基于單樁豎向靜載荷試驗的地質參數反演分析

王俊嶺，景國金

機械工業第四設計研究院有限公司

基于單樁豎向靜載荷試驗的地質參數反演分析

王俊嶺，景國金

機械工業第四設計研究院有限公司

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據，基于有限差分方法，利用FLAC3D建立單樁豎向靜載荷試驗的數值模型，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值計算數據與試驗實測數據，并不斷修正土體的關鍵地質參數從而使數值計算曲線與試驗實測曲線在規定的誤差精度范圍之內，即可得到相應土層的關鍵地質參數。實際算例表明，本文所提處的地質參數反演方法是正確的、有效的，對工程勘察和設計中巖土體地質參數的取值具有積極的價值和意義。

靜載試驗；地質參數；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，將要反分析的參數從原方程中分離出來，這種方法穩定性好，速度快，計算量少，但它推導過程復雜，通用性不強，目前應用很少。直接分析法是通過不斷地調整系統地參數，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原方程，而只要將正分析方法作為一個子程序直接調用，所以具有較大的適用性。概率統計法可以用來研究實測數據的測量誤差對反分析得到參數的影響，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性質在空間的變化情況[1,2]。

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

2、數值模擬靜載試驗

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值計算模型[3]，然后通過與實測的靜載試驗曲線進行對比擬合而不斷修正相應計算參數，如果誤差滿足所需要的精度要求，即可確定相應土層的地質參數，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中可以用規則的六面體網格來構造地基模型，同樣也可以構建由不同土層組成的的地基模型。

以摩爾庫倫本構模型作為巖土體的主要材料參數模型。摩爾庫倫本構模型本質上是彈塑性模型，共有6個參數，即彈性體變模量K、彈性切變模量G、內聚力c、內摩擦角?、剪脹角?和抗拉強度σt。根據經驗及有關文獻，內摩擦角?的敏感性較高，內聚力次之，因此在本文中迭代調整巖土參數以擬合實測曲線時，以調整內摩擦角的參數為主。

2.2 建立樁模型

樁基礎相對于土體材料，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參數值。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的轉換關系為：

2.3 建立樁土接觸面模型

建立樁土接觸模型是成功進行數值模擬單樁豎向靜載荷試驗的關鍵。接觸面單元通過接觸面節點和實體單元表面之間建立聯系。接觸面的接觸性體現在接觸面節點上，并且接觸力僅在節點上傳遞。

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

如果接觸面上存在拉應力并且超過了接觸面上的抗拉強度，那么接觸面就會破壞，切向力和法向力就會為零。默認情況下，抗拉強度為零。因此，在法向上存在兩種接觸狀態：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，計算結束后提取每級荷載下的樁頂位移，繪制P-S曲線。采用應力加載法，每加一級荷載，求解計算并監測輸出其樁頂位移，然后依次加載，直至達到樁破壞條件。

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為止。為了保證計算的結果盡可能地與實測結果保持一致，在每加一級荷載后都要與實測同級荷載下的沉降結果進行誤差分析，如果誤差較大，則不斷調整土體的地質參數，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，設計承載力2000kN，樁周土以軟粘土為主，樁端土為粉質粘土。

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的沉降量如表1所示。

表1 分級加載及其對應的沉降量

3.2 樁基靜載試驗數值模型

根據上述工程情況和規范，以及本文提出的地質參數反演分析方法，建立樁基礎靜載試驗數值模型。

3.3 計算結果擬合實測曲線

根據每個加荷步驟計算結果，不斷修正地基土的關鍵地質參數，直至計算結果與實測結果在誤差范圍之內，如圖2所示。

3.4 地質參數反演

當數值模擬結果與實測結果一致時，最終修正計算所用的計算參數即為相應土層的關鍵地質參數，如表2所示。

表2 樁周土與樁端土層地質參數

4、結論

本文基于有限差分法利用FLAC3D構建了用于確定單樁豎向承載力特征值的靜載荷試驗數值模型，根據加荷條件分步進行計算，并與實際靜載荷試驗的結果進行擬合對比，并不斷修正巖土體的地質參數，直至誤差在要求的精度范圍之內為止，此時即為所要得到的地質參數。根據實例驗證結果，數值反演所得的土體地質參數接近工程勘察所建議的參數，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,華中科技大學碩士學位論文，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標準，建筑基樁檢測技術規范，北京：中國建筑工業出版社，2014

王俊嶺（1982-），男，漢族，河南周口人，工程師，學士學位，從事地基基礎檢測工作。