基于單樁豎向靜載荷試驗的地質(zhì)參數(shù)反演分析

王俊嶺，景國金

機(jī)械工業(yè)第四設(shè)計研究院有限公司

基于單樁豎向靜載荷試驗的地質(zhì)參數(shù)反演分析

王俊嶺，景國金

機(jī)械工業(yè)第四設(shè)計研究院有限公司

樁基靜載試驗是巖土工程中目前確定單樁承載力特征值的最可靠的方法之一，本文基于單樁豎向靜載荷試驗的實測數(shù)據(jù)，基于有限差分方法，利用FLAC3D建立單樁豎向靜載荷試驗的數(shù)值模型，通過分級加載計算直至滿足終止加載條件，在每一個計算步后分別對比數(shù)值計算數(shù)據(jù)與試驗實測數(shù)據(jù)，并不斷修正土體的關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)從而使數(shù)值計算曲線與試驗實測曲線在規(guī)定的誤差精度范圍之內(nèi)，即可得到相應(yīng)土層的關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)。實際算例表明，本文所提處的地質(zhì)參數(shù)反演方法是正確的、有效的，對工程勘察和設(shè)計中巖土體地質(zhì)參數(shù)的取值具有積極的價值和意義。

靜載試驗；地質(zhì)參數(shù)；反演分析

1、引論

在巖土工程中，反演分析可分為三種：逆分析法、直接分析法和概率統(tǒng)計法。逆分析法是正分析的逆向解析推演，通過某種變換推導(dǎo)，將要反分析的參數(shù)從原方程中分離出來，這種方法穩(wěn)定性好，速度快，計算量少，但它推導(dǎo)過程復(fù)雜，通用性不強(qiáng)，目前應(yīng)用很少。直接分析法是通過不斷地調(diào)整系統(tǒng)地參數(shù)，使計算值與實測值的差值最小。這種方法不需要像逆分析法那樣重新推導(dǎo)原方程，而只要將正分析方法作為一個子程序直接調(diào)用，所以具有較大的適用性。概率統(tǒng)計法可以用來研究實測數(shù)據(jù)的測量誤差對反分析得到參數(shù)的影響，也可用來研究地基中土層分布的不確定性以及地基中土的力學(xué)性質(zhì)在空間的變化情況[1,2]。

確定單樁豎向承載力特征值是樁基礎(chǔ)設(shè)計的關(guān)鍵，除了對試樁進(jìn)行單樁豎向靜載荷試驗以外，也經(jīng)常根據(jù)理論公式進(jìn)行承載力特征值的估算，此時，地質(zhì)參數(shù)的可靠程度直接影響了理論計算的精度。文獻(xiàn)[3]是利用有限單元法對預(yù)制樁靜壓過程獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，反演得到的樁土力學(xué)參數(shù)，不但可以驗證地質(zhì)勘探報告的準(zhǔn)確性，確定樁周土體的實際側(cè)摩阻力，對基樁樁長設(shè)計起指導(dǎo)作用，確定適宜的樁端持力層、樁端進(jìn)入持力層的合理深度，同時也可用于預(yù)測類似場地中不同直徑和長度樁的荷載-沉降特性。

2、數(shù)值模擬靜載試驗

本文基于有限差分方法，運用FLAC3D首先建立單樁豎向靜載荷試驗的數(shù)值計算模型[3]，然后通過與實測的靜載試驗曲線進(jìn)行對比擬合而不斷修正相應(yīng)計算參數(shù)，如果誤差滿足所需要的精度要求，即可確定相應(yīng)土層的地質(zhì)參數(shù)，其反演分析流程如圖1所示。

2.1 建立地基土模型

對于靜載荷試驗而言，局部影響范圍內(nèi)往往是簡單的地形地貌，且以水平地表為主，因此在FLAC3D中可以用規(guī)則的六面體網(wǎng)格來構(gòu)造地基模型，同樣也可以構(gòu)建由不同土層組成的的地基模型。

以摩爾庫倫本構(gòu)模型作為巖土體的主要材料參數(shù)模型。摩爾庫倫本構(gòu)模型本質(zhì)上是彈塑性模型，共有6個參數(shù)，即彈性體變模量K、彈性切變模量G、內(nèi)聚力c、內(nèi)摩擦角?、剪脹角?和抗拉強(qiáng)度σt。根據(jù)經(jīng)驗及有關(guān)文獻(xiàn)，內(nèi)摩擦角?的敏感性較高，內(nèi)聚力次之，因此在本文中迭代調(diào)整巖土參數(shù)以擬合實測曲線時，以調(diào)整內(nèi)摩擦角的參數(shù)為主。

2.2 建立樁模型

樁基礎(chǔ)相對于土體材料，其材料剛度較大，通常選用彈性模型，同時取相對較大的地質(zhì)參數(shù)值。其中彈性體變模量K、彈性切變模量G與彈性模量E和泊松比μ的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

2.3 建立樁土接觸面模型

建立樁土接觸模型是成功進(jìn)行數(shù)值模擬單樁豎向靜載荷試驗的關(guān)鍵。接觸面單元通過接觸面節(jié)點和實體單元表面之間建立聯(lián)系。接觸面的接觸性體現(xiàn)在接觸面節(jié)點上，并且接觸力僅在節(jié)點上傳遞。

對于庫倫滑動的接觸面單元，存在兩種狀態(tài)：相互接觸和相對滑動。當(dāng)接觸面上的切向力小于最大切向力，接觸面處于彈性階段；當(dāng)接觸面上的切向力等于最大切向力，接觸面進(jìn)入塑性階段。

如果接觸面上存在拉應(yīng)力并且超過了接觸面上的抗拉強(qiáng)度，那么接觸面就會破壞，切向力和法向力就會為零。默認(rèn)情況下，抗拉強(qiáng)度為零。因此，在法向上存在兩種接觸狀態(tài)：張開和閉合。對于剛性差異較大的兩種材料，通常要求無拉伸和無嵌入兩個條件來保證接觸計算的正確和接觸狀態(tài)的正常。

2.4 分級加載

按照靜載荷試驗在樁頂分級加載，計算結(jié)束后提取每級荷載下的樁頂位移，繪制P-S曲線。采用應(yīng)力加載法，每加一級荷載，求解計算并監(jiān)測輸出其樁頂位移，然后依次加載，直至達(dá)到樁破壞條件。

2.5 與靜載試驗實測P-S曲線對比

如誤差較大，修改參數(shù)重新計算，直至計算曲線與實測曲線的誤差在給定的范圍內(nèi)為止。為了保證計算的結(jié)果盡可能地與實測結(jié)果保持一致，在每加一級荷載后都要與實測同級荷載下的沉降結(jié)果進(jìn)行誤差分析，如果誤差較大，則不斷調(diào)整土體的地質(zhì)參數(shù)，直至滿足給定的精度要求為止，才可施加下一級荷載。

3、算例

3.1 工程概況

某工程項目采用鉆孔灌注樁，樁徑600mm，樁長43.12m，設(shè)計承載力2000kN，樁周土以軟粘土為主，樁端土為粉質(zhì)粘土。

本次試驗最大加載量為3680kN，每級荷載增量為最大加載量的1/10，第一級荷載為加載增量的2倍，共分9級加載；每級卸載量為分級加載量的2倍，共分5級卸載。加載方式采用慢速維持荷載法，加卸載的順序及對應(yīng)的沉降量如表1所示。

表1 分級加載及其對應(yīng)的沉降量

3.2 樁基靜載試驗數(shù)值模型

根據(jù)上述工程情況和規(guī)范，以及本文提出的地質(zhì)參數(shù)反演分析方法，建立樁基礎(chǔ)靜載試驗數(shù)值模型。

3.3 計算結(jié)果擬合實測曲線

根據(jù)每個加荷步驟計算結(jié)果，不斷修正地基土的關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)，直至計算結(jié)果與實測結(jié)果在誤差范圍之內(nèi)，如圖2所示。

3.4 地質(zhì)參數(shù)反演

當(dāng)數(shù)值模擬結(jié)果與實測結(jié)果一致時，最終修正計算所用的計算參數(shù)即為相應(yīng)土層的關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)，如表2所示。

表2 樁周土與樁端土層地質(zhì)參數(shù)

4、結(jié)論

本文基于有限差分法利用FLAC3D構(gòu)建了用于確定單樁豎向承載力特征值的靜載荷試驗數(shù)值模型，根據(jù)加荷條件分步進(jìn)行計算，并與實際靜載荷試驗的結(jié)果進(jìn)行擬合對比，并不斷修正巖土體的地質(zhì)參數(shù)，直至誤差在要求的精度范圍之內(nèi)為止，此時即為所要得到的地質(zhì)參數(shù)。根據(jù)實例驗證結(jié)果，數(shù)值反演所得的土體地質(zhì)參數(shù)接近工程勘察所建議的參數(shù)，表明本文所提出的方法是正確的和有效的。

[1]王仕偉.基樁荷載-沉降曲線擬合與分析,華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007年6月，湖北，武漢

[2]孫書偉，林航,任連偉.FLAC3D在巖土工程中的應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社，2011.6

[3]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范，北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014

王俊嶺（1982-），男，漢族，河南周口人，工程師，學(xué)士學(xué)位，從事地基基礎(chǔ)檢測工作。