基于FLAC3D數(shù)值模擬的樁基加載力學(xué)特性分析①

布仁巴圖 呂金明 高東偉 王帥印 楊元文

(中交路橋建設(shè)有限公司 北京 101121)

當(dāng)前，鐵路、公路作為引領(lǐng)我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，各地區(qū)都加大了對(duì)公路和鐵路的建設(shè)，它不僅給人們的生活帶來了方便，也極大的促進(jìn)了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。但由于我國幅員遼闊，地貌多樣，山區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件下的施工需要更加先進(jìn)的技術(shù)設(shè)備和技術(shù)手段。為了應(yīng)對(duì)復(fù)雜的地形地貌，在一定情況下選擇樁基施工可降低施工難度，保證鐵路、公路橋梁的穩(wěn)定，防止橋梁變形，從而保證交通要道的安全運(yùn)行。工程實(shí)際中，由于缺少可靠、有效、準(zhǔn)確的單樁承載力數(shù)據(jù)，很多情況下只能采用相關(guān)規(guī)范中推薦的參數(shù)，而這些參數(shù)的取值往往偏于保守，這就使得樁基安全系數(shù)過大，甚至有些時(shí)候，導(dǎo)致基樁盲目地向長、大發(fā)展，造成不必要的人力、物力、財(cái)力上的浪費(fèi)。因此，本文通過數(shù)值模擬分析樁基加載過程中的一些力學(xué)特性，這是當(dāng)前運(yùn)用較為廣泛的方法，例如李一凡等[1]采用 FLAC3D 軟件對(duì)煤礦開采沉陷預(yù)計(jì)過程進(jìn)行研究；朱安龍等[2]基于 FLAC3D 軟件對(duì)采用錨索邊坡的加固機(jī)理進(jìn)行數(shù)值模擬；FLAC3D較為普遍的運(yùn)用還是在采礦工程和巖土工程邊坡分析[3-5]，取得了較好的實(shí)際效果；劉尊平等[6]以北京市豐臺(tái)區(qū)某超高層建筑為例,采用FLAC3D軟件建模計(jì)算了地震工況下樁基礎(chǔ)的變形和速度響應(yīng)情況,為樁基礎(chǔ)的抗震設(shè)計(jì)提供預(yù)測數(shù)據(jù)；劉仁偉[7]針對(duì)工程樁在施工過程中出現(xiàn)的常見的兩種缺陷樁型,以合肥某高架工程中的樁基工程為背景，根據(jù)現(xiàn)場的工程勘察資料，運(yùn)用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析缺陷位置改變時(shí)，對(duì)單樁承載力性狀的影響。本文的分析結(jié)果對(duì)實(shí)際工程中樁基承載力及其特性研究有著非常重要的作用。

表1 土體性質(zhì)及參數(shù)

表2 樁體參數(shù)設(shè)置

圖1 土體位移

圖2 樁基軸向應(yīng)力

圖3 樁基軸向位移

圖4 樁基荷載-位移變化

1 FLAC3D計(jì)算原理

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，巖土工程領(lǐng)域的分析越來越依靠數(shù)值模擬，它不僅可以設(shè)置不同的工況來分析多因素作用于工程實(shí)例的力學(xué)特性，還能預(yù)測地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。目前，常用的數(shù)值模擬軟件主要有ANSYS、FLAC3D、ABAQUS、PFC等，它們有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)。FLAC3D是一種有限差分軟件，基于快速拉格朗日求解理論，它采用的是“混合離散法”，通過動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行求解，它在進(jìn)行模擬時(shí)主要包括有限差分網(wǎng)格、確定本構(gòu)關(guān)系、設(shè)置邊界和初始條件三個(gè)基本步驟。其中網(wǎng)格用來定義分析模型的幾何形狀；本構(gòu)關(guān)系通過相對(duì)應(yīng)的材料性質(zhì)來表征；邊界和初始條件是用來表現(xiàn)模型的初始狀態(tài)。FLAC3D可以模擬的結(jié)構(gòu)單元包括：梁、錨元、樁、殼體以及人工結(jié)構(gòu)。通過設(shè)置不同的界面單元，還可以模擬節(jié)理、斷層和虛擬的物理邊界。

2 數(shù)值模擬

2.1 工程概況與難點(diǎn)

項(xiàng)目位于綦江區(qū)新盛鎮(zhèn)附近，由綦江北互通及連接線組成，綦江北互通設(shè)置于渝黔高速上，設(shè)置位置位于綦江與巴南交界處綦江一側(cè)，互通收費(fèi)站出口接連接線，連接線接新盛鎮(zhèn)，終點(diǎn)接綦江區(qū)九龍大道。本項(xiàng)目是連接共同組團(tuán)和新盛鎮(zhèn)以及渝黔高速公路的快速通道，同時(shí)也是綦江區(qū)城市空間向北拓展的主干道。

項(xiàng)目路線起于綦江新盛鎮(zhèn)西北約2.5km，與綦江區(qū)九龍大道、發(fā)展大道順接，路線全長8.837km?；ネ斑B接線橋梁共計(jì)14座，累計(jì)長度4017.24m，包括大橋927.5m/4座、中橋97m/1座、互通橋梁2992.74m/9座。橋梁上部結(jié)構(gòu)形式有現(xiàn)澆箱梁、鋼箱梁、預(yù)制T梁。項(xiàng)目合同總額7.63億元，合同工期24個(gè)月。

本項(xiàng)目共有64根樁基（C4、C5、C6、C7，A5、A6、A7、A8，B3、B4、B5、B6，D6、D7、D8、D9）穿過該地層，因深厚回填土存在很大的欠固結(jié)問題，易產(chǎn)生不均勻沉降，采用樁基時(shí)會(huì)產(chǎn)生樁側(cè)負(fù)摩阻力，此問題對(duì)樁基整體穩(wěn)定性影響很大，鄰近樁側(cè)地面承受局部較大的長期荷載等。負(fù)摩阻力可能發(fā)生在施工過程、上部結(jié)構(gòu)使用前或使用過程中。對(duì)于端承樁，負(fù)摩阻力有可能造成樁身強(qiáng)度破壞或樁端持力層破壞。同時(shí)常規(guī)鉆孔樁施工由于土質(zhì)較為疏松極易出現(xiàn)塌孔，存在較多的未知安全隱患和風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述，本文將通過數(shù)值模擬分析樁基加載過程中的力學(xué)性能，為樁基施工提供分析。

2.2 網(wǎng)格尺寸

本次模擬依托渝黔高速公路綦江北互通建設(shè)工程，選取的模型尺寸為長×寬×高為15m×15m×15m。

2.3 土體參數(shù)設(shè)置

根據(jù)工程實(shí)際，設(shè)置土體的性質(zhì)、密度及變形參數(shù)如表1，本例給出土體體積模量K和剪切模G量。一般而言，工程實(shí)際中通常提供的是楊氏模量E和泊松比ν，需要通過以下方程轉(zhuǎn)換：

2.4 初始平衡

通過對(duì)土體進(jìn)行參數(shù)賦值以后，將模型的前、后、左、右及底部進(jìn)行約束，模型頂部作為自由面，再施加重力加速度，最后進(jìn)行初次平衡，土體將發(fā)生部分沉降。

2.5 樁土模型建立

樁結(jié)構(gòu)單元的定義需要通過幾何參數(shù)、材料參數(shù)和耦合彈簧參數(shù)來設(shè)置，一般而言，樁結(jié)構(gòu)含有16個(gè)參數(shù)，樁與實(shí)體單元的作用是通過耦合彈簧來實(shí)現(xiàn)的，其中法向彈簧可以模擬樁基加載的法向荷載，也可以模擬土體對(duì)樁的擠壓。樁土接觸面的剪應(yīng)力主要設(shè)置摩擦角和粘聚力，接觸面的法向作用則主要考慮粘聚力和摩擦角。本例中設(shè)置單樁的樁長為8m，深入土中長度為7m，樁直徑為1m，土的摩擦角以及樁土接觸面的摩擦角均為10°，樁體參數(shù)設(shè)置如表2，其部分未設(shè)置的參數(shù)為0。

3 數(shù)據(jù)分析

樁體接觸設(shè)置后，對(duì)樁端施加軸向的水平荷載，對(duì)樁端底部進(jìn)行約束，分析端承樁加載過程中位移變化同時(shí)檢測樁體力學(xué)性能變化及特征。

由圖1可知，當(dāng)對(duì)樁基進(jìn)行加載時(shí)，靠近樁周的土體沉降明顯大于遠(yuǎn)離樁體的土體沉降，且加載力越大，樁周土體沉降也較大。因此，在樁基施工過程中，應(yīng)對(duì)樁周土體進(jìn)行強(qiáng)加固，防止其發(fā)生過大沉降，從而產(chǎn)生樁基負(fù)摩阻力。

由圖2可知，對(duì)樁體進(jìn)行加載時(shí)，樁體軸力由大變小，為防止樁體發(fā)生破壞，在施工過程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)樁體的保護(hù)，在實(shí)際工程中，為了提高裝的承載能力，需要設(shè)置合理的樁長和樁徑。

由圖3可知，端承樁在軸向加載過程中，樁頂位移大于樁底位移，可以看出，樁底約束對(duì)樁體有一定的保護(hù)作用。因此，端承樁在實(shí)際工程中應(yīng)用較為廣泛。

由圖4可知，端承樁在加載過程中，樁體位移隨著荷載的增大而增大，當(dāng)荷載增加到一定程度時(shí)，樁體位移不再變化。

綜上所述，端承樁具有較好的支撐性能，其是否產(chǎn)生負(fù)摩阻力，與樁周土體沉降有關(guān)。在樁頂荷載作用時(shí)，樁周土沉降值較小，其隨著荷載的增加也呈線性增加。端承樁在實(shí)際工程的應(yīng)用中較廣泛。具有較好的實(shí)用性。

4 樁基承載力優(yōu)化措施

樁基豎向承載力性狀十分復(fù)雜，影響樁基承載力的因素也是很多的，主要有樁周土、樁端土的力學(xué)性質(zhì)、樁的幾何特性，以及成樁工藝和施工方法等，此外，時(shí)間的變化也會(huì)影響樁基的承載力。目前，滿應(yīng)力設(shè)計(jì)法、滿位移設(shè)計(jì)法、能量準(zhǔn)則法等運(yùn)用較為廣泛。其中，滿應(yīng)力法要求各樁和土在一組確定的荷載組合下承受荷載等于或接近單樁承載力的特征值。滿應(yīng)力設(shè)計(jì)適用于上部應(yīng)力傳遞明確、樁基施工方式、樁基類型、樁基持力層已經(jīng)確定的情況。滿位移設(shè)計(jì)法要求首先滿足承載力約束的優(yōu)化基礎(chǔ)，使建筑物的沉降能夠達(dá)到最大的允許沉降值。實(shí)際施工過程中，常用的體高樁基承載能力的方法有以下幾種：

（1）根據(jù)實(shí)際工程，設(shè)計(jì)合理的樁長和樁徑。

（2）改變樁周土體材料，減小土體沉降，防治樁基負(fù)摩阻力的產(chǎn)生。

（3）改變樁體材料，選擇彈性模量較大的材料作為樁體材料，從而提高樁基承載力。

（4）制定合理的樁基施工工藝，減小施工過程中對(duì)樁周土體的擾動(dòng)，樁底部的沉渣要徹底清除。

5 結(jié)語

本文通過數(shù)值模擬，對(duì)樁基軸向加載的部分力學(xué)特性進(jìn)行了分析，并提出了一些樁基承載力優(yōu)化的措施，可在一定程度上指導(dǎo)實(shí)際工程施工，具有較好的實(shí)用價(jià)值。