基于单桩竖向静载荷试验的地质参数反演分析

王俊岭，景国金

机械工业第四设计研究院有限公司

基于单桩竖向静载荷试验的地质参数反演分析

王俊岭，景国金

机械工业第四设计研究院有限公司

桩基静载试验是岩土工程中目前确定单桩承载力特征值的最可靠的方法之一，本文基于单桩竖向静载荷试验的实测数据，基于有限差分方法，利用FLAC3D建立单桩竖向静载荷试验的数值模型，通过分级加载计算直至满足终止加载条件，在每一个计算步后分别对比数值计算数据与试验实测数据，并不断修正土体的关键地质参数从而使数值计算曲线与试验实测曲线在规定的误差精度范围之内，即可得到相应土层的关键地质参数。实际算例表明，本文所提处的地质参数反演方法是正确的、有效的，对工程勘察和设计中岩土体地质参数的取值具有积极的价值和意义。

静载试验；地质参数；反演分析

1、引论

在岩土工程中，反演分析可分为三种：逆分析法、直接分析法和概率统计法。逆分析法是正分析的逆向解析推演，通过某种变换推导，将要反分析的参数从原方程中分离出来，这种方法稳定性好，速度快，计算量少，但它推导过程复杂，通用性不强，目前应用很少。直接分析法是通过不断地调整系统地参数，使计算值与实测值的差值最小。这种方法不需要像逆分析法那样重新推导原方程，而只要将正分析方法作为一个子程序直接调用，所以具有较大的适用性。概率统计法可以用来研究实测数据的测量误差对反分析得到参数的影响，也可用来研究地基中土层分布的不确定性以及地基中土的力学性质在空间的变化情况[1,2]。

确定单桩竖向承载力特征值是桩基础设计的关键，除了对试桩进行单桩竖向静载荷试验以外，也经常根据理论公式进行承载力特征值的估算，此时，地质参数的可靠程度直接影响了理论计算的精度。文献[3]是利用有限单元法对预制桩静压过程获得的数据进行拟合分析，反演得到的桩土力学参数，不但可以验证地质勘探报告的准确性，确定桩周土体的实际侧摩阻力，对基桩桩长设计起指导作用，确定适宜的桩端持力层、桩端进入持力层的合理深度，同时也可用于预测类似场地中不同直径和长度桩的荷载-沉降特性。

2、数值模拟静载试验

本文基于有限差分方法，运用FLAC3D首先建立单桩竖向静载荷试验的数值计算模型[3]，然后通过与实测的静载试验曲线进行对比拟合而不断修正相应计算参数，如果误差满足所需要的精度要求，即可确定相应土层的地质参数，其反演分析流程如图1所示。

2.1 建立地基土模型

对于静载荷试验而言，局部影响范围内往往是简单的地形地貌，且以水平地表为主，因此在FLAC3D中可以用规则的六面体网格来构造地基模型，同样也可以构建由不同土层组成的的地基模型。

以摩尔库伦本构模型作为岩土体的主要材料参数模型。摩尔库伦本构模型本质上是弹塑性模型，共有6个参数，即弹性体变模量K、弹性切变模量G、内聚力c、内摩擦角ϕ、剪胀角ϕ和抗拉强度σt。根据经验及有关文献，内摩擦角ϕ的敏感性较高，内聚力次之，因此在本文中迭代调整岩土参数以拟合实测曲线时，以调整内摩擦角的参数为主。

2.2 建立桩模型

桩基础相对于土体材料，其材料刚度较大，通常选用弹性模型，同时取相对较大的地质参数值。其中弹性体变模量K、弹性切变模量G与弹性模量E和泊松比μ的转换关系为：

2.3 建立桩土接触面模型

建立桩土接触模型是成功进行数值模拟单桩竖向静载荷试验的关键。接触面单元通过接触面节点和实体单元表面之间建立联系。接触面的接触性体现在接触面节点上，并且接触力仅在节点上传递。

对于库伦滑动的接触面单元，存在两种状态：相互接触和相对滑动。当接触面上的切向力小于最大切向力，接触面处于弹性阶段；当接触面上的切向力等于最大切向力，接触面进入塑性阶段。

如果接触面上存在拉应力并且超过了接触面上的抗拉强度，那么接触面就会破坏，切向力和法向力就会为零。默认情况下，抗拉强度为零。因此，在法向上存在两种接触状态：张开和闭合。对于刚性差异较大的两种材料，通常要求无拉伸和无嵌入两个条件来保证接触计算的正确和接触状态的正常。

2.4 分级加载

按照静载荷试验在桩顶分级加载，计算结束后提取每级荷载下的桩顶位移，绘制P-S曲线。采用应力加载法，每加一级荷载，求解计算并监测输出其桩顶位移，然后依次加载，直至达到桩破坏条件。

2.5 与静载试验实测P-S曲线对比

如误差较大，修改参数重新计算，直至计算曲线与实测曲线的误差在给定的范围内为止。为了保证计算的结果尽可能地与实测结果保持一致，在每加一级荷载后都要与实测同级荷载下的沉降结果进行误差分析，如果误差较大，则不断调整土体的地质参数，直至满足给定的精度要求为止，才可施加下一级荷载。

3、算例

3.1 工程概况

某工程项目采用钻孔灌注桩，桩径600mm，桩长43.12m，设计承载力2000kN，桩周土以软粘土为主，桩端土为粉质粘土。

本次试验最大加载量为3680kN，每级荷载增量为最大加载量的1/10，第一级荷载为加载增量的2倍，共分9级加载；每级卸载量为分级加载量的2倍，共分5级卸载。加载方式采用慢速维持荷载法，加卸载的顺序及对应的沉降量如表1所示。

表1 分级加载及其对应的沉降量

3.2 桩基静载试验数值模型

根据上述工程情况和规范，以及本文提出的地质参数反演分析方法，建立桩基础静载试验数值模型。

3.3 计算结果拟合实测曲线

根据每个加荷步骤计算结果，不断修正地基土的关键地质参数，直至计算结果与实测结果在误差范围之内，如图2所示。

3.4 地质参数反演

当数值模拟结果与实测结果一致时，最终修正计算所用的计算参数即为相应土层的关键地质参数，如表2所示。

表2 桩周土与桩端土层地质参数

4、结论

本文基于有限差分法利用FLAC3D构建了用于确定单桩竖向承载力特征值的静载荷试验数值模型，根据加荷条件分步进行计算，并与实际静载荷试验的结果进行拟合对比，并不断修正岩土体的地质参数，直至误差在要求的精度范围之内为止，此时即为所要得到的地质参数。根据实例验证结果，数值反演所得的土体地质参数接近工程勘察所建议的参数，表明本文所提出的方法是正确的和有效的。

[1]王仕伟.基桩荷载-沉降曲线拟合与分析,华中科技大学硕士学位论文，2007年6月，湖北，武汉

[2]孙书伟，林航,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，2011.6

[3]中华人民共和国行业标准，建筑基桩检测技术规范，北京：中国建筑工业出版社，2014

王俊岭（1982-），男，汉族，河南周口人，工程师，学士学位，从事地基基础检测工作。