基于FLAC3D的大直徑管樁承載性能的數(shù)值模擬研究

呂曉光，高 鵬，胡延武，李浩男

(1.安徽省城建基礎(chǔ)工程有限公司，安徽 合肥 230002；2.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 前 言

大直徑預(yù)應(yīng)力混凝土管樁憑借其樁體強(qiáng)度高、樁體承載力高、施工限制小、施工方便、環(huán)境擾動小等優(yōu)點，已經(jīng)得到了廣泛的研究與應(yīng)用[1]。

橋梁建設(shè)中廣泛采用大直徑管樁基礎(chǔ)，目前已有大量學(xué)者對大直徑管樁的承載性能、側(cè)摩阻力和土塞效應(yīng)發(fā)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(jìn)行現(xiàn)場靜載試驗，但由于其成本較高且環(huán)境限制較大，尤其是大直徑管樁基礎(chǔ)，開展現(xiàn)場靜載試驗的難度較高。雖然國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究工作，并且已經(jīng)有許多的確定單樁極限承載力的經(jīng)驗公式，但是由于成樁工藝、場地地質(zhì)條件的不同，樁型、尺寸的不同，經(jīng)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(chǔ)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)較為匱乏，而為了更快、更便捷地獲取更多工程數(shù)據(jù)一般用數(shù)值軟件進(jìn)行模擬研究，已經(jīng)成為確定大直徑管樁的一種高效的方法。在樁基的設(shè)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(biāo)[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(shù)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(yīng)用FLAC3D軟件數(shù)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(shè)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(jù)相關(guān)經(jīng)驗與規(guī)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(jié)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(yīng)力條件。

2 數(shù)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(wǎng)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(jìn)行建構(gòu)。其樁體結(jié)構(gòu)參數(shù)如下。

1)管樁外徑3.5 m，內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(gòu)圖如圖1～3所示。

圖1 壁厚100 cm管樁-土系統(tǒng)及樁體模型建構(gòu)

圖2 壁厚70 cm管樁-土系統(tǒng)及樁體模型建構(gòu)

圖3 壁厚15 cm管樁-土系統(tǒng)及樁體模型建構(gòu)

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(jù)模型土層參數(shù)可知四者均為摩擦樁，頂部施加荷載主要由樁側(cè)土體摩阻力承受。而三種樁型的外徑相同，則三者的樁側(cè)表面積相同，與樁側(cè)土體的接觸面積就相同。這使得當(dāng)樁側(cè)摩阻力未完全發(fā)揮時，三種樁型的豎向承載性能不會發(fā)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(shù)據(jù)如圖7～9所示。

圖7 壁厚100 cm管樁樁頂數(shù)值模擬水平力-水平位移曲線

圖8 壁厚70 cm管樁樁頂數(shù)值模擬水平力-水平位移曲線

圖9 壁厚15 cm管樁樁頂數(shù)值模擬水平力-水平位移曲線

壁厚100 cm大直徑管樁的數(shù)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(shù)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(yīng)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(chǔ)設(shè)計規(guī)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(jìn)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(xiàn)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(yuǎn)大于前二種樁型。說明小內(nèi)徑管樁的水平承載性能要優(yōu)于大內(nèi)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(cè)土壓力及樁體本身，當(dāng)樁側(cè)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(nèi)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(jié) 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(cè)土體摩阻力承受。而三種樁型的外徑相同，使得當(dāng)樁側(cè)摩阻力未完全發(fā)揮時，三種樁型的豎向承載性能不會發(fā)生較大的變化。

2)三種樁型的樁身壓縮量對比圖中可以發(fā)現(xiàn)，壁厚15 cm管樁在各級荷載下的樁身壓縮量遠(yuǎn)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。

[ID:013897]