路工程、公共工程及工民建工程,在實際樁基礎(chǔ)的施工中,樁底部常常會殘留一定厚度的沉渣,其性質(zhì)較弱,受力易變性,承載力也低于天然土體。因樁底沉渣,樁體極限承載力不能滿足施工要求的工程案例很常見。因此,詳細分析沉渣厚度及性質(zhì)對樁承載特性的影響是十分必要的,并且具有一定的實際價值。

在樁底沉渣對樁承載特性的影響研究方面,常用的方法有:現(xiàn)場靜載荷實驗、實驗室模型試驗和數(shù)值計算方法。近年來,不少學(xué)者也對其進行了研究:Wong[1]結(jié)合了實驗室模型試驗和數(shù)值計算模擬,對樁底沉渣的影響效果進行了研究;時倉艷[2]對影響灌注樁承載力的因素進行了分析,并研究分析了后壓漿技術(shù)效果;馮立富[3]利用室內(nèi)模型試驗和PLAXIS有限元軟件,分析了沉渣對單樁豎向承載力的影響;陳斌[4]等人采用鄧肯-張模型,研究分析了持力層強度和樁底沉渣對單樁豎向承載力的影響;喻小明[5]等人采用有限元數(shù)值模擬的方法,計算分析了樁底沉渣對灌注樁極限承載力的影響;吳繼敏[6]等人利用FLAC3D軟件,分析研究了單一土層情況下,樁底沉渣對樁體極限承載力的影響,給出了影響曲線。目前研究缺乏一種實際規(guī)律性的描述,部分定量的數(shù)值模擬研究將土體大幅度簡化,沒有以實際的土體為模擬對象,所得結(jié)果存在較大誤差。

本文采用連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日法(FLAC3D)來分析樁底沉渣對鉆孔灌注樁承載力特性的影響,并與試驗結(jié)果進行對比分析,達到兩者相互驗證補充的效果,初步得出了沉渣厚度及性質(zhì)對鉆孔灌注樁承載特性的影響,為工程運用提供參考。

1 模型與參數(shù)

數(shù)值模型假定土體為理想彈塑性體,采用Mohr-Coulomb模型;樁體為均質(zhì)彈性體,采用線性彈性模型;樁底沉渣在受力過程中,逐步壓實,體積縮小,因此,樁底沉渣的變形破壞可以采用Mohr-Coulomb模型,其破壞準則可表示為:

式中:s為最大剪應(yīng)力;σm平均法向應(yīng)力;c為粘聚力;φ為內(nèi)摩擦角。

根據(jù)彈性力學(xué)圣維南原理,材料在荷載作用下,荷載只會對一定范圍內(nèi)的土體產(chǎn)生明顯的影響,對于距樁軸20倍樁徑外土體的影響可以忽略[7]。在豎向荷載作用下,樁土單元和荷載形式存在對稱性,因此本文取一半網(wǎng)格模型進行數(shù)值分析。

1.1 接觸面建立及網(wǎng)格處理

本文模型中在樁-土間設(shè)置接觸面,接觸面采用有厚度接觸面類型,屬于單面接觸面,不同于二維FLAC所定義的雙面接觸面,接觸面的建立采用反復(fù)移動法,這種建立方法會使樁底與樁側(cè)交接處的網(wǎng)格節(jié)點產(chǎn)生不同的ID號,但是從樁的受力機理來看,樁側(cè)摩阻力與樁端阻力的發(fā)揮是不同的,因此使用不同ID號的接觸面基本可以模擬樁體的受力機理,較符合樁體的實際受力變化。樁體及沉渣部分的網(wǎng)格采取加密處理,以保證計算的精確度,使結(jié)果更加符合實際。

1.2 邊界條件及參數(shù)的選取

本文數(shù)值計算過程中,采用將模型的底面和側(cè)面進行位移約束,頂面自由的邊界條件。

模型中的力學(xué)參數(shù)關(guān)系到計算的準確度和精確度,因此,各土層的參數(shù)、樁體參數(shù)和接觸面參數(shù)取值是數(shù)值模擬中的關(guān)鍵部分。

土體采用Mohr-Coulomb模型,在FLAC3D程序中,計算土體的變形所使用的模量參數(shù)是剪切模量和體積模量,而一般土工試驗只能測出土體的壓實模量,因此,需利用式(2)將壓縮模量轉(zhuǎn)化為變形模量,再利用式(3)、式(4)將變形模量轉(zhuǎn)化為剪切模量和體積模量[8]:

式中:E0為變形模量;v為泊松比;Es為壓縮模量;G為剪切模量;K為體積模量。

樁體采用的是線性彈性模型,所以在程序計算中只需要體積模量和剪切模量兩個參數(shù)。

接觸面參數(shù)選取原則[9]:根據(jù)FLAC3D手冊所講,法向剛度kn和切向剛度ks參數(shù)值可按下式計算取值:

式中:K是體積模量:G是剪切模量;Δ zmin是接觸面法向方向上連續(xù)區(qū)域上最小尺寸。

2 工程實例驗證

廣東潮州電廠樁基靜載荷實驗,土層參數(shù)見表1,樁體參數(shù)見表2,根據(jù)FLAC3D接觸面參數(shù)取值原則,本算例接觸面參數(shù)見表3。

表1 土體材料參數(shù)

本次數(shù)值分析定義邊界條件為,模型側(cè)面(-8＜x＜8,-8＜y＜0)和底面(z=30.6)取位移邊界條件:限制側(cè)面的水平位移,底面固定,限制水平和垂直位移。模型上表面為樁頂和地表,其垂直位移不受約束。分析過程中,先使模型在土體自重下應(yīng)力達到初始平衡,即初始應(yīng)力平衡計算,然后定義樁體參數(shù),進而平衡后,再施加荷載,并監(jiān)測樁體變形及應(yīng)力,直至模型塑性區(qū)明顯發(fā)展,樁體承載力達到極限值。

表2 樁體材料參數(shù)

表3 接觸面參數(shù)

本數(shù)值模型尺寸為長16 m,寬8 m,高度30.6 m,模型在三維坐標系中的原點是樁頂中心位置。建立三維有限差分模型網(wǎng)格見圖1。整個三維有限差分網(wǎng)格共包含7 488個單元和8 832個節(jié)點。

圖1 FLAC3D網(wǎng)格示意圖

現(xiàn)場靜載荷Q—S曲線與FLAC3D模擬 Q—S曲線對比見圖2,圖中兩曲線基本一致。曲線均為緩變型,模擬曲線在樁頂受荷載前期,基本是線性變化,實測曲線略高于模擬曲線,說明模擬精度還需要進一步提高,參數(shù)取值和網(wǎng)格劃分還需精確,但就其樁頂沉降突變區(qū)而言,兩者基本重合,即樁體極限承載力一致,說明該程序可以較為真實地模擬出樁體的極限承載力,而本文主要研究樁體的極限承載力問題,所以該程序的編寫滿足本文的要求,所以本模擬程序可以視為基本正確,參數(shù)取值合理,可以作為實際樁體受力過程的數(shù)值分析模擬。

3 沉渣分析

3.1 厚度影響

沉渣厚度的選取,本文參考吳繼敏[6]等人的研究,對于沉渣厚度 t分析考慮取值0、50 mm、100 mm 、200 mm 、300 mm,以及 500mm 、700mm 、1 000 mm極端情況,共8種沉渣厚度進行對比分析。

圖2 實測與模擬 Q—S曲線對比

如圖3所示,S為樁頂沉降,Q為樁頂荷載。荷載-沉降曲線分為3個階段:在樁頂施加荷載初期,由于樁體的承載力主要由樁體的側(cè)摩阻力提供,因此沉渣的存在對樁的沉降影響不大,曲線與無沉渣時保持一致;隨著荷載的進一步增大,沉渣與持力層逐漸承受荷載,但初始階段其變形屬于彈性變形,足以承擔(dān)上部傳遞到底部的荷載,厚度的變化對沉降影響也并不大,曲線基本保持一致;但在樁頂荷載繼續(xù)增大的過程中,樁底沉降增大的幅度也變大,出現(xiàn)沉降突變現(xiàn)象,這種影響隨沉渣厚度的增大而愈加明顯。

圖3 沉渣厚度 t與Q—S曲線的關(guān)系

沉渣厚度 t對極限承載力Q的影響如圖4所示。由圖4可見,樁底存在沉渣時樁體的極限承載力明顯小于無沉渣時的極限承載力,這種影響下的承載力損失幅度值隨著沉渣厚度的增加而逐漸減小。隨著沉渣厚度的變化,這種影響比較突出:樁底沉渣厚度在0～300 mm時,極限承載力減少的趨勢較大,沉降變化量差值較大,大于300mm后,下降趨勢逐漸變小,在1 000 mm厚度時,沉降曲線有明顯的折點,樁體會發(fā)生突然破壞,而極限承載力卻沒有太大變化。

在沉渣厚度 t=0時,Q—S曲線為一種緩變型曲線,但隨著沉渣厚度的增加,曲線由緩變型轉(zhuǎn)變?yōu)橥蛔冃?突變處的荷載值為該種沉渣厚度下的樁體極限承載力,這種現(xiàn)象的主要原因是由于沉渣的變形強度低于持力層的變形強度,在上部荷載作用下,沉渣體積很快壓縮,樁體的沉降趨勢增加,導(dǎo)致樁體的側(cè)摩阻力較快地達到了極限側(cè)摩阻力,進一步增加的荷載只能由樁端阻力來承擔(dān),樁端阻力又直接作用于下部沉渣上,使得沉渣體積變形進一步增大,樁體沉降亦會進一步增大,最終會出現(xiàn)突然的瞬間破壞。

圖4 沉渣厚度t與極限承載力的關(guān)系

由圖5可見,隨沉渣厚度不同,樁體極限承載力損失率不盡相同,當(dāng)沉渣厚度 t=0～300 mm 時,樁的承載能力明顯降低,承載力損失率 c=5%～13%,損失率的變化隨沉渣厚度的增加而減緩;當(dāng)沉渣厚度t=300 mm～1 000 mm時,承載力損失率c=13%～17%,變化幅度相對前者要小,主要是由于沉渣厚度達到一定值后,在受力壓縮過程中,樁體沉降加快,沉渣還未壓縮固結(jié),模型就已破壞,端阻力提供的承載力很小,即上部荷載主要是由樁體側(cè)摩阻力承擔(dān),樁體的極限承載力主要反映側(cè)摩阻力的大小,所以此時承載力的變化幅度很小。

圖5 沉渣厚度 t與極限承載力損失率c的關(guān)系

由圖5數(shù)據(jù)經(jīng)MATLAB擬合,曲線指數(shù)函數(shù)為:

該式滿足不同沉渣厚度對樁極限承載力損失率的求解,相似度最高可達95%。

3.2 土力學(xué)參數(shù)影響

采用摩爾庫倫彈塑性模型時,沉渣主要輸入?yún)?shù)為6個,沉渣的性質(zhì)與持力層最為密切,在豎向荷載作用下,本文考慮了沉渣參數(shù)與持力層參數(shù)的關(guān)系對樁體的極限承載力的影響。

本文選用沉渣厚度為200 mm,變形模量為持力層變形模量的0.5倍、0.4倍、0.3倍、0.25倍和0.1倍時,即模量比 d=E沉渣/E土體=0.5,0.4,0.3,0.25,0.1,分別進行極限承載力的影響分析。樁底沉渣的變形模量的變化對樁承載力影響明顯,隨著模量比的減少,沉降曲線的突變趨勢增大,曲線的拐點逐漸明顯,當(dāng)該比值d=0.3后,其對Q—S曲線的影響很明顯,如圖6所示,此時沉降瞬間增大,模型破壞,即樁體承載力達到極限值。

圖6 模量比 d與Q—S曲線的關(guān)系

由圖7可見,隨著 d值的減小,樁的極限承載力不斷減少,d在0.5～0.3之間時,曲線下降較緩,主要是由于沉渣與持力層土體性質(zhì)相近,體積模量與剪切模量差距不大,對樁體的極限承載力影響不明顯;隨著 d的繼續(xù)減少,在0.3～0.1之間時,曲線下降十分明顯,此時沉渣的性質(zhì)相對持力層已很弱,沉渣的承受力明顯減少,對樁體的極限承載力影響很大。

圖7 模量比d與極限承載力的關(guān)系

圖8所示模量比d與極限承載力損失率c的關(guān)系。d=0.5～0.3時,承載力損失率在9%～11.5%之間,隨著沉渣性質(zhì)的減弱,d=0.3～0.1時,承載力損失率在11.5%～16.3%,由此可見,沉渣的性質(zhì)非常弱時,所能提供的承載力也很低,這對樁體的極限承載力影響非常明顯,其與沉渣厚度的增加,具有相同的效果。

由圖8數(shù)據(jù)經(jīng)MATLAB擬合,曲線指數(shù)函數(shù)為:

該式滿足不同模量比對樁極限承載力損失率的求解,相似度最高可達到95%。

圖8 模量比d與極限承載力損失率c的關(guān)系

4 結(jié) 論

(1)當(dāng)沉渣厚度越大或沉渣變形模量越小,荷載—沉降曲線由緩變型變?yōu)橥蛔冃汀?/p>

(2)單樁極限承載力損失率隨沉渣厚度的不同而有所不同。當(dāng)沉渣厚度t=0～300 mm時,承載力隨t的增加明顯減少;當(dāng)沉渣厚度 t=300 mm～1 000 mm時,承載力隨t的增加減少幅度趨于平緩。

(3)沉渣性質(zhì)減弱與厚度增加對承載力的影響具有相同效果。當(dāng)沉渣與持力層變形模量之比d＜0.3時,樁體承載力減少百分比曲線陡降。

(4)持力層的性質(zhì)直接影響樁的極限承載力,因此,土層差異較大時,沉渣的厚度和性質(zhì)對樁體極限承載力與沉降的研究還有待進一步研究。

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