基于FLAC3D的单桩负摩阻力特性研究

孙文怀，王志强，宋少华，董金玉

(1.华北水利水电学院，河南郑州450011;2.中国水利水电第三工程局有限公司，陕西西安710032)

桩周土的沉降大于桩体的沉降，桩－土的相对位移(或者相对位移趋势)是形成负摩擦力的原因.桩的负摩阻力和沉降机制取决于桩与土之间相互作用的应力应变性状，这是一个十分复杂的问题.由于岩土条件的复杂多变，即使在现代实验测试技术和计算技术高度发展的情况下，许多问题仍未获得较为满意的解答［1］.影响桩负摩阻力的因素很多，现有的计算方法与公式都具有近似性和经验性，都很少考虑到土体应力应变的非线性［2］.笔者用快速拉格朗日法有限差分程序FLAC3D模拟软土地基中单桩负摩阻力的产生、发展机理，以期对这一问题做新的探究.

1 负摩阻力的产生机理及特性

负摩阻力产生、发展的过程是桩与土的沉降相互协调的过程［3］:桩土之间存在相对位移在正常情况下，桩顶受压下沉，这时桩侧的摩阻力方向向上为正摩阻力;如果土层相对桩侧有向下的位移，此时桩侧的向下摩阻力称为负摩阻力.产生负摩阻力的情况有很多，归结为:①欠固结软粘土或新填土的自重固结;②大面积堆载使桩周土层下沉;③地下水位降低造成桩周土下沉;④湿陷性黄土湿陷引起沉降;⑤打桩后孔隙水压力消散引起固结沉降;⑥地震液化.

负摩阻力对桩起下拉作用，相当于在桩顶荷载之外又附加了分布在桩侧表面的下拉荷载.桩基的负摩阻力可能发生在施工过程、使用前或使用过程中，其中发生在桩基使用过程中最为不利.对于摩擦型桩，负摩阻力会引起附加下沉，当建筑物的部分基础或同一基础中部分桩发生负摩阻力，将出现不均匀沉降，引起上部结构的破坏;对于端承桩，负摩阻力会导致桩身荷载加大，使桩身破坏或者桩端持力层破坏［1］.负摩阻力已经成为基础工程界的一个技术热点，设计时应予以充分考虑.

2 桩基负摩阻力的研究现状

目前国内外关于桩基负摩阻力的研究主要集中在理论计算、现场试验、室内模型试验和数值模拟等几个方面［4］.影响负摩阻力的因素很多，要精确地计算负摩阻力十分困难，国内外大都采用近似的经验公式估算，常用的主要有以下几种方法［5］:有效应力法、标贯试验法、经验值法.大量试验与工程实测结果表明，以有效应力法计算负摩阻力较接近于实际.因此，文献［6］中规定有效应力法为负摩阻力的计算方法.现场试验是获得桩侧负摩阻力大小和分布的最直接可靠的方法［7］.但是，由于受工程工期、资金及负摩阻力时间效应的影响，现场试验需要投入较高成本.近年来，国内外学者在室内模型试验方面也进行了一系列研究，并取得了一定的成果［8－11］.但室内模型只能部分反映某些较为简单的地质情况，其成果的适用范围有一定的局限性.随着计算机技术的提高，数值模拟技术在岩土工程界得到了广泛应用.如Lee等［12］应用ABAQUS有限元软件，Kong 等［13］利用 FLAC3D 软件，Hoque［14］利用PLAXIS有限元软件建立了单、群桩负摩阻力数值计算模型，分析了桩侧负摩阻力、桩身下拽力等的变化规律.在前人研究的基础上，笔者拟对软土中单桩的负摩阻力进行数值模拟，并着重分析地面堆载与桩顶荷载的加载顺序对桩身轴力的影响.

3 单桩负摩阻力的FLAC3D数值模拟

作为一种基于三维显式有限差分法的数值分析程序，FLAC3D能较好地模拟岩土材料在达到强度极限或屈服极限时发生的破坏或塑性流动的力学行为，特别适用于分析渐进破坏和失稳以及模拟大变形.其强大的前后处理功能，方便用户在计算过程中的任何时刻用高分辨率的彩色或灰度图或数据文件输出结果，对结果进行实时分析，给出计算域的任意截面上的变量图或等直线图，且可以旋转计算域以便从不同的角度观测计算结果.

3.1 计算模型的建立

为了计算方便和便于比较，模型拟采用2层土体:上部软粘土层厚20 m，下部砂土层厚5 m，桩设置在软土体内，桩长20 m，半径0.25 m，不考虑地下水的影响.土体采用Mohr-Coulomb模型进行模拟;桩体用FLAC3D中内置实体 pile单元建立，采用MODEL elastic模型;桩侧、桩端和土体接触面采用无厚度接触面单元，本构模型采用库仑剪切模型.接触面参数很难确定，如果要准确确定接触面参数则需要做大量的试验，并且耗费大量人力、物力，所以在试验条件不允许的情况下，许多学者的研究成果以及宝贵经验可以借鉴［15］.本次模拟考虑实际情况，并借鉴前人的经验，桩端和桩侧接触面参数——法向刚度、切向刚度均取10 GPa/m，粘聚力取30 kPa，内摩擦角取20°，桩体与土体的力学参数见表1.

表1 桩体及土体的力学参数

为节约计算时间，取模型的一半进行模拟计算.计算模型的单元划分、几何尺寸和边界条件如图1所示.模型长30 m、宽15 m、高25 m，底部和侧面约束法向位移，相当于链杆约束，上部为自由边界.

图1 FLAC3D模型示意图

3.2 FLAC3D数值模拟计算

计算模型建立后，赋予桩土材料的各力学参数，桩所在位置的值取为相应土层参数，计算至平衡.计算结束后，桩所在位置处的参数改变为桩本身的力学参数，再进行一次计算至桩土相互作用下的平衡，以此来模拟实际的打桩过程.该模拟是在软土地基单桩桩周土堆载作用下进行的，在桩土相互作用平衡的基础上，以在桩周土施加竖向均布荷载模拟实际堆载过程，并改变堆载条件进行单桩负摩阻力的模拟，按以下几种工况进行模拟计算:①单桩桩顶施加500 kN竖向荷载，计算至平衡后，桩周土分级施加25，50，100，150，200 kPa 的竖向均布荷载以模拟堆载对桩顶荷载作用下桩体轴力及负摩阻力的影响;②桩周土施加25 kPa竖向均布荷载，计算至平衡后，桩顶分级施加 500，1 000，1 500，2 000 kN 的竖向荷载，分析堆载条件下桩体轴力与桩顶荷载的关系;③桩顶施加500 kN竖向荷载的同时在桩周土施加 25，50，100，150，200 kPa 不同的竖向均布荷载，分析桩顶荷载与地面堆载同时施加情况下的单桩轴力分布及负摩阻力的变化规律.

利用FLAC3D强大的前后处理功能，监测不同深度桩身及桩周土的应力分布、沉降值等，并在各工况计算结束后输出以上各值，结合UltraEdit软件计算并做出桩体轴力曲线图进行比较分析.

3.3 结果分析

桩侧负摩阻力是桩－土间相对位移引起的，桩周土为欠固结的软土时，即使在较小的堆载条件下，也能够产生负摩阻力.图2是在单桩桩顶施加500 kN的竖向荷载，桩周堆载25 kPa条件下模型的桩身轴力分布图.

由图2可看出，中性点产生在桩身16 m处，桩身最大轴力值为716 kN，由负摩阻力引起的最大下拉荷载为216 kN，已达桩体轴力的30%，明显加重了单桩的负荷.

计算工况①中地面堆载对桩顶荷载作用下桩身轴力的影响如图3所示，比较图中各级堆载作用下轴力分布可看出，单桩只受桩顶竖向荷载作用，即堆载0 kPa时，轴力线性分布，且沿桩深越来越小.地面堆载后受负摩阻力的影响，桩身轴力明显增大，堆载增大，最大下拉荷载随之增大，中性点深度也随之加深，加至150 kPa后由于过大的地面堆载加速了桩体下沉，中性点位置反而有所上升.

计算工况②地面堆载作用下桩顶荷载对桩身轴力分布的影响如图4所示.由图可知在堆载25 kPa作用后分级施加桩顶荷载时，明显产生了负摩阻力，但随着桩顶荷载等级的增大，桩侧负摩阻力逐渐转化为正摩阻力，下拉荷载相对减小，中性点位置升高，桩顶荷载增大到2 000 kN时，负摩阻力消失，桩身轴力已近似线性分布.

计算工况③地面堆载与桩顶荷载同时加载的桩身轴力分布如图5所示.由图可知，地面堆载与桩顶荷载同时施加时，桩身轴力分布及变化规律与工况①相似，但桩身轴力较之工况①中轴力值大.

为进一步分析不同施荷顺序对桩体轴力变化规律的影响，调出以上3种工况中堆载25 kPa及桩顶受500 kN桩顶荷载时的轴力分布曲线进行比较分析，如图6所示.

图6 不同施荷顺序下桩体轴力的分布曲线

由图6可知，在桩仅受桩顶荷载作用时，桩侧摩阻力为正而使桩体轴力沿桩深方向逐渐减小.地面堆载与桩顶加载的施荷顺序对桩体轴力分布的影响很大:工况②先地面堆载后桩顶加载比工况①先桩顶加载后地面堆载桩体轴力小得多，工况③同时加载的结果介于二者之间.由桩－土荷载传递机理分析，先地面堆载时，负摩阻力导致桩体下沉并暂时平衡，然后进行桩顶加载，桩体的沉降使部分负摩阻力转化为正摩阻力而导致桩体下拉荷载相对减小;先桩顶加载后地面堆载的情况下，桩侧正摩阻力受堆载的影响直接转换为负摩阻力而达到新的平衡.

4 结语

数值模拟结果表明，单桩在桩顶荷载作用下，桩侧负摩阻力随地面堆载等级的增大而增大;在先进行地面堆载时，桩侧负摩阻力则随着桩顶荷载等级的增大而变小，负摩阻力逐渐转化为正摩阻力.这与根据桩－土间荷载传递机理分析的结果相一致，可见利用FLAC3D对单桩负摩阻力进行数值模拟时效果良好.

目前在桩基础设计时计算负摩阻力具有一定的近似性和经验性，现场测试可准确获得桩侧负摩阻力，但须耗费大量人力、物力且受时间的制约.数值模拟能较好地反映桩－土的应力、应变性状，故在模型参数选取合理时，可利用FLAC3D数值模拟反演现场试验，进行负摩阻力的定性分析、定量计算，减少现场试验次数.

［1］孙文怀.基础工程设计与地基处理［M］.北京:中国建材工业出版社，1999.

［2］陈福全，龚晓南，马时冬.桩的负摩阻力现场试验及三维有限元分析［J］.建筑结构学报，2000，21(3):77－80.

［3］高大钊，赵春风，徐斌.桩基础的设计方法与施工技术［M］.北京:机械工业出版社，1999.

［4］杨庆，孔纲强，郑鹏一，等.堆载条件下单桩负摩阻力模型试验研究［J］.岩土力学，2008，29(10):2805 －2810.

［5］尹明干.填土地基中桩侧负摩阻力计算方法［J］.盐城工学院:自然科学版，2006，19(4):65 －67.

［6］中国建筑科学研究院.JGJ 94—2008建筑桩基技术规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2008.

［7］徐初来，苏达.负摩擦桩中性点的确定方法研究［J］.路基工程，2010(01):62－64.

［8］ Shibata T，Sekiguchi H，Yukitomo H.Model test and analysis of negative skin friction acting on piles［J］.Soils Foundations，1982，22(2):29 －39.

［9］吴一伟，费涵昌，林侨兴，等.砂土液化对桩基的影响［J］.同济大学学报，1995，23(3):360 －364.

［10］周国庆，杨维好.中砂融沉位移与单桩负摩阻力关系的试验研究［J］.中国矿业大学学报，1999，28(6):535－538.

［11］ KONG Gangqiang，YANG Qing，LUAN Maotian.Loading sequence effects on dragload and downdrag for pile foundation［J］.Trans Tianjin Univ，2010(16):203 －208.

［12］ Lee C J，Lee J H，Jeong S.The influence of soil slip on negative skin friction in pile groups connected to a cap［J］.Geotechnique，2006，56(1):53 －56.

［13］ KONG Gangqiang，YANG Qing，LUAN Maotian.Study of loading rate effects on characteristics of negative skin friction for pile groups［J］.Electronic Journal of Geotechnical Engineering，2008(13):1 －12.

［14］ Hoquem A.Coupled consolidation model for negative skin friction on plies in clay layers［D］.California:Concordia University，2006.

［15］ 陈育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例［M］.北京:中国水利水电出版社，2009.