黄土湿陷变形对桩基承载力的影响数值分析

李艳红，张凯强

（1.重庆交通大学土木学院，重庆400074；2.重庆市地质矿产勘查开发局208水文地质工程地质队（重庆市地质灾害防治工程勘查设计院），重庆400700）

黄土湿陷变形对桩基承载力的影响数值分析

李艳红1，张凯强2

（1.重庆交通大学土木学院，重庆400074；2.重庆市地质矿产勘查开发局208水文地质工程地质队（重庆市地质灾害防治工程勘查设计院），重庆400700）

影响桩基承载力的因素众多，为了探究在湿陷性黄土层发生增湿变形情况下各种因素对桩基承载力的影响，文章应用FLAC3D不同桩顶荷载等级、湿陷变形土层深度、湿陷变形强弱等因素进行分析。

桩基承载力；黄土增湿变形；FLAC3D

1 基本模型

文章采用FLAC3D 3.0进行所有模型的数值模拟。对于桩周土体湿陷变形的模拟采用模量折减法。桩长20m，桩径800mm，桩身采用C30混凝土。土层0～15m为湿陷性黄土，15～30m为角砾土。在FLAC3D中，参数的选取不是常用的杨氏模量E及泊松比ν，而是体积模量K和剪切模量G，K、G与E、ν之间的转换关系式如下：

模型中桩土的基本信息为如表1所示。

表1 模型中桩土的基本信息

考虑到模型的对称性，为了减少运算步数，取桩土1/4模型，为了模拟桩土间的作用，接触面建议采用移来移去法，先分别建立桩、土模型，在土体上建立接触面，然后将桩移到制定位置。关于接触面参数的选取，参考文献中，选取接触面相邻区域“最硬”土层的等效刚度的10倍，即：

式中，K是体积模量，G是剪切模量，ΔZmin是接触面法向方向上连接区域上最小尺寸。可以发现，随着垂直于接触面的最小单元尺寸的减小，接触面的计算刚度将增加。

2 湿陷变形变形强弱对桩基承载力的影响

由湿陷系数计算的湿陷变形量是充分饱和后的最终湿陷变形，而工程中遇到的湿陷变形往往是沿土层深度达到不同含水量的增湿变形总和。文章为了研究增湿变形强弱对桩基承载力的影响，建立了湿陷强度不同的三种工况，湿陷深度均为15m。

湿陷性黄土在含水量增加的情况下其容重增加、压缩模量减小［f］，粘聚力和内摩擦角也分别减小。文章通过对土体重度的增加，和压缩模量及抗剪强度参数的减小来模拟因含水量增加引起的黄土湿陷变形。具体参数选择如表2所示。

表2 因含水量增加引起的黄土湿陷变形参数

图1 湿陷强度不同的三种工况与正常静载荷试验下桩基极限承载力比较

图1为在400kN的工作荷载下，湿陷强度不同的三种工况与正常静载荷试验下桩基极限承载力比较，随着土体湿陷强度的增强，由湿陷引起的桩顶附加荷载也不断增大，分别为9.38mm、31.58mm、59.83mm，而未发生湿陷的桩基在400kN工作荷载下发生的桩顶位移仅为0.39mm。可见由湿陷性黄土湿陷变形引起的附加位移不能被忽视。并且随着桩侧土体湿陷强度的增加，桩基的极限承载力也逐渐减小。

3 不同等级荷载下湿陷对桩基承载力的影响

为了探究在不同桩顶荷载下，桩周土体湿陷变形对桩基承载力的影响，文章选取了在桩顶荷载分别为400kN、600 kN、800kN的工作状态下进行桩侧土体湿陷的模拟。具体的荷载沉降Q-s曲线如图2所示。

图2 荷载沉降Q-s曲线

从图2可以看出，与不发生湿陷的情况相比，发生湿陷的桩基极限承载力都有所减小，并且对承载力的影响很大。对比桩顶荷载为400kN、600kN、800kN下发生桩周土体湿陷的桩基，桩顶因湿陷引起的位移分别为31.58mm、31.94mm、35.14mm，可见，桩顶荷载越大，有桩周土体湿陷变形引起的附加桩顶位移量越大。对于桩基的极限承载力，也随着桩顶位移的增大而减小。

4 湿陷变形土层深度对桩基承载力的影响

本节模拟了桩周土体湿陷变形的深度对桩基承载力的影响，对比工况分别为不湿陷，0～5m发生湿陷，0～10m发生湿陷，0～15m发生湿陷。荷载沉降Q-s曲线变化如图3所示。

图3 荷载沉降Q-s曲线变化

从图3中可以看出，随着湿陷变形深度的增加，桩基的极限承载能力不断减小。桩周土湿陷变形引起的桩顶位移随湿陷深度的增加而增大，从15m深度范围内全部发生湿陷的曲线来看，对于摩擦桩，桩周土体湿陷深度过大即可能引起桩体失稳。

［1］文华.湿陷性黄土地基中矩形闭合型地下连续墙桥梁基础负摩阻力作用机理研究［D］.成都：西南交通大学，2008.

［2］孙书伟,林杭,任连伟.FLAC3D在岩土工程中的应用［M］北京：中国水利水电出版社，2011.

［3］张茂花，谢永利，刘宝健.基于割线模量法的黄土湿陷变形本构关系研究［J］.岩石力学与工程学报，2006，25（3）.

［4］余雄飞,朱瑞成等.新疆黄土的工程性质［M］.乌鲁木齐：新疆人民出版社，1994.

Numerical Analysis of Influence of Loose Collapsible Deformation on Bearing Capacity of Pile Foundation

Li Yan-hong，ZHANG Kai-qiang2
（1.School of Civil Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China；2.Geological and Mineral Exploration and Development Bureau of Chongqing Municipality 208 Geological and Geological Engineering Geological Team（Chongqing Geological Hazard Control Engineering Survey and Design Institute），Chongqing 400700，China）

In order to explore the influence of various factors on the bearing capacity of pile foundation under the condition of humidification and deformation in the collapsible loess layer，the paper uses FLAC3D different pile top load grade，depth of the layer，the thickness of the deformation and other factors to analyze.

pile bearing capacity；loess humidification deformation；FLAC3D

TU473.1

A

2095-980X（2017）03-0094-02

2017-02-08

李艳红，主要研究方向：工程施工。