基于FLAC 3D模擬樁基礎(chǔ)施工其影響范圍的研究

徐運(yùn)龍 錢鑫

（廣東省建科建筑設(shè)計(jì)院有限公司，廣東廣州 510010）

0 引言

隨著社會(huì)發(fā)展，國(guó)內(nèi)外建設(shè)項(xiàng)目日益增多，不可避免在已有建筑物周邊進(jìn)行新建項(xiàng)目，高層建筑大都采用樁基礎(chǔ)的基礎(chǔ)形式。而在樁基礎(chǔ)施工時(shí)，由于存在擠密和振動(dòng)效應(yīng)，勢(shì)必會(huì)對(duì)周邊已有建筑物產(chǎn)生一定影響，對(duì)天然地基的建筑物影響尤為明顯[1]。因此，針對(duì)樁基礎(chǔ)施工的爭(zhēng)議時(shí)有發(fā)生，產(chǎn)生諸多矛盾糾紛。采用科學(xué)合理的分析手段，明確樁基礎(chǔ)施工產(chǎn)生的影響范圍，將對(duì)工程實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。

鐘瑾等結(jié)合實(shí)際工程分析了樁基施工的影響作用形式；廖偉等[2]對(duì)樁基施工對(duì)臨近建筑物影響的理論作了詳細(xì)評(píng)述；劉裕華等[3]應(yīng)用前人提出的圓孔擴(kuò)張理論對(duì)管樁的擠土效應(yīng)進(jìn)行彈塑性分析。鄭剛等[4]針對(duì)不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形形式對(duì)應(yīng)的基坑鄰近建筑物的變形展開(kāi)分析。由于樁基礎(chǔ)在施工過(guò)程中力學(xué)行為的復(fù)雜性以及施工場(chǎng)地地質(zhì)條件不均性，在評(píng)估其施工對(duì)周邊環(huán)境影響時(shí)，若采取純理論的方法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算量大且過(guò)程煩瑣，為了盡可能真實(shí)地反映當(dāng)時(shí)施工場(chǎng)地的情況并得出較為準(zhǔn)確的結(jié)果，可以運(yùn)用數(shù)值模擬分析的方法。當(dāng)前主要采用有限元分析軟件進(jìn)行[5]，但是由于有限元軟件算法及動(dòng)力邊界條件設(shè)置與實(shí)際土體非線性動(dòng)力反應(yīng)的差異性，模擬結(jié)果存在較大的誤差。有研究表明，與傳統(tǒng)有限元程序相比，有限差分程序FLAC 3D能更好的解決沉樁過(guò)程中的大變形和非線性問(wèn)題，且所建立的模型簡(jiǎn)單。

基于此，本文結(jié)合實(shí)際工程，通過(guò)地質(zhì)鉆探以及現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試獲取土層參數(shù)，運(yùn)用FLAC 3D軟件，盡可能還原樁基礎(chǔ)施工時(shí)的狀態(tài)，評(píng)價(jià)分析其施工影響范圍。

1 工程概況

本工程建筑物為框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C80的預(yù)應(yīng)力管樁，其中樁徑采用的φ400管樁和φ500管樁，樁長(zhǎng)范圍分別為12～19m和15～21m；部分樁長(zhǎng)范圍為16～30m，樁距一般1.2m左右。樁基施工區(qū)與南側(cè)現(xiàn)有建筑物的最近距離約為20m。在樁基礎(chǔ)施工時(shí)，將會(huì)對(duì)周邊臨近建筑物產(chǎn)生不同程度的影響，因此有必要采取合理定量的方法來(lái)分析其影響范圍。

2 工程地質(zhì)條件

通過(guò)地質(zhì)鉆孔勘察，區(qū)內(nèi)所揭露的地層為人工堆積層（Q4ml）、第四系沖積層（Q4al）、殘積層（Qel）和第三系（K-E）風(fēng)化砂巖。通過(guò)室內(nèi)土工試驗(yàn)獲得了各土層物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

3 FLAC 3D數(shù)值模擬分析

本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試以及室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)FLAC 3D擬對(duì)樁基擠土效應(yīng)對(duì)周邊土體及建筑物產(chǎn)生的影響進(jìn)行模擬分析。

3.1 模型的建立和網(wǎng)格劃分

項(xiàng)目所在區(qū)域及其周圍的地形較為平整，在建立模型過(guò)程中可以將地表視為平面。為了減少邊界條件對(duì)模型求解的影響和考慮到影響區(qū)域的劃定問(wèn)題，同時(shí)考慮到在視場(chǎng)地四周地質(zhì)條件相同的情況下，利用對(duì)稱邊界以減少模擬計(jì)算量；模型的大小為190m×95m×50m，共劃分為18720個(gè)單元和19920個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖1所示。

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)

圖1 場(chǎng)地的三維地質(zhì)條件網(wǎng)格及地層分布

3.2 土體本構(gòu)模型的參數(shù)的選擇

本次數(shù)值模擬的巖土體本構(gòu)模型采用非線性Mohr-Coulomb模型。根據(jù)地質(zhì)勘察土工試驗(yàn)報(bào)告和地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)選取相關(guān)巖土體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

3.3 求解及后處理分析

3.3.1 土體位移變形的分析

模型在自重應(yīng)力的作用下達(dá)到平衡，本模型的地下水位根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)論距離地表約為1m。通過(guò)對(duì)模型初始孔徑a0分別采用施加一定的速度和施加相同的擴(kuò)張時(shí)間使其擴(kuò)張到2a0，得到靜力壓樁剛施工完后土體的變形局部云圖（圖2）以及土體位移矢量圖。

由圖2可以得出，采用靜力壓樁工法進(jìn)行群樁施工后影響范圍最大的方向?yàn)閅軸方向，對(duì)施工場(chǎng)地影響的最大距離約50~60m；沿X軸方向的群樁施工對(duì)土體變形的影響最遠(yuǎn)距離約為35m；沿Z軸方向，在0~9m范圍內(nèi)，土體位移量先是逐漸增大，在9~12m范圍內(nèi)，土體的變形達(dá)到最大，12m以下的土體變形逐漸減少。

3.3.2 土體孔隙水壓的分析

在整個(gè)群樁施工過(guò)程中，由于擠土的作用，造成了土體的孔隙壓的升高；同時(shí)因?yàn)樵搱?chǎng)地屬于軟土地層，滲透性較差，在局部區(qū)域可能會(huì)造成超孔隙水壓力。從圖3自重應(yīng)力平衡后的Z軸方向孔隙水壓力云圖中可以看出，土體自重應(yīng)力的分布和實(shí)際情況較為吻合，從而再次證明了構(gòu)建模型的準(zhǔn)確性和合理性。

圖2 靜力壓樁剛施工完后土體的變形yz面局部云圖

圖3 地下水初始孔隙水壓力分布云圖

通過(guò)模擬靜力壓樁施工得到施工后土體孔隙水壓力分布云圖，可以發(fā)現(xiàn)群樁施工引起了土體孔隙水壓的總體變化趨勢(shì)為：由上至下孔隙水壓變化增大；自施工場(chǎng)地往外，各深度土體的孔隙水壓增量逐漸減少。由于該場(chǎng)地地層分布不均，各土層滲透性也不同，從而在土體孔隙水壓力分布云圖中孔隙水壓力也呈現(xiàn)出不均的變化。另外在群樁沉入土過(guò)程中，可能因擠土效應(yīng)較為強(qiáng)烈，造成較高的孔隙水壓力，而引起局部水利劈裂作用，從而出現(xiàn)孔隙水壓不均勻變化。這些都是符合實(shí)際情況的。

在距施工場(chǎng)地也40m范圍內(nèi)，土體孔隙水壓力有所提高，并且距離施工場(chǎng)地越近增量越大，即沿Y軸方向基本成對(duì)數(shù)遞減，由最大孔隙水壓力增量值24kPa開(kāi)始遞減，直至40m外孔隙水壓增量約為0。在距施工場(chǎng)地也35m范圍內(nèi)，土體孔隙水壓力有所提高，并且距離施工場(chǎng)地越近增量越大，即沿X軸方向基本成對(duì)數(shù)遞減，由最大孔隙水壓力增量值約24kPa開(kāi)始遞減，直至25m外增量約為0。

3.4 結(jié)合相似擠土樁工程和研究類比分析

通過(guò)以上的數(shù)值模擬的求解和后處理分析，可以得出群樁施工引起的擠土效應(yīng)的影響范圍和程度。為了驗(yàn)證其可靠性，本文通過(guò)前人的研究成果以及其他工程實(shí)例進(jìn)行對(duì)比。

朱泓等[6]通過(guò)對(duì)軟土地區(qū)工程打樁施工的監(jiān)測(cè)和進(jìn)行有限元計(jì)算分析得出：在無(wú)鄰樁情況下，打樁引起最大地面隆起約為樁徑D的10%，發(fā)生范圍在樁側(cè)1倍樁徑內(nèi)，鄰樁的存在起到一種“屏障作用”，使得這一“屏障”以外的土體受打樁的影響大為減少。唐世棟等[7]經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究和在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)樁群中任一點(diǎn)處超孔隙水壓力的現(xiàn)有值是單樁影響的累積和消散的綜合結(jié)果；樁群外孔隙水壓力隨著距離增加呈線性衰減。當(dāng)施工完成一定數(shù)量的樁以后，埋置深度相同的各孔隙水壓力計(jì)測(cè)得壓力值都趨于一個(gè)基本相同的穩(wěn)定值。馬健等在某一軟土地層的預(yù)制樁施工中監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)了地表隆起的情況。

通過(guò)對(duì)比前人的研究以及類似工程，除了因地質(zhì)條件和施工工法等因素造成的差異之外，靜力壓樁所產(chǎn)生的擠土效應(yīng)對(duì)周邊環(huán)境的影響規(guī)律基本相似。本次數(shù)值模擬結(jié)果與前人的研究和實(shí)測(cè)規(guī)律也具有相似性。表明本文數(shù)值模擬的合理性與實(shí)用性。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)FLAC 3D模擬分析：群樁施工影響范圍最大的方向?yàn)閅軸方向，影響的最大距離大概距離施工場(chǎng)地外50~60m處；沿X軸方向的群樁施工對(duì)土體變形的影響距離稍小，最遠(yuǎn)距離約為35m。

（2）靜壓樁擠土效應(yīng)所引起周邊土體孔隙水壓的變化范圍在水平面基礎(chǔ)成一個(gè)橢圓形，長(zhǎng)軸長(zhǎng)約35m，短軸約25m，深度約在地表1m以下。在該范圍內(nèi)，擠土效應(yīng)所引起最大孔隙水壓增量出現(xiàn)在施工場(chǎng)地內(nèi)及邊緣地區(qū)，由施工場(chǎng)地往外逐漸遞減；在橢圓形影響范圍之外，土體變形引起的超孔隙水壓力基本可以忽略不計(jì)。

（3）通過(guò)對(duì)比前人研究成果，驗(yàn)證了本次模擬分析的合理性，為以后類似工程提供參考。