基于FLAC3D的大直徑管樁承載性能的數值模擬研究

呂曉光，高 鵬，胡延武，李浩男

(1.安徽省城建基礎工程有限公司，安徽 合肥 230002；2.合肥工業大學 資源與環境工程學院，安徽 合肥 230009)

0 前 言

大直徑預應力混凝土管樁憑借其樁體強度高、樁體承載力高、施工限制小、施工方便、環境擾動小等優點，已經得到了廣泛的研究與應用[1]。

橋梁建設中廣泛采用大直徑管樁基礎，目前已有大量學者對大直徑管樁的承載性能、側摩阻力和土塞效應發表了大量報道[2-3]。確定大直徑管樁承載性能常用的方法是進行現場靜載試驗，但由于其成本較高且環境限制較大，尤其是大直徑管樁基礎，開展現場靜載試驗的難度較高。雖然國內外學者做了大量研究工作，并且已經有許多的確定單樁極限承載力的經驗公式，但是由于成樁工藝、場地地質條件的不同，樁型、尺寸的不同，經驗公式的實用性受到局限[4-6]。此外大型橋梁大直徑管樁基礎現場實測數據較為匱乏，而為了更快、更便捷地獲取更多工程數據一般用數值軟件進行模擬研究，已經成為確定大直徑管樁的一種高效的方法。在樁基的設計中，其豎向承載性能與橫向承載性能，是非常重要的評價指標[7-8]。因此，開展豎向荷載作用及橫向荷載作用下大直徑鋼管樁承載性能的數值模擬研究，對于確定地層中管樁的承載性能是十分重要的。

1 工程概況

本文應用FLAC3D軟件數值模擬大直徑管樁的承載性能，分析不同壁厚大直徑管樁的荷載承載性能，可為實際工程大直徑管樁的設計施工和檢測提供參考。

本次模擬大直徑樁樁長45 m，樁徑3.5 m，土體采用摩爾-庫倫模型，樁體采用線彈性模型，密度取值為2 500 kg/m3，體積模量K=15.56 GPa 剪切模G=11.67 GPa。根據相關經驗與規范，本次建模取樁周土10倍樁徑范圍，樁端1倍樁長為有效的檢測范圍，為有效節省計算時間取樁土的50%做計算并約束邊界條件，并且考慮初始地應力條件。

2 數值模型

本次模擬的大直徑管樁樁身采用radcylinder六面體漸變放射網格。為了模擬及對比方便，本次模擬忽略管樁各樁段的接頭影響。

本次將對三種大直徑管樁的模型進行建構。其樁體結構參數如下。

1)管樁外徑3.5 m，內徑1.5 m，樁壁厚100 cm；樁長46 m，其中樁體露出地表1 m，地下埋藏45 m。

2)管樁外徑3.5 m，內徑2.1 m，樁壁厚70 cm；樁長46 m，其中樁體露出地表1 m，地下埋藏45 m。

3)管樁外徑3.5 m，內徑3.2 m，樁壁厚15 cm；樁長46 m，其中樁體露出地表1 m，地下埋藏45 m。該樁型壁厚為一般工程中大直徑管樁最大壁厚。

三種大直徑管樁的模型建構圖如圖1～3所示。

圖1 壁厚100 cm管樁-土系統及樁體模型建構

圖2 壁厚70 cm管樁-土系統及樁體模型建構

圖3 壁厚15 cm管樁-土系統及樁體模型建構

3 管樁豎向承載性能模擬

三種樁型的荷載-沉降曲線如圖4～6所示。從圖4～6可知，三種樁型的荷載-沉降曲線均為陡降型曲線，且壁厚100 cm管樁、壁厚70 cm管樁三者的加載前中期曲線直線段幾乎完全一致。而壁厚15 cm管樁的加載前中期曲線直線段曲線比前三者較陡，說明該樁型在承受相同荷載時的樁頂沉降較大，其承受豎向荷載的能力相對其他三者較差。這是由于壁厚15 cm管樁樁身體積較小，其樁身能夠承受的彈性壓縮量較小，樁體位移主要為樁身的剛性位移。

圖4 壁厚100 cm管樁荷載-沉降曲線

圖5 壁厚70 cm管樁荷載-沉降曲線

圖6 壁厚15 cm管樁荷載-沉降曲線

三種樁型的荷載-沉降曲線的拐點明顯，且三種樁型加載前中期的直線段曲線十分接近。同時，三種樁型的單樁承載力極限值均集中于79 000-82 000 kN。這是由于三種樁型均為大直徑深長樁，根據模型土層參數可知四者均為摩擦樁，頂部施加荷載主要由樁側土體摩阻力承受。而三種樁型的外徑相同，則三者的樁側表面積相同，與樁側土體的接觸面積就相同。這使得當樁側摩阻力未完全發揮時，三種樁型的豎向承載性能不會發生較大的變化，單樁承載力特征值也十分接近，集中在40 000 kN附近。

4 管樁橫向承載性能模擬

三種大直徑管樁的水平靜荷載模擬實驗的模擬計算數據如圖7～9所示。

圖7 壁厚100 cm管樁樁頂數值模擬水平力-水平位移曲線

圖8 壁厚70 cm管樁樁頂數值模擬水平力-水平位移曲線

圖9 壁厚15 cm管樁樁頂數值模擬水平力-水平位移曲線

壁厚100 cm大直徑管樁的數值模擬水平承載力特征值為750 kN，水平承載力極限值取1 250 kN。

壁厚70 cm大直徑管樁的數值模擬水平承載力特征值為750 kN，水平承載力極限值取1 250 kN。

上述極限值對應的樁頂位移為0.730 mm，不超過10 mm，滿足《公路橋涵地基與基礎設計規范》(JTG D63—2007)的要求。

三種樁型的水平力-水平位移曲線的走向有較大的不同。自拐點之后，位移曲線進入陡降段，樁頂位移隨水平荷載的增加而迅速增大，其增長速率甚至超過相同荷載下的大直徑管樁。三者的水平力-水平位移曲線始終為非線性變化，呈現明顯的彈性變形和破壞不同階段變化。

在加載前期，三種樁型在相同荷載條件下的樁頂水平位移有明顯不同。其中，壁厚100 cm和壁厚70 cm的大直徑管樁兩者的樁頂位移十分接近，兩個曲線走勢一致。但可以看出，壁厚70 cm的大直徑管樁的樁頂位移始終略大于壁厚100 cm管樁。而壁厚15 cm的管樁的樁頂位移則要遠大于前二種樁型。說明小內徑管樁的水平承載性能要優于大內徑的水平承載性能。這是由于水平受荷樁的承載力來源于樁側土壓力及樁體本身，當樁側土壓力一致時，樁體本身的承載性能將決定單樁水平承載性能。而內徑較大的管樁本身體積較小，故承受水平荷載的能力也較弱。

5 結 論

1)三種樁型的單樁承載力極限值均集中于79 000～82 000 kN。這是由于三種樁型均為大直徑深長樁，頂部施加荷載主要由樁側土體摩阻力承受。而三種樁型的外徑相同，使得當樁側摩阻力未完全發揮時，三種樁型的豎向承載性能不會發生較大的變化。

2)三種樁型的樁身壓縮量對比圖中可以發現，壁厚15 cm管樁在各級荷載下的樁身壓縮量遠大于其他二種樁型，說明樁身壁厚的大小會對樁體的承載性有直接影響。

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