常連遠，姜 岳，郭明磊

(1.西安科技大學地質(zhì)與環(huán)境學院，陜西西安710054;2.濱州市建筑設計研究院，山東濱州256613;3.云南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)與生物技術學院，云南昆明650000)

0 引 言

樁基工程由于具有圬工體積小、承載能力大、施工設備簡單等諸多優(yōu)點，近年來得到越來越廣泛的應用.單樁承載力作為樁基設計與應用一項重要的參數(shù)依據(jù)，如何合理的評價單樁承載力是巖土工作者研究的主要方向之一.目前，靜載試驗是確定單樁承載力最直接、最可靠的方法，也是評價其他預估方法合理性的標準，但隨著樁基施工技術的不斷發(fā)展，樁徑、樁長不斷增大、增長，同時特殊場地(如狹小地段、邊坡)的樁基施工也在不斷增多，考慮到靜載試驗所需的試驗條件，顯然難以滿足樁基發(fā)展的需要.

靜力觸探是用靜力將探頭以一定的速度壓入土中，利用探頭內(nèi)的傳感器通過電子量測儀器，將探頭的錐尖阻力和側壁摩阻力記錄下來.樁體的作用機理與靜力觸探的試驗機理相似，因此可以將靜力觸探試驗看作一個小直徑樁的現(xiàn)場載荷試驗，模擬樁的受力狀況，估算單樁承載力［4］;數(shù)值模擬也叫計算機模擬，依靠電子計算機，通過數(shù)值計算和圖像顯示的方法，幫助分析人員利用計算機在室內(nèi)進行巖土工程實驗，隨著計算機計算性能的不斷提高，使得數(shù)值模擬技術逐漸成為巖土工程研究和設計的主流方向之一;FLAC3D 是由美國Itasca Consulting Group Inc 公司開發(fā)的三維顯式有限差分程序.作為一個專業(yè)分析軟件，F(xiàn)LAC3D 能夠進行巖土、結構、溫度、流體等多學科的研究，目前已廣泛應用于巖土工程、采礦工程、隧道工程、道路與鐵道工程等領域的科學研究之中［1］.本文通過實例將靜力觸探與數(shù)值模擬預估單樁承載力成果對比分析，為今后的樁基設計工作提供參考.

1 工程實例分析

1.1 工程概況

該工程位于濱州市惠民縣大濟路以東，福田社區(qū)以北，基礎采用預應力空心方樁，方樁邊長400mm，有效樁長22.00m，單樁極限承載力計算力學參數(shù)如表1 所示:

表1 單樁極限承載力計算參數(shù)表

②粉土 6.80 22.40 2.579 26 3.3 2③粉質(zhì)2粘土 10.90 12.90 0.816 15 2④粘土 21.60 10.50 1.291 46 3.5 3.5⑤粉土 8.40 27.80 6.230 72 3.5 3.5⑥粉質(zhì)粘土 12.00 13.20 1.414 26 4 4⑦粘土 24.90 11.50 3.588 55 6 6⑧粉細砂 2.0356 200 未揭穿1

1.2 靜力觸探與單樁承載力

按《建筑樁基技術規(guī)范》(JGJ94－2008)中第5.3.4 條有關規(guī)定，根據(jù)雙橋探頭靜力觸探資料確定混凝土預制樁單樁豎向極限承載力標準值時，對于黏性土、粉土和砂土，如無當?shù)亟?jīng)驗時可按下式計算:，單樁豎向極限承載力標準值計算過程如表2所示:

表2 單樁豎向極限承載力計算過程表

由表2 可知，根據(jù)場地雙橋靜力觸探試驗數(shù)據(jù)預估單樁豎向極限承載力標準值為2179.5KN.

圖1 模型網(wǎng)格劃分示意圖

1.3 數(shù)值模擬靜載試驗

在本文中，采用FLAC3D 數(shù)值分析軟件對預應力空心方樁的靜載試驗進行數(shù)值模擬，其中有三個基本部分必須指定:數(shù)值模型;模型本構關系以及其材料特性;模型邊界及初始條件.數(shù)值模型為分析模型的幾何形狀，本構關系和與之對應的材料特性用來表征模型在外力作用下的力學響應特性，邊界和初始條件用來定義模型的初始狀態(tài)(既邊界條件發(fā)生變化或者受到擾動之前，模型所處的狀態(tài))［1］.

圖2 模擬加載所得云圖

圖3 靜載模擬所得p－s 曲線

1.3.1 模擬網(wǎng)格建立

土體與樁體網(wǎng)格建立模型對實際情況進行了一定的簡化，土體網(wǎng)格取10m×10m×30m 的三維計算模型，并根據(jù)土層情況對土體網(wǎng)格劃分為7層;樁體網(wǎng)格取0.4m×0.4m×22m 的實心三維計算模型.靜力條件下，邊界條件設置為數(shù)值模型底部為固定約束，模型前后左右對應設置為X，Y 方向約束，模型樁土網(wǎng)格劃分示意圖如圖1 所示.

1.3.2 土體變形參數(shù)確定

模型的建立、初始條件的設置以及施工過程的模擬可完全按照已有資料進行，而材料參數(shù)則較難確定且對模擬結果影響較大，其中土體變形參數(shù)體積模量K 和剪切模量G 是必不可少的，然而實際勘察報告中提供的往往是土體壓縮模量、粘聚力和內(nèi)摩擦角等物理力學參數(shù)，這時需要進行轉換［6］.一般而言，楊氏模量E 與壓縮模量ES 及泊松比v之間的轉換關系為:;體積模量K 和剪切模量G 與楊氏模量E 及泊松比v 之間的彈性轉換關系為:本工程中土體變形參數(shù)取值情況如下表3 所示:

表3 土體變形參數(shù)表

1.3.3 接觸面參數(shù)確定

表4 樁土接觸面參數(shù)表

圖4 數(shù)值模擬與檢測結果對比

1.3.4 應力加載

根據(jù)當?shù)貥痘┕そ?jīng)驗，此次工程擬加載至3640kN，第一級加載520kN，其后每級加載260kN.其模擬加載所得樁體沉降云圖如圖2 所示，靜載模擬所得P－S 曲線如圖3 所示:

2 對比分析

靜載荷試驗采用《建筑基樁檢測技術規(guī)范》JGJ106－2003 快速維持荷載法加卸載，每級加載為預估極限荷載的1/10，第1 級荷載為2 倍分級荷載加荷.根據(jù)當?shù)貥痘┕そ?jīng)驗，預估極限荷載2600kN，共檢測試驗樁3 根，樁號分別為1#，2#，3#，其檢測結果與靜載模擬數(shù)據(jù)對比情況如圖4 所示:

圖4 顯示靜載試驗中當樁頂荷載超過2600kN后，其p－s 曲線的斜率開始變陡，根據(jù)現(xiàn)場靜載試驗統(tǒng)計結果，單樁豎向抗壓極限承載力標準值為2600kN;數(shù)值模擬所得曲線與現(xiàn)場靜載試驗曲線有所差異，沉降量明顯偏大，其p－s 曲線的斜率在加載至3120kN 時開始變陡，可確定靜載模擬試驗所得單樁豎向抗壓極限承載力標準值為3120kN;根據(jù)場地雙橋靜力觸探試驗數(shù)據(jù)預估單樁豎向極限承載力標準值為2179.5kN.雙橋靜力觸探預估值比靜載試驗值小420.5kN，數(shù)值模擬結果比靜載試驗值大520kN，雙橋靜力觸探預估值與數(shù)值模擬結果相差約1000kN.

對比結果顯示，不管是地質(zhì)勘察預估值，還是數(shù)值模擬所得值，都與現(xiàn)場檢測值存在一定的偏差.在樁基設計中，根據(jù)雙橋靜力觸探數(shù)據(jù)預估單樁承載力時，我們往往由于缺少可靠的單樁承載力經(jīng)驗數(shù)據(jù)，而不得不采用規(guī)范中推薦的設計參數(shù)，但是這些參考規(guī)范是針對全國范圍所提出的，與地區(qū)實際情況相比，取值往往偏于保守，導致單樁實際能夠承受的荷載高于設計值.在靜載試驗數(shù)值模擬過程中，材料參數(shù)對模擬結果影響很大，其大小是根據(jù)土工試驗所獲得的土層力學參數(shù)選取，由于土層的力學參數(shù)有時也難以反應真實的力學特性，因此，材料參數(shù)的取值標準需要根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗不斷做出調(diào)整.

3 結 語

通過本文的對比分析，將雙橋靜力觸探與數(shù)值模擬相結合預估單樁承載力在樁基設計中有一定的參考價值.

①其對比結果可以作為場地前期預測單樁承載力的有效評價方法，彌補地區(qū)規(guī)范的不足;

②當無法通過靜載試驗直接獲得單樁承載力時，其對比結果為實際工程提供了可靠的依據(jù)，可以節(jié)約大量的資源，創(chuàng)造一定的經(jīng)濟效益.

由于本文僅根據(jù)一個場地的數(shù)據(jù)進行了研究，在數(shù)值模擬過程中材料參數(shù)的選取是參考前人的取值建議，如能更多的本地區(qū)場地進行對比分析，勢必會統(tǒng)計出一個合理的地區(qū)參數(shù)取值標準，這還有待進一步研究.

［1］ 陳育民，徐鼎平，等.FLAC/FLAC3D 基礎與工程實例［M］.中國水利水電出版社，2011(10).

［2］ 周國鈞.巖土工程治理新技術［M］.中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［3］ 張明遠，鐘珞.基于GA－BP 神經(jīng)網(wǎng)絡的單樁承載力預測［J］.武漢理工大學學報，2008(03).

［4］ 曹茂森，周翠玲，戴景軍.BP 神經(jīng)網(wǎng)絡在靜力觸探確定單樁承載力中的應用［J］.山東農(nóng)業(yè)大學學報，2002(03).

［5］ 楊帆，謝波，趙海杰.單樁靜載試驗的數(shù)值模擬及極限承載力確定［J］.工程建設與設計，2014(04).

［6］ 于麗鵬.基于FLAC3D 模擬的土體彈性模量取值分析［J］.水利與建筑工程學報，2014，12(2).

［7］ 趙春風，蔣東海，崔海勇.單樁承載力的靜力觸探估算法研究［J］.巖土力學，2003，24.

［8］ 中華人民共和國水利部.水利水電工程邊坡設計規(guī)范［Z］.2007－10－14.