基于FLAC3D的單樁負(fù)摩阻力特性研究

【摘要】利用FLAC3D模擬軟土地基中地面堆載對(duì)樁側(cè)負(fù)摩阻力的影響，分析不同堆載條件及加載次序下樁身軸力、單樁負(fù)摩阻力的變化規(guī)律。數(shù)值模擬結(jié)果表明，單樁在樁頂荷載作用下，樁側(cè)負(fù)摩阻力隨地面堆載等級(jí)的增大而增大；在先進(jìn)行地面堆載時(shí)，樁側(cè)負(fù)摩阻力則隨著樁頂荷載等級(jí)的增大而減小。

【關(guān)鍵詞】負(fù)摩阻力；變化規(guī)律；樁身軸力；FLAC3D

樁周土的沉降大于樁體的沉降，樁—土的相對(duì)位移（或者相對(duì)位移趨勢(shì)）是形成負(fù)摩擦力的原因。樁的負(fù)摩阻力和沉降機(jī)制取決于樁與土之間相互作用的應(yīng)力應(yīng)變性狀，這是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題。由于巖土條件的復(fù)雜多變，即使在現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)和計(jì)算技術(shù)高度發(fā)展的情況下，許多問(wèn)題仍未獲得較為滿(mǎn)意的解答[1]。影響樁負(fù)摩阻力的因素很多，現(xiàn)有的計(jì)算方法與公式都具有近似性和經(jīng)驗(yàn)性，都很少考慮到土體應(yīng)力應(yīng)變的非線性[2]。筆者用快速拉格朗日法有限差分程序FLAC3D模擬軟土地基中單樁負(fù)摩阻力的產(chǎn)生、發(fā)展機(jī)理，以期對(duì)這一問(wèn)題做新的探究。

1負(fù)摩阻力的產(chǎn)生機(jī)理及特性

負(fù)摩阻力產(chǎn)生、發(fā)展的過(guò)程是樁與土的沉降相互協(xié)調(diào)的過(guò)程[3]：樁土之間存在相對(duì)位移在正常情況下，樁頂受壓下沉，這時(shí)樁側(cè)的摩阻力方向向上為正摩阻力；如果土層相對(duì)樁側(cè)有向下的位移，此時(shí)樁側(cè)的向下摩阻力稱(chēng)為負(fù)摩阻力。產(chǎn)生負(fù)摩阻力的情況有很多，歸結(jié)為：①欠固結(jié)軟粘土或新填土的自重固結(jié)；②大面積堆載使樁周土層下沉；③地下水位降低造成樁周土下沉；④濕陷性黃土濕陷引起沉降；⑤打樁后孔隙水壓力消散引起固結(jié)沉降；⑥地震液化。

2樁基負(fù)摩阻力的研究現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于樁基負(fù)摩阻力的研究主要集中在理論計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、室內(nèi)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬等幾個(gè)方面。影響負(fù)摩阻力的因素很多，要精確地計(jì)算負(fù)摩阻力十分困難，國(guó)內(nèi)外大都采用近似的經(jīng)驗(yàn)公式估算，常用的主要有以下幾種方法：有效應(yīng)力法、標(biāo)貫試驗(yàn)法、經(jīng)驗(yàn)值法。大量試驗(yàn)與工程實(shí)測(cè)結(jié)果表明，以有效應(yīng)力法計(jì)算負(fù)摩阻力較接近于實(shí)際。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)是獲得樁側(cè)負(fù)摩阻力大小和分布的最直接可靠的方法。但是，由于受工程工期、資金及負(fù)摩阻力時(shí)間效應(yīng)的影響，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)需要投入較高成本。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在室內(nèi)模型試驗(yàn)方面也進(jìn)行了一系列研究，并取得了一定的成果。但室內(nèi)模型只能部分反映某些較為簡(jiǎn)單的地質(zhì)情況，其成果的適用范圍有一定的局限性。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的提高，數(shù)值模擬技術(shù)在巖土工程界得到了廣泛應(yīng)用。如Lee等應(yīng)用ABAQUS有限元軟件，Kong等利用FLAC3D軟件建立了單、群樁負(fù)摩阻力數(shù)值計(jì)算模型，分析了樁側(cè)負(fù)摩阻力、樁身下拽力等的變化規(guī)律。在前人研究的基礎(chǔ)上，筆者擬對(duì)軟土中單樁的負(fù)摩阻力進(jìn)行數(shù)值模擬，并著重分析地面堆載與樁頂荷載的加載順序?qū)渡磔S力的影響[4-5]。

3單樁負(fù)摩阻力的FLAC3D數(shù)值模擬

作為一種基于三維顯式有限差分法的數(shù)值分析程序，F(xiàn)LAC3D能較好地模擬巖土材料在達(dá)到強(qiáng)度極限或屈服極限時(shí)發(fā)生的破壞或塑性流動(dòng)的力學(xué)行為，特別適用于分析漸進(jìn)破壞和失穩(wěn)以及模擬大變形。其強(qiáng)大的前后處理功能，方便用戶(hù)在計(jì)算過(guò)程中的任何時(shí)刻用高分辨率的彩色或灰度圖或數(shù)據(jù)文件輸出結(jié)果，對(duì)結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，給出計(jì)算域的任意截面上的變量圖或等直線圖，且可以旋轉(zhuǎn)計(jì)算域以便從不同的角度觀測(cè)計(jì)算結(jié)果。

3.1計(jì)算模型的建立

為了計(jì)算方便和便于比較，模型擬采用2層土體上部軟粘土層厚20m，下部砂土層厚5m，樁設(shè)置在軟土體內(nèi)，樁長(zhǎng)20m，半徑0.25，不考慮地下水的影響。土體采用Mohr-Coulomb模型進(jìn)行模擬；樁體用FLAC3D中內(nèi)置實(shí)體pile單元建立，采用MODEL elastic模型；樁側(cè)、樁端和土體接觸面采用無(wú)厚度接觸面單元，本構(gòu)模型采用庫(kù)侖剪切模型。本次模擬考慮實(shí)際情況，并借鑒前人的經(jīng)驗(yàn)，樁端和樁側(cè)接觸面參數(shù)——法向剛度、切向剛度均取10GPa/m，粘聚力取30kPa，內(nèi)摩擦角取20°。

為節(jié)約計(jì)算時(shí)間，取模型的一半進(jìn)行模擬計(jì)算。模型長(zhǎng)30m、寬15m、高25m，底部和側(cè)面約束法向位移，相當(dāng)于鏈桿約束，上部為自由邊界。

3.2FLAC3D數(shù)值模擬計(jì)算

計(jì)算模型建立后，賦予樁土材料的各力學(xué)參數(shù)，樁所在位置的值取為相應(yīng)土層參數(shù)，計(jì)算至平衡。計(jì)算結(jié)束后，樁所在位置處的參數(shù)改變?yōu)闃侗旧淼牧W(xué)參數(shù)，再進(jìn)行一次計(jì)算至樁土相互作用下的平衡，以此來(lái)模擬實(shí)際的打樁過(guò)程。該模擬是在軟土地基單樁樁周土堆載作用下進(jìn)行的，在樁土相互作用平衡的基礎(chǔ)上，以在樁周土施加豎向均布荷載模擬實(shí)際堆載過(guò)程，并改變堆載條件進(jìn)行單樁負(fù)摩阻力的模擬，按以下幾種工況進(jìn)行模擬計(jì)算：①單樁樁頂施加500kN豎向荷載，計(jì)算至平衡后，樁周土分級(jí)施加25，50，100，150，200kPa的豎向均布荷載以模擬堆載對(duì)樁頂荷載作用下樁體軸力及負(fù)摩阻力的影響；②樁周土施加25kPa豎向均布荷載，計(jì)算至平衡后，樁頂分級(jí)施加500，1000，1500，2000kN的豎向荷載，分析堆載條件下樁體軸力與樁頂荷載的關(guān)系；③樁頂施加500kN豎向荷載的同時(shí)在樁周土施加25，50，100，150，200kPa不同的豎向均布荷載，分析樁頂荷載與地面堆載同時(shí)施加情況下的單樁軸力分布及負(fù)摩阻力的變化規(guī)律。

4結(jié)論

數(shù)值模擬結(jié)果表明，單樁在樁頂荷載作用下，樁側(cè)負(fù)摩阻力隨地面堆載等級(jí)的增大而增大；在先進(jìn)行地面堆載時(shí)，樁側(cè)負(fù)摩阻力則隨著樁頂荷載等級(jí)的增大而變小，負(fù)摩阻力逐漸轉(zhuǎn)化為正摩阻力。這與根據(jù)樁—土間荷載傳遞機(jī)理分析的結(jié)果相一致，可見(jiàn)利用FLAC3D對(duì)單樁負(fù)摩阻力進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)效果良好。目前在樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算負(fù)摩阻力具有一定的近似性和經(jīng)驗(yàn)性，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試可準(zhǔn)確獲得樁側(cè)負(fù)摩阻力，但須耗費(fèi)大量人力、物力且受時(shí)間的制約。數(shù)值模擬能較好地反映樁—土的應(yīng)力、應(yīng)變性狀，故在模型參數(shù)選取合理時(shí)，可利用FLAC3D數(shù)值模擬反演現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，進(jìn)行負(fù)摩阻力的定性分析、定量計(jì)算，減少現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)次數(shù)。

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