基于FLAC^3D的紅粘土地基PHC管樁的承載性能研究

黃柳云 姚東升 宋少軍 孟金

摘 要：為研究紅粘土地質條件下的PHC管樁的承載性能，以柳州某實際工程為案例，應用FLAC 3D軟件進行數值建模，對實際工程靜壓PHC管樁的靜載試驗進行數值模擬，對比分析數值模擬和工程樁靜載試驗的結果，對紅粘土地基PHC管樁的荷載傳遞規律和樁頂沉降規律進行數值模擬和研究分析.結果表明：FLAC3D數值模擬和靜載試驗的Q-S曲線相比，數值略小，曲線比較接近，基本趨勢亦相同，數值模擬的結果能較好地反映PHC管樁的工作特性，模型參數的選擇符合工程實際情況，PHC管樁單樁承載力設計值取值偏保守.PHC管樁的強度、樁長、樁端殘余應力以及上覆紅粘土的休止時間，都是影響樁體沉降的因素.在豎向荷載的作用下，樁身軸力由上往下衰減，變化較明顯，為端承型摩擦樁的傳遞特性，地基沉降主要集中于樁側和樁端接觸面處.

關鍵詞：FLAC3D；紅粘土地基；PHC管樁；承載性能

中圖分類號：TU47 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2018.03.004

0 引言

靜壓PHC管樁將PHC管樁的優點和靜壓法施工的優點完美結合了起來，隨著公眾環保意識的日益提高，其在工程建設中的應用日益增多[1].

紅粘土是一種區域性特殊土，有著與其他土體不同的物理力學性質和工程地質特性，最明顯的特性是上硬下軟和裂隙性.分布在基巖面上的紅粘土的厚度變化主要取決于基巖面起伏程度和風化層深度.柳州屬于典型的巖溶地貌，紅粘土的厚度變化大，下伏基巖面起伏變化大，因而PHC管樁在紅粘土地基中的使用不如一般巖土地基普遍.

國內外有很多專家學者對特殊土體地質條件下的PHC樁的承載性能進行了大量深入研究[2-10].萬本國等[3]埋設光纖傳感器來研究深厚回填砂地基中PHC管樁的荷載傳遞規律，并給出了光纖傳感器的應變與樁身軸力的相關公式.亓樂等[4]結合黃河沖積平原某實際工程進行了現場試驗，揭示了PHC管樁在水平荷載作用下的承載機理以及群樁效率系數的安全儲備值.任文峰等[5]結合京滬高鐵某廠制梁臺座PHC管樁工程的靜荷載試驗進行承載力的理論計算，對軟土地區錘入PHC管樁的承載力性能進行了分析，其結果表明：軟土地區的PHC管樁實際承載力大于設計規范計算的承載力，承載力的時效性較強，休止時間越長，承載力越大.軟土地區的PHC管樁的荷載沉降Q-S曲線為陡降型，破壞形式為沖切破壞.孫曉凱[6]應用FLAC軟件對老黏土地區的承載性能進行了建模計算，模擬了PHC管樁的受力機理和樁土作用的規律，并對老黏土地區群樁及其水平承載性能進行了分析.而對于紅粘土地基的管樁研究，王家全等[7]為研究PHC管樁在紅粘土地質條件下的承載特性及上浮問題，以實際工程為案例，分析了PHC管樁在復壓前后的承載力及沉降隨時間變化規律，提出紅粘土地質管樁的上浮機理.王家全等[8]通過對不同樁徑的閉口管樁進行室內沉樁模型試驗，分析了單樁、群樁上浮量的變化規律和紅粘土地層管樁上浮的機理.現有的文獻資料對于紅粘土地基PHC樁承載性能的研究成果并不多見.

應用FLAC3D 軟件數值模擬紅粘土地基下的PHC管樁的承載性能，結合實際工程，對比數值模擬和工程樁靜載試驗的結果，分析工程樁的荷載傳遞規律和樁頂沉降規律，可為紅粘土地區靜壓PHC管樁的設計施工和檢測提供參考.

1 實際工程靜壓PHC管樁靜載試驗的數值模擬

1.1 工程概況

柳州市某住宅小區，主體結構為框架結構，采用直徑為500 mm預制C80預應力鋼筋砼閉口管樁，樁基設計等級為一級，地基基礎設計等級為甲級，樁端全截面支撐在中風化白云巖層上，樁身混凝土設計強度等級為C80，單樁豎向抗壓承載力特征值為2 000 kN.根據該工程的《工程地質勘察報告》可知，擬建場地上覆土層由雜填土、硬塑狀紅粘土、可塑狀紅粘土、中風化白云巖及微風化白云巖組成.

各地層的巖性特征自上而下分層如下：

1）雜填土 （第①層 Qml）

黃色，稍密狀結構，以粘性土為主，夾10%～20%的建筑垃圾.本層各鉆孔有分布，層厚0.6～5.0 m.

2）硬塑狀紅粘土（第②層 Qel）

棕黃色、黃色，土體結構致密，土質均勻，切面光滑，可重新搓成細條，搖震無反應，干強度及韌性較高.本層全場均有分布，頂面埋深0.6～5.0 m，厚12.9～22.2 m.

3）可塑狀紅粘土（第③層 Qel）

棕黃色、黃色，土質均勻，稍有滑膩感，可重新搓成細條，手按有手印.本層ZK3、ZK19有揭露，頂面埋深23.0～23.2 m，厚0.8～2.2 m.

4）中風化白云巖（第⑤層 C2d）

淺灰色，細晶結構，塊狀構造.裂隙發育，具弱溶蝕現象.巖石堅硬程度為較軟巖，巖體完整程度為較破碎，巖體質量等級為Ⅳ級.該層在場內部分鉆孔有揭露，頂板埋深19.2～25.4 m，厚度1.0～2.2 m.

5）微風化白云巖（第⑥層 C2d）

淺灰色，細晶結構，塊狀構造.局部裂隙發育，具弱溶蝕現象.巖石堅硬程度為較硬巖，巖體完整程度為較完整，巖體質量等級為Ⅲ級.此層在場內部分鉆孔有揭露，頂板埋深16.0～27.6 m，揭露厚度2.0～11.3 m.

各土層物理力學參數見表1.

FLAC3D選用的工程樁：閉口PHC管樁，直徑500 mm，樁長16 m，樁端持力層為中風化白云巖，單樁承載力特征值為2 000 kN，最大試驗荷載為4 000 kN.

1.2 FLAC3D 數值模型的建立

FLAC3D軟件是一個三維快速拉格朗日數值差分軟件，主要應用于樁基承載力分析、深基坑支護設計以及礦山開挖等工程實踐.

為了更好地了解PHC管樁在紅粘土地區的承載性能，通過運用FLAC3D軟件建立PHC管樁-紅粘土計算模型，對PHC管樁在紅粘土地區承載性能進行模擬計算.

對土體采用Mohr-coulomb本構模型進行樁土相互作用關系的模擬，Mohr-coulomb本構模型的理論基礎是Mohr強度理論，是一種塑性本構模型，其包括剪切破壞包絡線與強度準則對應，剪切破壞包絡線與拉伸屈服破壞準則對應.

對樁體采用彈性模型進行模擬，預應力高強混凝土管樁體材料，混凝土強度等級C80，混凝土密度取2 500 kg/m3 ，彈性模量E取3.8×104 MPa，體積模量K取2.11×104 MPa，剪切模量G取1.58×104 MPa，泊松比u取0.2.

在FLAC3D中，使用的變形參數是體積模量K和剪切模量G，通常由彈性模量和泊松比u轉換得到，在K和G與E及u之間的轉換關系如下：

樁土接觸面參數法向剛度和剪切剛度可以取周圍“最硬”相鄰區域的等效剛度的10倍，計算公式如下：

式中，K ——體積模量，G——剪切模量，?Zmin——接觸面法向方向上連接區域上的最小尺寸.應用反演分析的方法確定樁土界面的摩擦參數，采取樁周土摩擦參數的0.7倍，與靜載試驗數據對比接近.

用FLAC3D對樁和土體分別生成單元，并在樁與土體間生成接觸面單元，生成1/4模型，側向土體計算范圍到10倍樁徑，土體豎向計算到樁端以下15倍樁徑，見圖1.

模型在土體自重應力下初始平衡即達到初始應力平衡，然后設置樁體參數，第二次平衡，見圖2.

位移清零后，通過施加豎向荷載，得出不同荷載下樁體沉降數值，與實際工程靜載試驗比較，如圖3所示.

1.3 數據分析

紅粘土地基靜壓PHC管樁基本為摩擦型端承樁或者端承型摩擦樁，其Q-S曲線具有以下特點：靜壓PHC管樁的Q-S曲線呈緩變型，沉降變化平穩，破壞特征點不明顯，最終沉降量偏小.紅粘土地基條件下的PHC管樁在設計極限承載力的加載下，樁頂的最大沉降量約為12 mm，遠遠小于規范要求的40 mm的極限沉降量.說明目前紅粘土地基靜壓PHC管樁設計承載力存在較大的富余.

紅粘土地基靜壓PHC管樁沉降量偏小的分析：PHC管樁在荷載作用下產生的總沉降主要為樁身壓縮量和樁端巖土體的壓縮量.PHC管樁的強度、樁長以及樁端殘余應力都是樁身壓縮量的主要影響因素.由于該工程PHC管樁的等級為C80，強度高，樁長僅為16 m，故其樁身的壓縮量較小.此外，靜壓PHC管樁樁端進入中風化白云巖后，樁端附近巖土體的壓縮量有限，靜壓施工卸載后，由于受到樁側向下的摩阻力限制，樁向上的回彈量很難達到釋放樁端應力的數值，故而在樁端形成殘余應力. PHC管樁的殘余應力相當于施加了預應力，從而減少了樁身壓縮量.靜壓PHC管樁屬于擠土樁，當壓樁力接近設計最大加載量時，樁端巖土體已產生過較大沉降，因而在靜載試驗二次加載時，樁端巖土體沉降量會明顯減小.由于靜壓PHC管樁上覆土層為紅粘土，隨著休止時間的延長，樁側摩阻力逐漸增大，在一定程度上減少了樁體的沉降.此外，樁端殘余應力的存在，提高了樁端阻力，減少了沉降.

FLAC3D數值模擬和靜載試驗的Q-S曲線相比，數值略小，原因是：數值模擬基于理想狀態進行計算，而對于實際工程，在施工過程中不可避免地會對地基產生擾動；紅粘土上硬下軟，雖然結構致密，但一經擾動后，強度還是會有所降低.

2 PHC管樁荷載傳遞規律和沉降規律的數值模擬

位移清零后，通過在樁頂施加豎向荷載，得出在不同荷載下對應樁體沉降數值、樁身應力云圖和土體整體云圖，如圖4—圖12所示.

根據輸出的樁身應力值整理得到各級荷載作用下的樁身軸力變化圖，如圖13所示.由圖可看到，樁身12～15.5 m（處于可塑狀態紅粘土層）軸力傳遞速度較慢，曲線斜率變化小，在樁身0～12 m（處于硬塑狀態紅粘土層）和15.5～16 m（處于中風化層白云巖）范圍內傳遞速度快，斜率較大，樁頂荷載越大，這種現象越明顯.

在第一級荷載800 kN作用時，樁端16 m處的軸力為220 kN，并非為0，是因為PHC樁本身強度較高，彈性模量大，且樁端持力層為中風化白云巖，在樁頂加載時，因樁身彈性豎向壓縮變形量較小，容易產生整個樁體向下的剛體位移，故在第一級加載時，整樁便在土層中產生了豎向位移，由此產生樁端阻力.

樁頂荷載沿樁身往下傳遞時，需要克服樁側摩阻力，由于樁側摩阻力的存在，樁身軸力會沿著深度的增加而減少，其在相鄰截面之間一個差值，此差值的大小就是該處的樁側摩阻力的數值.差值的斜率同時代表了該處樁側摩阻力的發揮，斜率越大樁側摩阻力發揮越充分.上部的硬塑狀紅粘土土層中的斜率比下面的可塑狀紅粘土土層的斜率大，體現了紅粘土上硬下軟的特性.

3 結論

1）無論是數值模擬還是靜載試驗的Q-S曲線，都是緩變型，當荷載加載至單樁豎向承載力極限值4 000 kN時，靜載試驗測得的沉降量為12.87 mm，數值模擬計算的沉降量為12.24 mm，說明單樁承載力設計值取值較為保守.

2）FLAC數值模擬和靜載試驗的Q-S曲線比較接近，基本趨勢亦基本相同，數值模擬的結果較好地反映了PHC管樁的工作特性，說明模型參數的選擇基本符合工程實際情況.

3）根據FLAC計算繪制的樁身軸力應力圖可知：傳到樁端的荷載值約為總荷載值的20%，由此判斷該工程樁為端承型摩擦樁.在荷載的作用下，樁身軸力從上往下減少，變化較明顯，為端承型摩擦樁的傳遞特性，與樁的荷載傳遞規律基本符合.

4）由整體沉降云圖可知，樁端處的樁土接觸面的土體沉降較其他位置大，樁側的樁土接觸面的土體比遠離樁身的土體沉降大，說明地基土的沉降主要集中于樁側和樁端接觸面處，這也符合端承型摩擦樁的沉降特性.

參考文獻

[1]邱成添. 典型地質條件下靜壓管樁的工程特性研究[D].廣州：廣東工業大學，2006.

[2]趙禎. 應用FLAC 3D分析預應力高強混凝土管樁的承載特性研究[D].南昌：南昌大學，2009.

[3]萬本國，牛飛，張日瑞.深厚回填砂地基中PHC管樁樁土承載性狀研究[J].工程技術，2016（77）：299-300.

[4]亓樂，宋修廣，張宏博，等. 黃河沖積平原PHC管樁雙樁水平承載性能現場試驗研究[J].巖土工程學報，2017，39（S2）：171-174.

[5]任文峰，王星華，陳劍華. 軟土地區PHC管樁承載力試驗研究[J].水利與建筑工程學報，2012，10（1）：60-63，87.

[6]孫曉凱.預應力管樁在老黏土地區的承載特性分析[D].合肥：安徽建筑大學，2015.

[7]王家全，蘇小舟，李良，等.紅粘土地質管樁復壓前后現場試驗及上浮機理[J].廣西大學學報（自然科學版），2017，42（1）：219-225.

[8]王家全，張昊，劉壘雷，等.紅粘土地層閉口管樁上浮模型試驗研究[J].廣西大學學報（自然科學版），2016，41（2）：324-331.

[9]王家全，武標，劉壘雷，等.巖溶區深基坑樁身缺陷植樁處理及質量檢測分析[J].廣西科技大學學報，2015，26（1）：67-72.

[10]王家全，葉斌，張亮亮，等.紅黏土地層靜壓管樁承載機理及復壓效果分析[J].廣西科技大學學報，2018，29（1）：1-7.