基于FLAC 3D的單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)?zāi)M研究

劉駿龍

(福州市建筑設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 福建福州 350011)

0 引言

樁基的靜載試驗(yàn)，因試驗(yàn)的分級(jí)加載過(guò)程，接近于工程樁的實(shí)際工作條件，因此，是驗(yàn)證樁基承載力最可靠的方法。單樁的豎向抗壓靜載試驗(yàn)，通過(guò)在樁頂分級(jí)施加豎向荷載，記錄樁頂荷載和沉降的關(guān)系，得到單樁的極限承載力，從而研究單樁的豎向承載特性。張忠苗[1]等設(shè)計(jì)了樁梁式堆載支墩-反力架的壓重反力平臺(tái)，在軟土地區(qū)進(jìn)行超長(zhǎng)大直徑灌注樁的大噸位豎向抗壓靜載試驗(yàn)(最大試驗(yàn)荷載28 000 kN)，研究了軟土地區(qū)灌注樁的豎向抗壓承載特性。李翔宇[2]等通過(guò)灌注樁的超大噸位堆載法抗壓靜載試驗(yàn)(最大試驗(yàn)荷載42 000 kN)，研究了大直徑嵌巖樁的荷載-沉降關(guān)系、樁身軸力分布、樁身壓縮等承載特性。

現(xiàn)場(chǎng)地的靜載試驗(yàn)一般采用慢速維持荷載法，其缺點(diǎn)是，靜載試驗(yàn)受到場(chǎng)地環(huán)境條件的制約，反力裝置平臺(tái)安裝和靜載試驗(yàn)過(guò)程耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，大噸位靜載試驗(yàn)的壓重堆載平臺(tái)需要的運(yùn)輸和堆載安裝費(fèi)用高，且堆載存在安全風(fēng)險(xiǎn)。錨樁橫梁反力平臺(tái)和自平衡法靜載試驗(yàn)裝置的安裝難度大、費(fèi)用高。鑒于此，許多學(xué)者運(yùn)用模型試驗(yàn)法對(duì)單樁的承載特性進(jìn)行研究。李?？琜3]等通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究了粉砂地層中超長(zhǎng)樁的荷載-沉降關(guān)系、樁身壓縮、樁身軸力、樁土相對(duì)位移等。金明[4]等在中砂地層中對(duì)長(zhǎng)細(xì)比分別為40、50、60的 3根單樁進(jìn)行室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究超長(zhǎng)樁的荷載-沉降關(guān)系、樁身軸力以及樁側(cè)摩阻力的荷載傳遞機(jī)理等。有些學(xué)者在模型樁靜載試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步開(kāi)展數(shù)值模擬研究，與模型樁的靜載試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析。周健[5]等通過(guò)模型樁的靜載試驗(yàn)，研究了單樁的沉降模式、樁側(cè)摩阻力和樁端阻力的發(fā)揮性狀，并采用顆粒流數(shù)值模擬單樁靜載試驗(yàn)過(guò)程中樁端阻力和樁周土體孔隙率的變化規(guī)律。

數(shù)值模擬技術(shù)廣泛應(yīng)用于研究單樁和群樁基礎(chǔ)的承載特性，常用的數(shù)值模擬軟件有FLAC 3D、ABAQUS、ANSYS和PLAXIS等。FLAC 3D因其良好的三維運(yùn)算能力和后處理技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于樁基承載特性分析[6]。本文采用FLAC 3D軟件建立計(jì)算模型，對(duì)某工程試驗(yàn)樁的豎向抗壓靜載試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，與現(xiàn)場(chǎng)地實(shí)測(cè)的靜載數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，為FLAC 3D軟件在樁基工程的應(yīng)用提供參考。

1 工程概況及地質(zhì)條件

依據(jù)該工程的巖土工程詳細(xì)勘察資料，場(chǎng)地沉積環(huán)境復(fù)雜，各巖土層分布變化較大。場(chǎng)地內(nèi)各巖土層的物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 各土層的物理力學(xué)指標(biāo)

2 現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)樁的施工參數(shù)

本次共完成6根試驗(yàn)樁的單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)。試驗(yàn)樁是超長(zhǎng)大直徑鉆孔灌注樁，屬摩擦樁，施工過(guò)程中均未采用樁端后注漿工藝。試樁分兩種樁徑： S1#、S2#及S3#試樁，設(shè)計(jì)樁徑800 mm； S4#、S5#及S6#試樁，設(shè)計(jì)樁徑1000 mm。試驗(yàn)樁的施工參數(shù)如表2所示。

表2 試樁的施工參數(shù)簡(jiǎn)表

2.2 靜載試驗(yàn)技術(shù)方案

靜載試驗(yàn)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地環(huán)境條件、樁基設(shè)計(jì)圖紙，對(duì)試樁靜載試驗(yàn)的要求按《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行。試驗(yàn)前制定完整的靜載試驗(yàn)綱要，靜載試驗(yàn)均采用壓重反力平臺(tái)裝置(堆載法)。試驗(yàn)前先校核反力平臺(tái)中主梁及次梁的承載力和剛度，對(duì)表層土進(jìn)行換填壓實(shí)后，次梁支座下地基土的承載力滿足規(guī)范要求。

靜載試驗(yàn)采用慢速維持荷載法，采用JCQ靜力載荷測(cè)試儀分級(jí)加載，試驗(yàn)采用6臺(tái)型號(hào)為QF320T的液壓千斤頂。根據(jù)千斤頂率定曲線，換算各分級(jí)荷載對(duì)應(yīng)的油壓，采用高壓油泵加壓。

靜載試驗(yàn)設(shè)置穩(wěn)定的基準(zhǔn)梁系統(tǒng)，采用安裝在基準(zhǔn)梁上的4個(gè)大量程位移傳感器，記錄樁頂沉降變形，并設(shè)置內(nèi)外管的樁端沉降管，觀測(cè)各級(jí)豎向荷載作用下樁端的沉降變形。樁基施工時(shí)，對(duì)S1試樁預(yù)埋振弦式鋼筋應(yīng)力計(jì)，測(cè)試S1試樁不同深度的樁身軸力分布，并進(jìn)一步計(jì)算出各土層的樁側(cè)摩阻力和樁端阻力。

2.3 豎向靜載試驗(yàn)結(jié)果分析

試樁的豎向抗壓靜載試驗(yàn)均按慢速維持荷載法分級(jí)加載，整理現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別繪制S1試樁的荷載-沉降(Q-s)曲線、樁身軸力以及樁側(cè)摩阻力，如圖1～圖3所示。

圖1 試樁S1的荷載-沉降曲線

圖2 試樁S1各級(jí)荷載下樁身軸力

圖3 最大試驗(yàn)荷載下試樁S1樁側(cè)摩阻力分布圖

3 樁靜載試驗(yàn)數(shù)值模擬

3.1 模型建立

由于FLAC 3D軟件遵循有限差分計(jì)算原理，為加快運(yùn)算速度，減少收斂步驟，本文研究是構(gòu)建二分之一模型。模型如圖4所示，水平向計(jì)算范圍100m，豎向計(jì)算范圍120.2m。因樁側(cè)土層厚度不同，樁側(cè)土體網(wǎng)格大小設(shè)置有所差別。共設(shè)置11個(gè)樁土接觸面(10個(gè)側(cè)面，1個(gè)底面)，如圖4～圖5所示。

圖4 單樁靜載試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖5 接觸面設(shè)置情況

3.2 參數(shù)選取

(1)土體及樁體材料

該工程土體材料采用摩爾-庫(kù)倫模型，依據(jù)詳勘報(bào)告確定土體參數(shù)，如表1所示。根據(jù)詳勘報(bào)告及摩阻力測(cè)試結(jié)果，采用的樁體材料參數(shù)如表3所示。

表3 樁體材料參數(shù)

(2)樁土接觸面設(shè)置

樁土接觸面參數(shù)選取原則：法向剛度kn和切向剛度ks參數(shù)值可按下式取值：

kn=ks=10max[(K+4G/3)/ΔZmin]

(1)

式中：K-體積模量；G-剪切模量；ΔZmin-接觸面法向方向上連續(xù)區(qū)域上最小尺寸[7]。

4 模擬分析

4.1 樁身位移和單樁承載力分析

對(duì)該工程中的 S1、S2兩根試樁,建立模型進(jìn)行分析，模擬的分級(jí)荷載與試樁現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)一致，得到如下結(jié)果：

從圖6～圖8可看出，在模擬的試樁分級(jí)加載條件下，當(dāng)豎向荷載為 1560 kN 時(shí)，其對(duì)應(yīng)的沉降量為 1.38 mm，沉降量與S1、S2試樁同級(jí)荷載下沉降量接近；荷載為7800 kN 時(shí)，樁頂沉降量30.61 mm，與實(shí)測(cè)的試樁靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)接近；當(dāng)樁頂荷載繼續(xù)增大時(shí)，樁頂?shù)某两底冃瓮蝗辉龃?，荷載-沉降曲線上表現(xiàn)為明顯陡降，根據(jù)規(guī)范，模擬得到的單樁極限承載力取值為7800 kN，這與實(shí)測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)結(jié)果一致。

圖6 樁開(kāi)始加載時(shí)位移云圖

圖7 樁達(dá)到極限承載力時(shí)位移云圖

圖8 樁破壞后位移云圖

從圖6 和圖7可看出，試樁施加分級(jí)荷載時(shí)，樁頂沉降和樁周土體的沉降均逐級(jí)增大，不同的荷載水平下，樁身和樁周土體的沉降量也不同。

圖9給出了模型模擬的S1試樁荷載-沉降(Q-s)曲線與實(shí)測(cè)結(jié)果。當(dāng)樁頂豎向荷載逐級(jí)增大時(shí)，荷載-沉降關(guān)系曲線呈現(xiàn)出由線性發(fā)展到非線性的變化規(guī)律。當(dāng)豎向荷載較小時(shí)，模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)靜載實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)很相近，隨著分級(jí)荷載的施加，樁頂沉降的模擬數(shù)值偏大。誤差產(chǎn)生的原因主要有：①場(chǎng)地中超長(zhǎng)大直徑鉆孔灌注樁的成樁直徑隨著深度是變化的，不是樁側(cè)平整的圓柱體，實(shí)際工程樁土接觸面參數(shù)和模型模擬中，接觸面參數(shù)的選取是有差別的； ②現(xiàn)場(chǎng)巖土層是離散性較大的非均質(zhì)材料，各巖土層厚度、土層的物理力學(xué)指標(biāo)都有變化，土層實(shí)際參數(shù)和模型模擬使用參數(shù)有偏差。在巖土層條件和樁基設(shè)計(jì)參數(shù)一樣的情況下，工程樁的承載特性還受實(shí)際成孔直徑、灌注樁樁側(cè)泥皮、樁底沉渣厚度等因素的影響?？傮w分析，模型模擬的結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)誤差率小于 20%，二者曲線的趨勢(shì)大致相同，得到的極限承載力較為接近。

圖9 模型模擬的S1試樁Q-s曲線與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

4.2 樁身軸力和樁側(cè)摩阻力分布規(guī)律

圖10和圖11，分別給出了S1試樁在不同豎向荷載水平(1560 kN和7800 kN)下的樁土應(yīng)力分布圖。從應(yīng)力云圖中可以得到如下結(jié)論：①在樁頂豎向分級(jí)荷載作用下，樁身軸力自上而下減?。虎跇俄斬Q向荷載增大時(shí)，不同深度的樁身軸力均不斷增大，這與樁土體系的荷載傳遞機(jī)理一致。

根據(jù)模型模擬得到的試樁S1的樁身軸力，如圖12所示；由樁身軸力數(shù)據(jù)進(jìn)一步計(jì)算得到樁側(cè)摩阻力分布，通過(guò)計(jì)算最大荷載作用下樁側(cè)摩阻力，得到樁側(cè)摩阻力分布，如圖13所示。

圖13 模擬最大荷載下試樁S1樁側(cè)摩阻力圖

對(duì)比分析圖2和圖12可以看出，模型模擬的樁身軸力，隨深度變化曲線和現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)的實(shí)測(cè)曲線，都是從上至下逐步變小。本工程試樁在深度43 m～46 m左右大幅減小，樁身軸力變化趨勢(shì)基本一致，說(shuō)明模型模擬得到的結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相符合。

分析圖3和圖13可以看出，模型模擬最大荷載作用時(shí)，樁側(cè)摩阻力隨深度的分布，與現(xiàn)場(chǎng)工程試樁靜載試驗(yàn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致。樁側(cè)摩阻力自上而下逐步發(fā)揮，摩擦樁在達(dá)到最大試驗(yàn)荷載時(shí)，樁下部的側(cè)摩阻力得以發(fā)揮。模型模擬結(jié)果與靜載試驗(yàn)實(shí)測(cè)值的誤差在可以接受的范圍內(nèi)，誤差產(chǎn)生的原因，主要有樁體實(shí)際受荷方式和模擬方式之間有差異、樁側(cè)土體接觸面參數(shù)選擇與實(shí)際樁土體系接觸存在誤差、樁身預(yù)埋鋼筋應(yīng)力計(jì)測(cè)得的樁身軸力也存在一定的誤差等。本次模型模擬的樁側(cè)摩阻力分布與單樁實(shí)際的承載性狀相符合。

在該工程試樁靜載試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立模型模擬靜載試驗(yàn)的分級(jí)加載過(guò)程，分析各試樁在模擬豎向荷載作用下的承載特性，得到了各試樁的極限承載力值。依據(jù)樁基規(guī)范計(jì)算各試樁的極限承載力，將規(guī)范計(jì)算結(jié)果、模型模擬結(jié)果以及現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)列表分析，如表4所示。

表4 試樁承載力實(shí)測(cè)值、模型模擬值、計(jì)算值 kN

從表4可以看出，試樁樁徑相同時(shí)(S1、S3樁徑相同， S4、S6樁徑相同)，增加樁長(zhǎng)則單樁豎向抗壓承載力顯著提高；試樁樁長(zhǎng)相同時(shí)(S1、S4樁長(zhǎng)相同， S3、S6樁長(zhǎng)相同)，增大樁徑能大幅度提高單樁豎向抗壓承載力。根據(jù)本文建立的單樁承受豎向荷載模型計(jì)算結(jié)果，單樁極限承載力模擬值與靜載試驗(yàn)實(shí)測(cè)值和計(jì)算值之間的誤差率均小于 10%。模型模擬得到的樁身軸力和樁側(cè)摩阻力分布與靜載試驗(yàn)實(shí)測(cè)值誤差，均在可以接受的范圍內(nèi)。可將該模型用來(lái)分析類似工程條件下豎向受荷樁的承載特性。

5 結(jié)論

本文基于FLAC 3D軟件，建立了試樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)的有限差分模型，運(yùn)用該軟件計(jì)算，得到單樁在豎向荷載下的荷載-沉降(Q-s)關(guān)系，通過(guò)該模型模擬各級(jí)豎向荷載作用下的樁身軸力分布和樁側(cè)摩阻力分布圖，將模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。主要結(jié)論如下：

(1)對(duì)比工程試樁的單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以及本文使用的模型模擬計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)單樁的荷載-沉降曲線可分為三段，分別為斜率較小的直線、平滑的曲線及斜率較大的直線，且模型結(jié)果曲線和靜載試驗(yàn)實(shí)測(cè)曲線趨勢(shì)相同，誤差在可以接受的范圍內(nèi)，得到的極限承載力大小接近。因此，本文的數(shù)值模型是比較準(zhǔn)確的。

(2)樁身軸力由樁頂?shù)綐兜字饾u減小，通過(guò)計(jì)算得到樁側(cè)摩阻力的分布，在極限承載力情況下，樁側(cè)上半部摩阻力發(fā)揮完畢，下半部摩阻力也接近全部發(fā)揮。對(duì)比模型模擬和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到的樁身軸力分布曲線和樁側(cè)摩阻力分布圖，發(fā)現(xiàn)其結(jié)果基本一致，再次驗(yàn)證了模型的正確性。

(3)試樁樁徑增大和樁長(zhǎng)增加，會(huì)大幅度提高其豎向抗壓承載力。模型模擬得到的單樁極限承載力、樁身軸力和樁側(cè)摩阻力分布，與現(xiàn)場(chǎng)地試樁靜載試驗(yàn)實(shí)測(cè)值的誤差較小，可以采用該模型模擬分析類似工程條件下豎向受荷樁的承載特性。