基于FLAC3D數值模擬的樁基加載力學特性分析①

布仁巴圖 呂金明 高東偉 王帥印 楊元文

(中交路橋建設有限公司 北京 101121)

當前，鐵路、公路作為引領我國經濟發展的重要基礎設施建設，各地區都加大了對公路和鐵路的建設，它不僅給人們的生活帶來了方便，也極大的促進了科學技術的發展。但由于我國幅員遼闊，地貌多樣，山區復雜地質條件下的施工需要更加先進的技術設備和技術手段。為了應對復雜的地形地貌，在一定情況下選擇樁基施工可降低施工難度，保證鐵路、公路橋梁的穩定，防止橋梁變形，從而保證交通要道的安全運行。工程實際中，由于缺少可靠、有效、準確的單樁承載力數據，很多情況下只能采用相關規范中推薦的參數，而這些參數的取值往往偏于保守，這就使得樁基安全系數過大，甚至有些時候，導致基樁盲目地向長、大發展，造成不必要的人力、物力、財力上的浪費。因此，本文通過數值模擬分析樁基加載過程中的一些力學特性，這是當前運用較為廣泛的方法，例如李一凡等[1]采用 FLAC3D 軟件對煤礦開采沉陷預計過程進行研究；朱安龍等[2]基于 FLAC3D 軟件對采用錨索邊坡的加固機理進行數值模擬；FLAC3D較為普遍的運用還是在采礦工程和巖土工程邊坡分析[3-5]，取得了較好的實際效果；劉尊平等[6]以北京市豐臺區某超高層建筑為例,采用FLAC3D軟件建模計算了地震工況下樁基礎的變形和速度響應情況,為樁基礎的抗震設計提供預測數據；劉仁偉[7]針對工程樁在施工過程中出現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，根據現場的工程勘察資料，運用FLAC3D軟件進行數值模擬分析缺陷位置改變時，對單樁承載力性狀的影響。本文的分析結果對實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 土體性質及參數

表2 樁體參數設置

圖1 土體位移

圖2 樁基軸向應力

圖3 樁基軸向位移

圖4 樁基荷載-位移變化

1 FLAC3D計算原理

隨著計算機科學的發展，巖土工程領域的分析越來越依靠數值模擬，它不僅可以設置不同的工況來分析多因素作用于工程實例的力學特性，還能預測地質災害的發生。目前，常用的數值模擬軟件主要有ANSYS、FLAC3D、ABAQUS、PFC等，它們有著各自的優缺點。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”，通過動態運動方程進行求解，它在進行模擬時主要包括有限差分網格、確定本構關系、設置邊界和初始條件三個基本步驟。其中網格用來定義分析模型的幾何形狀；本構關系通過相對應的材料性質來表征；邊界和初始條件是用來表現模型的初始狀態。FLAC3D可以模擬的結構單元包括：梁、錨元、樁、殼體以及人工結構。通過設置不同的界面單元，還可以模擬節理、斷層和虛擬的物理邊界。

2 數值模擬

2.1 工程概況與難點

項目位于綦江區新盛鎮附近，由綦江北互通及連接線組成，綦江北互通設置于渝黔高速上，設置位置位于綦江與巴南交界處綦江一側，互通收費站出口接連接線，連接線接新盛鎮，終點接綦江區九龍大道。本項目是連接共同組團和新盛鎮以及渝黔高速公路的快速通道，同時也是綦江區城市空間向北拓展的主干道。

項目路線起于綦江新盛鎮西北約2.5km，與綦江區九龍大道、發展大道順接，路線全長8.837km。互通及連接線橋梁共計14座，累計長度4017.24m，包括大橋927.5m/4座、中橋97m/1座、互通橋梁2992.74m/9座。橋梁上部結構形式有現澆箱梁、鋼箱梁、預制T梁。項目合同總額7.63億元，合同工期24個月。

本項目共有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問題，易產生不均勻沉降，采用樁基時會產生樁側負摩阻力，此問題對樁基整體穩定性影響很大，鄰近樁側地面承受局部較大的長期荷載等。負摩阻力可能發生在施工過程、上部結構使用前或使用過程中。對于端承樁，負摩阻力有可能造成樁身強度破壞或樁端持力層破壞。同時常規鉆孔樁施工由于土質較為疏松極易出現塌孔，存在較多的未知安全隱患和風險。

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

2.2 網格尺寸

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

2.3 土體參數設置

根據工程實際，設置土體的性質、密度及變形參數如表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換：

2.4 初始平衡

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

2.5 樁土模型建立

樁結構單元的定義需要通過幾何參數、材料參數和耦合彈簧參數來設置，一般而言，樁結構含有16個參數，樁與實體單元的作用是通過耦合彈簧來實現的，其中法向彈簧可以模擬樁基加載的法向荷載，也可以模擬土體對樁的擠壓。樁土接觸面的剪應力主要設置摩擦角和粘聚力，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°，樁體參數設置如表2，其部分未設置的參數為0。

3 數據分析

樁體接觸設置后，對樁端施加軸向的水平荷載，對樁端底部進行約束，分析端承樁加載過程中位移變化同時檢測樁體力學性能變化及特征。

由圖1可知，當對樁基進行加載時，靠近樁周的土體沉降明顯大于遠離樁體的土體沉降，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，應對樁周土體進行強加固，防止其發生過大沉降，從而產生樁基負摩阻力。

由圖2可知，對樁體進行加載時，樁體軸力由大變小，為防止樁體發生破壞，在施工過程中應加強對樁體的保護，在實際工程中，為了提高裝的承載能力，需要設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，樁底約束對樁體有一定的保護作用。因此，端承樁在實際工程中應用較為廣泛。

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，當荷載增加到一定程度時，樁體位移不再變化。

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

4 樁基承載力優化措施

樁基豎向承載力性狀十分復雜，影響樁基承載力的因素也是很多的，主要有樁周土、樁端土的力學性質、樁的幾何特性，以及成樁工藝和施工方法等，此外，時間的變化也會影響樁基的承載力。目前，滿應力設計法、滿位移設計法、能量準則法等運用較為廣泛。其中，滿應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。滿應力設計適用于上部應力傳遞明確、樁基施工方式、樁基類型、樁基持力層已經確定的情況。滿位移設計法要求首先滿足承載力約束的優化基礎，使建筑物的沉降能夠達到最大的允許沉降值。實際施工過程中，常用的體高樁基承載能力的方法有以下幾種：

（1）根據實際工程，設計合理的樁長和樁徑。

（2）改變樁周土體材料，減小土體沉降，防治樁基負摩阻力的產生。

（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，減小施工過程中對樁周土體的擾動，樁底部的沉渣要徹底清除。

5 結語

本文通過數值模擬，對樁基軸向加載的部分力學特性進行了分析，并提出了一些樁基承載力優化的措施，可在一定程度上指導實際工程施工，具有較好的實用價值。