基于FLAC 3D的單樁豎向抗壓靜載試驗模擬研究

劉駿龍

(福州市建筑設計院有限責任公司 福建福州 350011)

0 引言

樁基的靜載試驗，因試驗的分級加載過程，接近于工程樁的實際工作條件，因此，是驗證樁基承載力最可靠的方法。單樁的豎向抗壓靜載試驗，通過在樁頂分級施加豎向荷載，記錄樁頂荷載和沉降的關系，得到單樁的極限承載力，從而研究單樁的豎向承載特性。張忠苗[1]等設計了樁梁式堆載支墩-反力架的壓重反力平臺，在軟土地區進行超長大直徑灌注樁的大噸位豎向抗壓靜載試驗(最大試驗荷載28 000 kN)，研究了軟土地區灌注樁的豎向抗壓承載特性。李翔宇[2]等通過灌注樁的超大噸位堆載法抗壓靜載試驗(最大試驗荷載42 000 kN)，研究了大直徑嵌巖樁的荷載-沉降關系、樁身軸力分布、樁身壓縮等承載特性。

現場地的靜載試驗一般采用慢速維持荷載法，其缺點是，靜載試驗受到場地環境條件的制約，反力裝置平臺安裝和靜載試驗過程耗費時間長，大噸位靜載試驗的壓重堆載平臺需要的運輸和堆載安裝費用高，且堆載存在安全風險。錨樁橫梁反力平臺和自平衡法靜載試驗裝置的安裝難度大、費用高。鑒于此，許多學者運用模型試驗法對單樁的承載特性進行研究。李希楷[3]等通過室內模型試驗，研究了粉砂地層中超長樁的荷載-沉降關系、樁身壓縮、樁身軸力、樁土相對位移等。金明[4]等在中砂地層中對長細比分別為40、50、60的 3根單樁進行室內模型試驗，研究超長樁的荷載-沉降關系、樁身軸力以及樁側摩阻力的荷載傳遞機理等。有些學者在模型樁靜載試驗的基礎上進一步開展數值模擬研究，與模型樁的靜載試驗結果對比分析。周健[5]等通過模型樁的靜載試驗，研究了單樁的沉降模式、樁側摩阻力和樁端阻力的發揮性狀，并采用顆粒流數值模擬單樁靜載試驗過程中樁端阻力和樁周土體孔隙率的變化規律。

數值模擬技術廣泛應用于研究單樁和群樁基礎的承載特性，常用的數值模擬軟件有FLAC 3D、ABAQUS、ANSYS和PLAXIS等。FLAC 3D因其良好的三維運算能力和后處理技術，被廣泛應用于樁基承載特性分析[6]。本文采用FLAC 3D軟件建立計算模型，對某工程試驗樁的豎向抗壓靜載試驗進行數值模擬，與現場地實測的靜載數據進行對比分析，為FLAC 3D軟件在樁基工程的應用提供參考。

1 工程概況及地質條件

依據該工程的巖土工程詳細勘察資料，場地沉積環境復雜，各巖土層分布變化較大。場地內各巖土層的物理力學指標如表1所示。

表1 各土層的物理力學指標

2 現場靜載試驗

2.1 試驗樁的施工參數

本次共完成6根試驗樁的單樁豎向抗壓靜載試驗。試驗樁是超長大直徑鉆孔灌注樁，屬摩擦樁，施工過程中均未采用樁端后注漿工藝。試樁分兩種樁徑： S1#、S2#及S3#試樁，設計樁徑800 mm； S4#、S5#及S6#試樁，設計樁徑1000 mm。試驗樁的施工參數如表2所示。

表2 試樁的施工參數簡表

2.2 靜載試驗技術方案

靜載試驗根據現場地環境條件、樁基設計圖紙，對試樁靜載試驗的要求按《建筑基樁檢測技術規范》進行。試驗前制定完整的靜載試驗綱要，靜載試驗均采用壓重反力平臺裝置(堆載法)。試驗前先校核反力平臺中主梁及次梁的承載力和剛度，對表層土進行換填壓實后，次梁支座下地基土的承載力滿足規范要求。

靜載試驗采用慢速維持荷載法，采用JCQ靜力載荷測試儀分級加載，試驗采用6臺型號為QF320T的液壓千斤頂。根據千斤頂率定曲線，換算各分級荷載對應的油壓，采用高壓油泵加壓。

靜載試驗設置穩定的基準梁系統，采用安裝在基準梁上的4個大量程位移傳感器，記錄樁頂沉降變形，并設置內外管的樁端沉降管，觀測各級豎向荷載作用下樁端的沉降變形。樁基施工時，對S1試樁預埋振弦式鋼筋應力計，測試S1試樁不同深度的樁身軸力分布，并進一步計算出各土層的樁側摩阻力和樁端阻力。

2.3 豎向靜載試驗結果分析

試樁的豎向抗壓靜載試驗均按慢速維持荷載法分級加載，整理現場實測的靜載試驗數據，分別繪制S1試樁的荷載-沉降(Q-s)曲線、樁身軸力以及樁側摩阻力，如圖1～圖3所示。

圖1 試樁S1的荷載-沉降曲線

圖2 試樁S1各級荷載下樁身軸力

圖3 最大試驗荷載下試樁S1樁側摩阻力分布圖

3 樁靜載試驗數值模擬

3.1 模型建立

由于FLAC 3D軟件遵循有限差分計算原理，為加快運算速度，減少收斂步驟，本文研究是構建二分之一模型。模型如圖4所示，水平向計算范圍100m，豎向計算范圍120.2m。因樁側土層厚度不同，樁側土體網格大小設置有所差別。共設置11個樁土接觸面(10個側面，1個底面)，如圖4～圖5所示。

圖4 單樁靜載試驗模型

圖5 接觸面設置情況

3.2 參數選取

(1)土體及樁體材料

該工程土體材料采用摩爾-庫倫模型，依據詳勘報告確定土體參數，如表1所示。根據詳勘報告及摩阻力測試結果，采用的樁體材料參數如表3所示。

表3 樁體材料參數

(2)樁土接觸面設置

樁土接觸面參數選取原則：法向剛度kn和切向剛度ks參數值可按下式取值：

kn=ks=10max[(K+4G/3)/ΔZmin]

(1)

式中：K-體積模量；G-剪切模量；ΔZmin-接觸面法向方向上連續區域上最小尺寸[7]。

4 模擬分析

4.1 樁身位移和單樁承載力分析

對該工程中的 S1、S2兩根試樁,建立模型進行分析，模擬的分級荷載與試樁現場靜載試驗一致，得到如下結果：

從圖6～圖8可看出，在模擬的試樁分級加載條件下，當豎向荷載為 1560 kN 時，其對應的沉降量為 1.38 mm，沉降量與S1、S2試樁同級荷載下沉降量接近；荷載為7800 kN 時，樁頂沉降量30.61 mm，與實測的試樁靜載試驗數據接近；當樁頂荷載繼續增大時，樁頂的沉降變形突然增大，荷載-沉降曲線上表現為明顯陡降，根據規范，模擬得到的單樁極限承載力取值為7800 kN，這與實測的現場靜載試驗結果一致。

圖6 樁開始加載時位移云圖

圖7 樁達到極限承載力時位移云圖

圖8 樁破壞后位移云圖

從圖6 和圖7可看出，試樁施加分級荷載時，樁頂沉降和樁周土體的沉降均逐級增大，不同的荷載水平下，樁身和樁周土體的沉降量也不同。

圖9給出了模型模擬的S1試樁荷載-沉降(Q-s)曲線與實測結果。當樁頂豎向荷載逐級增大時，荷載-沉降關系曲線呈現出由線性發展到非線性的變化規律。當豎向荷載較小時，模擬結果與現場靜載實測數據很相近，隨著分級荷載的施加，樁頂沉降的模擬數值偏大。誤差產生的原因主要有：①場地中超長大直徑鉆孔灌注樁的成樁直徑隨著深度是變化的，不是樁側平整的圓柱體，實際工程樁土接觸面參數和模型模擬中，接觸面參數的選取是有差別的； ②現場巖土層是離散性較大的非均質材料，各巖土層厚度、土層的物理力學指標都有變化，土層實際參數和模型模擬使用參數有偏差。在巖土層條件和樁基設計參數一樣的情況下，工程樁的承載特性還受實際成孔直徑、灌注樁樁側泥皮、樁底沉渣厚度等因素的影響。總體分析，模型模擬的結果和現場靜載試驗的實測數據誤差率小于 20%，二者曲線的趨勢大致相同，得到的極限承載力較為接近。

圖9 模型模擬的S1試樁Q-s曲線與實測結果對比

4.2 樁身軸力和樁側摩阻力分布規律

圖10和圖11，分別給出了S1試樁在不同豎向荷載水平(1560 kN和7800 kN)下的樁土應力分布圖。從應力云圖中可以得到如下結論：①在樁頂豎向分級荷載作用下，樁身軸力自上而下減小；②樁頂豎向荷載增大時，不同深度的樁身軸力均不斷增大，這與樁土體系的荷載傳遞機理一致。

根據模型模擬得到的試樁S1的樁身軸力，如圖12所示；由樁身軸力數據進一步計算得到樁側摩阻力分布，通過計算最大荷載作用下樁側摩阻力，得到樁側摩阻力分布，如圖13所示。

圖13 模擬最大荷載下試樁S1樁側摩阻力圖

對比分析圖2和圖12可以看出，模型模擬的樁身軸力，隨深度變化曲線和現場靜載試驗的實測曲線，都是從上至下逐步變小。本工程試樁在深度43 m～46 m左右大幅減小，樁身軸力變化趨勢基本一致，說明模型模擬得到的結果與實測結果相符合。

分析圖3和圖13可以看出，模型模擬最大荷載作用時，樁側摩阻力隨深度的分布，與現場工程試樁靜載試驗的實測數據基本一致。樁側摩阻力自上而下逐步發揮，摩擦樁在達到最大試驗荷載時，樁下部的側摩阻力得以發揮。模型模擬結果與靜載試驗實測值的誤差在可以接受的范圍內，誤差產生的原因，主要有樁體實際受荷方式和模擬方式之間有差異、樁側土體接觸面參數選擇與實際樁土體系接觸存在誤差、樁身預埋鋼筋應力計測得的樁身軸力也存在一定的誤差等。本次模型模擬的樁側摩阻力分布與單樁實際的承載性狀相符合。

在該工程試樁靜載試驗實測數據的基礎上，建立模型模擬靜載試驗的分級加載過程，分析各試樁在模擬豎向荷載作用下的承載特性，得到了各試樁的極限承載力值。依據樁基規范計算各試樁的極限承載力，將規范計算結果、模型模擬結果以及現場靜載試驗實測數據列表分析，如表4所示。

表4 試樁承載力實測值、模型模擬值、計算值 kN

從表4可以看出，試樁樁徑相同時(S1、S3樁徑相同， S4、S6樁徑相同)，增加樁長則單樁豎向抗壓承載力顯著提高；試樁樁長相同時(S1、S4樁長相同， S3、S6樁長相同)，增大樁徑能大幅度提高單樁豎向抗壓承載力。根據本文建立的單樁承受豎向荷載模型計算結果，單樁極限承載力模擬值與靜載試驗實測值和計算值之間的誤差率均小于 10%。模型模擬得到的樁身軸力和樁側摩阻力分布與靜載試驗實測值誤差，均在可以接受的范圍內。可將該模型用來分析類似工程條件下豎向受荷樁的承載特性。

5 結論

本文基于FLAC 3D軟件，建立了試樁豎向抗壓靜載試驗的有限差分模型，運用該軟件計算，得到單樁在豎向荷載下的荷載-沉降(Q-s)關系，通過該模型模擬各級豎向荷載作用下的樁身軸力分布和樁側摩阻力分布圖，將模擬結果與現場靜載試驗的實測數據進行對比分析。主要結論如下：

(1)對比工程試樁的單樁豎向抗壓靜載試驗數據，以及本文使用的模型模擬計算結果，發現單樁的荷載-沉降曲線可分為三段，分別為斜率較小的直線、平滑的曲線及斜率較大的直線，且模型結果曲線和靜載試驗實測曲線趨勢相同，誤差在可以接受的范圍內，得到的極限承載力大小接近。因此，本文的數值模型是比較準確的。

(2)樁身軸力由樁頂到樁底逐漸減小，通過計算得到樁側摩阻力的分布，在極限承載力情況下，樁側上半部摩阻力發揮完畢，下半部摩阻力也接近全部發揮。對比模型模擬和實測數據得到的樁身軸力分布曲線和樁側摩阻力分布圖，發現其結果基本一致，再次驗證了模型的正確性。

(3)試樁樁徑增大和樁長增加，會大幅度提高其豎向抗壓承載力。模型模擬得到的單樁極限承載力、樁身軸力和樁側摩阻力分布，與現場地試樁靜載試驗實測值的誤差較小，可以采用該模型模擬分析類似工程條件下豎向受荷樁的承載特性。