基于FLAC3D的灌注桩桩底沉渣影响研究

2013-02-27卢廷浩

水利与建筑工程学报 2013年6期

马露,卢廷浩,陈帅

(1.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,江苏南京210098;2.河海大学岩土工程研究所,江苏南京210098)

0 引言

随着桩基础广泛应用于桥梁工程、道路工程、公共工程及工民建工程,在实际桩基础的施工中,桩底部常常会残留一定厚度的沉渣,其性质较弱,受力易变性,承载力也低于天然土体。因桩底沉渣,桩体极限承载力不能满足施工要求的工程案例很常见。因此,详细分析沉渣厚度及性质对桩承载特性的影响是十分必要的,并且具有一定的实际价值。

在桩底沉渣对桩承载特性的影响研究方面,常用的方法有:现场静载荷实验、实验室模型试验和数值计算方法。近年来,不少学者也对其进行了研究:Wong[1]结合了实验室模型试验和数值计算模拟,对桩底沉渣的影响效果进行了研究;时仓艳[2]对影响灌注桩承载力的因素进行了分析,并研究分析了后压浆技术效果;冯立富[3]利用室内模型试验和PLAXIS有限元软件,分析了沉渣对单桩竖向承载力的影响;陈斌[4]等人采用邓肯-张模型,研究分析了持力层强度和桩底沉渣对单桩竖向承载力的影响;喻小明[5]等人采用有限元数值模拟的方法,计算分析了桩底沉渣对灌注桩极限承载力的影响;吴继敏[6]等人利用FLAC3D软件,分析研究了单一土层情况下,桩底沉渣对桩体极限承载力的影响,给出了影响曲线。目前研究缺乏一种实际规律性的描述,部分定量的数值模拟研究将土体大幅度简化,没有以实际的土体为模拟对象,所得结果存在较大误差。

本文采用连续介质快速拉格朗日法(FLAC3D)来分析桩底沉渣对钻孔灌注桩承载力特性的影响,并与试验结果进行对比分析,达到两者相互验证补充的效果,初步得出了沉渣厚度及性质对钻孔灌注桩承载特性的影响,为工程运用提供参考。

1 模型与参数

数值模型假定土体为理想弹塑性体,采用Mohr-Coulomb模型;桩体为均质弹性体,采用线性弹性模型;桩底沉渣在受力过程中,逐步压实,体积缩小,因此,桩底沉渣的变形破坏可以采用Mohr-Coulomb模型,其破坏准则可表示为:

式中:s为最大剪应力;σm平均法向应力;c为粘聚力;φ为内摩擦角。

根据弹性力学圣维南原理,材料在荷载作用下,荷载只会对一定范围内的土体产生明显的影响,对于距桩轴20倍桩径外土体的影响可以忽略[7]。在竖向荷载作用下,桩土单元和荷载形式存在对称性,因此本文取一半网格模型进行数值分析。

1.1 接触面建立及网格处理

本文模型中在桩-土间设置接触面,接触面采用有厚度接触面类型,属于单面接触面,不同于二维FLAC所定义的双面接触面,接触面的建立采用反复移动法,这种建立方法会使桩底与桩侧交接处的网格节点产生不同的ID号,但是从桩的受力机理来看,桩侧摩阻力与桩端阻力的发挥是不同的,因此使用不同ID号的接触面基本可以模拟桩体的受力机理,较符合桩体的实际受力变化。桩体及沉渣部分的网格采取加密处理,以保证计算的精确度,使结果更加符合实际。

1.2 边界条件及参数的选取

本文数值计算过程中,采用将模型的底面和侧面进行位移约束,顶面自由的边界条件。

模型中的力学参数关系到计算的准确度和精确度,因此,各土层的参数、桩体参数和接触面参数取值是数值模拟中的关键部分。

土体采用Mohr-Coulomb模型,在FLAC3D程序中,计算土体的变形所使用的模量参数是剪切模量和体积模量,而一般土工试验只能测出土体的压实模量,因此,需利用式(2)将压缩模量转化为变形模量,再利用式(3)、式(4)将变形模量转化为剪切模量和体积模量[8]:

式中:E0为变形模量;v为泊松比;Es为压缩模量;G为剪切模量;K为体积模量。

桩体采用的是线性弹性模型,所以在程序计算中只需要体积模量和剪切模量两个参数。

接触面参数选取原则[9]:根据FLAC3D手册所讲,法向刚度kn和切向刚度ks参数值可按下式计算取值:

式中:K是体积模量:G是剪切模量;Δ zmin是接触面法向方向上连续区域上最小尺寸。

2 工程实例验证

广东潮州电厂桩基静载荷实验,土层参数见表1,桩体参数见表2,根据FLAC3D接触面参数取值原则,本算例接触面参数见表3。

表1 土体材料参数

本次数值分析定义边界条件为,模型侧面(-8＜x＜8,-8＜y＜0)和底面(z=30.6)取位移边界条件:限制侧面的水平位移,底面固定,限制水平和垂直位移。模型上表面为桩顶和地表,其垂直位移不受约束。分析过程中,先使模型在土体自重下应力达到初始平衡,即初始应力平衡计算,然后定义桩体参数,进而平衡后,再施加荷载,并监测桩体变形及应力,直至模型塑性区明显发展,桩体承载力达到极限值。

表2 桩体材料参数

表3 接触面参数

本数值模型尺寸为长16 m,宽8 m,高度30.6 m,模型在三维坐标系中的原点是桩顶中心位置。建立三维有限差分模型网格见图1。整个三维有限差分网格共包含7 488个单元和8 832个节点。

图1 FLAC3D网格示意图

现场静载荷Q—S曲线与FLAC3D模拟 Q—S曲线对比见图2,图中两曲线基本一致。曲线均为缓变型,模拟曲线在桩顶受荷载前期,基本是线性变化,实测曲线略高于模拟曲线,说明模拟精度还需要进一步提高,参数取值和网格划分还需精确,但就其桩顶沉降突变区而言,两者基本重合,即桩体极限承载力一致,说明该程序可以较为真实地模拟出桩体的极限承载力,而本文主要研究桩体的极限承载力问题,所以该程序的编写满足本文的要求,所以本模拟程序可以视为基本正确,参数取值合理,可以作为实际桩体受力过程的数值分析模拟。

3 沉渣分析

3.1 厚度影响

沉渣厚度的选取,本文参考吴继敏[6]等人的研究,对于沉渣厚度 t分析考虑取值0、50 mm、100 mm 、200 mm 、300 mm,以及 500mm 、700mm 、1 000 mm极端情况,共8种沉渣厚度进行对比分析。

图2 实测与模拟 Q—S曲线对比

如图3所示,S为桩顶沉降,Q为桩顶荷载。荷载-沉降曲线分为3个阶段:在桩顶施加荷载初期,由于桩体的承载力主要由桩体的侧摩阻力提供,因此沉渣的存在对桩的沉降影响不大,曲线与无沉渣时保持一致;随着荷载的进一步增大,沉渣与持力层逐渐承受荷载,但初始阶段其变形属于弹性变形,足以承担上部传递到底部的荷载,厚度的变化对沉降影响也并不大,曲线基本保持一致;但在桩顶荷载继续增大的过程中,桩底沉降增大的幅度也变大,出现沉降突变现象,这种影响随沉渣厚度的增大而愈加明显。

图3 沉渣厚度 t与Q—S曲线的关系

沉渣厚度 t对极限承载力Q的影响如图4所示。由图4可见,桩底存在沉渣时桩体的极限承载力明显小于无沉渣时的极限承载力,这种影响下的承载力损失幅度值随着沉渣厚度的增加而逐渐减小。随着沉渣厚度的变化,这种影响比较突出:桩底沉渣厚度在0～300 mm时,极限承载力减少的趋势较大,沉降变化量差值较大,大于300mm后,下降趋势逐渐变小,在1 000 mm厚度时,沉降曲线有明显的折点,桩体会发生突然破坏,而极限承载力却没有太大变化。

在沉渣厚度 t=0时,Q—S曲线为一种缓变型曲线,但随着沉渣厚度的增加,曲线由缓变型转变为突变型,突变处的荷载值为该种沉渣厚度下的桩体极限承载力,这种现象的主要原因是由于沉渣的变形强度低于持力层的变形强度,在上部荷载作用下,沉渣体积很快压缩,桩体的沉降趋势增加,导致桩体的侧摩阻力较快地达到了极限侧摩阻力,进一步增加的荷载只能由桩端阻力来承担,桩端阻力又直接作用于下部沉渣上,使得沉渣体积变形进一步增大,桩体沉降亦会进一步增大,最终会出现突然的瞬间破坏。

图4 沉渣厚度t与极限承载力的关系

由图5可见,随沉渣厚度不同,桩体极限承载力损失率不尽相同,当沉渣厚度 t=0～300 mm 时,桩的承载能力明显降低,承载力损失率 c=5%～13%,损失率的变化随沉渣厚度的增加而减缓;当沉渣厚度t=300 mm～1 000 mm时,承载力损失率c=13%～17%,变化幅度相对前者要小,主要是由于沉渣厚度达到一定值后,在受力压缩过程中,桩体沉降加快,沉渣还未压缩固结,模型就已破坏,端阻力提供的承载力很小,即上部荷载主要是由桩体侧摩阻力承担,桩体的极限承载力主要反映侧摩阻力的大小,所以此时承载力的变化幅度很小。

图5 沉渣厚度 t与极限承载力损失率c的关系

由图5数据经MATLAB拟合,曲线指数函数为:

该式满足不同沉渣厚度对桩极限承载力损失率的求解,相似度最高可达95%。

3.2 土力学参数影响

采用摩尔库伦弹塑性模型时,沉渣主要输入参数为6个,沉渣的性质与持力层最为密切,在竖向荷载作用下,本文考虑了沉渣参数与持力层参数的关系对桩体的极限承载力的影响。

本文选用沉渣厚度为200 mm,变形模量为持力层变形模量的0.5倍、0.4倍、0.3倍、0.25倍和0.1倍时,即模量比 d=E沉渣/E土体=0.5,0.4,0.3,0.25,0.1,分别进行极限承载力的影响分析。桩底沉渣的变形模量的变化对桩承载力影响明显,随着模量比的减少,沉降曲线的突变趋势增大,曲线的拐点逐渐明显,当该比值d=0.3后,其对Q—S曲线的影响很明显,如图6所示,此时沉降瞬间增大,模型破坏,即桩体承载力达到极限值。

图6 模量比 d与Q—S曲线的关系

由图7可见,随着 d值的减小,桩的极限承载力不断减少,d在0.5～0.3之间时,曲线下降较缓,主要是由于沉渣与持力层土体性质相近,体积模量与剪切模量差距不大,对桩体的极限承载力影响不明显;随着 d的继续减少,在0.3～0.1之间时,曲线下降十分明显,此时沉渣的性质相对持力层已很弱,沉渣的承受力明显减少,对桩体的极限承载力影响很大。

图7 模量比d与极限承载力的关系

图8所示模量比d与极限承载力损失率c的关系。d=0.5～0.3时,承载力损失率在9%～11.5%之间,随着沉渣性质的减弱,d=0.3～0.1时,承载力损失率在11.5%～16.3%,由此可见,沉渣的性质非常弱时,所能提供的承载力也很低,这对桩体的极限承载力影响非常明显,其与沉渣厚度的增加,具有相同的效果。

由图8数据经MATLAB拟合,曲线指数函数为: