基于靜力觸探與數(shù)值計(jì)算預(yù)估單樁承載力對(duì)比分析①

常連遠(yuǎn)，姜 岳，郭明磊

(1.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西西安710054;2.濱州市建筑設(shè)計(jì)研究院，山東濱州256613;3.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，云南昆明650000)

0 引 言

樁基工程由于具有圬工體積小、承載能力大、施工設(shè)備簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用.單樁承載力作為樁基設(shè)計(jì)與應(yīng)用一項(xiàng)重要的參數(shù)依據(jù)，如何合理的評(píng)價(jià)單樁承載力是巖土工作者研究的主要方向之一.目前，靜載試驗(yàn)是確定單樁承載力最直接、最可靠的方法，也是評(píng)價(jià)其他預(yù)估方法合理性的標(biāo)準(zhǔn)，但隨著樁基施工技術(shù)的不斷發(fā)展，樁徑、樁長(zhǎng)不斷增大、增長(zhǎng)，同時(shí)特殊場(chǎng)地(如狹小地段、邊坡)的樁基施工也在不斷增多，考慮到靜載試驗(yàn)所需的試驗(yàn)條件，顯然難以滿足樁基發(fā)展的需要.

靜力觸探是用靜力將探頭以一定的速度壓入土中，利用探頭內(nèi)的傳感器通過(guò)電子量測(cè)儀器，將探頭的錐尖阻力和側(cè)壁摩阻力記錄下來(lái).樁體的作用機(jī)理與靜力觸探的試驗(yàn)機(jī)理相似，因此可以將靜力觸探試驗(yàn)看作一個(gè)小直徑樁的現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)，模擬樁的受力狀況，估算單樁承載力［4］;數(shù)值模擬也叫計(jì)算機(jī)模擬，依靠電子計(jì)算機(jī)，通過(guò)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示的方法，幫助分析人員利用計(jì)算機(jī)在室內(nèi)進(jìn)行巖土工程實(shí)驗(yàn)，隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算性能的不斷提高，使得數(shù)值模擬技術(shù)逐漸成為巖土工程研究和設(shè)計(jì)的主流方向之一;FLAC3D 是由美國(guó)Itasca Consulting Group Inc 公司開(kāi)發(fā)的三維顯式有限差分程序.作為一個(gè)專業(yè)分析軟件，F(xiàn)LAC3D 能夠進(jìn)行巖土、結(jié)構(gòu)、溫度、流體等多學(xué)科的研究，目前已廣泛應(yīng)用于巖土工程、采礦工程、隧道工程、道路與鐵道工程等領(lǐng)域的科學(xué)研究之中［1］.本文通過(guò)實(shí)例將靜力觸探與數(shù)值模擬預(yù)估單樁承載力成果對(duì)比分析，為今后的樁基設(shè)計(jì)工作提供參考.

1 工程實(shí)例分析

1.1 工程概況

該工程位于濱州市惠民縣大濟(jì)路以東，福田社區(qū)以北，基礎(chǔ)采用預(yù)應(yīng)力空心方樁，方樁邊長(zhǎng)400mm，有效樁長(zhǎng)22.00m，單樁極限承載力計(jì)算力學(xué)參數(shù)如表1 所示:

表1 單樁極限承載力計(jì)算參數(shù)表

②粉土 6.80 22.40 2.579 26 3.3 2③粉質(zhì)2粘土 10.90 12.90 0.816 15 2④粘土 21.60 10.50 1.291 46 3.5 3.5⑤粉土 8.40 27.80 6.230 72 3.5 3.5⑥粉質(zhì)粘土 12.00 13.20 1.414 26 4 4⑦粘土 24.90 11.50 3.588 55 6 6⑧粉細(xì)砂 2.0356 200 未揭穿1

1.2 靜力觸探與單樁承載力

按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94－2008)中第5.3.4 條有關(guān)規(guī)定，根據(jù)雙橋探頭靜力觸探資料確定混凝土預(yù)制樁單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，對(duì)于黏性土、粉土和砂土，如無(wú)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)時(shí)可按下式計(jì)算:，單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算過(guò)程如表2所示:

表2 單樁豎向極限承載力計(jì)算過(guò)程表

由表2 可知，根據(jù)場(chǎng)地雙橋靜力觸探試驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)估單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為2179.5KN.

圖1 模型網(wǎng)格劃分示意圖

1.3 數(shù)值模擬靜載試驗(yàn)

在本文中，采用FLAC3D 數(shù)值分析軟件對(duì)預(yù)應(yīng)力空心方樁的靜載試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，其中有三個(gè)基本部分必須指定:數(shù)值模型;模型本構(gòu)關(guān)系以及其材料特性;模型邊界及初始條件.數(shù)值模型為分析模型的幾何形狀，本構(gòu)關(guān)系和與之對(duì)應(yīng)的材料特性用來(lái)表征模型在外力作用下的力學(xué)響應(yīng)特性，邊界和初始條件用來(lái)定義模型的初始狀態(tài)(既邊界條件發(fā)生變化或者受到擾動(dòng)之前，模型所處的狀態(tài))［1］.

圖2 模擬加載所得云圖

圖3 靜載模擬所得p－s 曲線

1.3.1 模擬網(wǎng)格建立

土體與樁體網(wǎng)格建立模型對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，土體網(wǎng)格取10m×10m×30m 的三維計(jì)算模型，并根據(jù)土層情況對(duì)土體網(wǎng)格劃分為7層;樁體網(wǎng)格取0.4m×0.4m×22m 的實(shí)心三維計(jì)算模型.靜力條件下，邊界條件設(shè)置為數(shù)值模型底部為固定約束，模型前后左右對(duì)應(yīng)設(shè)置為X，Y 方向約束，模型樁土網(wǎng)格劃分示意圖如圖1 所示.

1.3.2 土體變形參數(shù)確定

模型的建立、初始條件的設(shè)置以及施工過(guò)程的模擬可完全按照已有資料進(jìn)行，而材料參數(shù)則較難確定且對(duì)模擬結(jié)果影響較大，其中土體變形參數(shù)體積模量K 和剪切模量G 是必不可少的，然而實(shí)際勘察報(bào)告中提供的往往是土體壓縮模量、粘聚力和內(nèi)摩擦角等物理力學(xué)參數(shù)，這時(shí)需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換［6］.一般而言，楊氏模量E 與壓縮模量ES 及泊松比v之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為:;體積模量K 和剪切模量G 與楊氏模量E 及泊松比v 之間的彈性轉(zhuǎn)換關(guān)系為:本工程中土體變形參數(shù)取值情況如下表3 所示:

表3 土體變形參數(shù)表

1.3.3 接觸面參數(shù)確定

表4 樁土接觸面參數(shù)表

圖4 數(shù)值模擬與檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

1.3.4 應(yīng)力加載

根據(jù)當(dāng)?shù)貥痘┕そ?jīng)驗(yàn)，此次工程擬加載至3640kN，第一級(jí)加載520kN，其后每級(jí)加載260kN.其模擬加載所得樁體沉降云圖如圖2 所示，靜載模擬所得P－S 曲線如圖3 所示:

2 對(duì)比分析

靜載荷試驗(yàn)采用《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》JGJ106－2003 快速維持荷載法加卸載，每級(jí)加載為預(yù)估極限荷載的1/10，第1 級(jí)荷載為2 倍分級(jí)荷載加荷.根據(jù)當(dāng)?shù)貥痘┕そ?jīng)驗(yàn)，預(yù)估極限荷載2600kN，共檢測(cè)試驗(yàn)樁3 根，樁號(hào)分別為1#，2#，3#，其檢測(cè)結(jié)果與靜載模擬數(shù)據(jù)對(duì)比情況如圖4 所示:

圖4 顯示靜載試驗(yàn)中當(dāng)樁頂荷載超過(guò)2600kN后，其p－s 曲線的斜率開(kāi)始變陡，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，單樁豎向抗壓極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為2600kN;數(shù)值模擬所得曲線與現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)曲線有所差異，沉降量明顯偏大，其p－s 曲線的斜率在加載至3120kN 時(shí)開(kāi)始變陡，可確定靜載模擬試驗(yàn)所得單樁豎向抗壓極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為3120kN;根據(jù)場(chǎng)地雙橋靜力觸探試驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)估單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為2179.5kN.雙橋靜力觸探預(yù)估值比靜載試驗(yàn)值小420.5kN，數(shù)值模擬結(jié)果比靜載試驗(yàn)值大520kN，雙橋靜力觸探預(yù)估值與數(shù)值模擬結(jié)果相差約1000kN.

對(duì)比結(jié)果顯示，不管是地質(zhì)勘察預(yù)估值，還是數(shù)值模擬所得值，都與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)值存在一定的偏差.在樁基設(shè)計(jì)中，根據(jù)雙橋靜力觸探數(shù)據(jù)預(yù)估單樁承載力時(shí)，我們往往由于缺少可靠的單樁承載力經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而不得不采用規(guī)范中推薦的設(shè)計(jì)參數(shù)，但是這些參考規(guī)范是針對(duì)全國(guó)范圍所提出的，與地區(qū)實(shí)際情況相比，取值往往偏于保守，導(dǎo)致單樁實(shí)際能夠承受的荷載高于設(shè)計(jì)值.在靜載試驗(yàn)數(shù)值模擬過(guò)程中，材料參數(shù)對(duì)模擬結(jié)果影響很大，其大小是根據(jù)土工試驗(yàn)所獲得的土層力學(xué)參數(shù)選取，由于土層的力學(xué)參數(shù)有時(shí)也難以反應(yīng)真實(shí)的力學(xué)特性，因此，材料參數(shù)的取值標(biāo)準(zhǔn)需要根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)不斷做出調(diào)整.

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)本文的對(duì)比分析，將雙橋靜力觸探與數(shù)值模擬相結(jié)合預(yù)估單樁承載力在樁基設(shè)計(jì)中有一定的參考價(jià)值.

①其對(duì)比結(jié)果可以作為場(chǎng)地前期預(yù)測(cè)單樁承載力的有效評(píng)價(jià)方法，彌補(bǔ)地區(qū)規(guī)范的不足;

②當(dāng)無(wú)法通過(guò)靜載試驗(yàn)直接獲得單樁承載力時(shí)，其對(duì)比結(jié)果為實(shí)際工程提供了可靠的依據(jù)，可以節(jié)約大量的資源，創(chuàng)造一定的經(jīng)濟(jì)效益.

由于本文僅根據(jù)一個(gè)場(chǎng)地的數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究，在數(shù)值模擬過(guò)程中材料參數(shù)的選取是參考前人的取值建議，如能更多的本地區(qū)場(chǎng)地進(jìn)行對(duì)比分析，勢(shì)必會(huì)統(tǒng)計(jì)出一個(gè)合理的地區(qū)參數(shù)取值標(biāo)準(zhǔn)，這還有待進(jìn)一步研究.

［1］ 陳育民，徐鼎平，等.FLAC/FLAC3D 基礎(chǔ)與工程實(shí)例［M］.中國(guó)水利水電出版社，2011(10).

［2］ 周國(guó)鈞.巖土工程治理新技術(shù)［M］.中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

［3］ 張明遠(yuǎn)，鐘珞.基于GA－BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的單樁承載力預(yù)測(cè)［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008(03).

［4］ 曹茂森，周翠玲，戴景軍.BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在靜力觸探確定單樁承載力中的應(yīng)用［J］.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002(03).

［5］ 楊帆，謝波，趙海杰.單樁靜載試驗(yàn)的數(shù)值模擬及極限承載力確定［J］.工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2014(04).

［6］ 于麗鵬.基于FLAC3D 模擬的土體彈性模量取值分析［J］.水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2014，12(2).

［7］ 趙春風(fēng)，蔣東海，崔海勇.單樁承載力的靜力觸探估算法研究［J］.巖土力學(xué)，2003，24.

［8］ 中華人民共和國(guó)水利部.水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范［Z］.2007－10－14.