弃渣场夯扩桩工作性状的模拟分析

刘丽萍 ，王建政 ，王胜利

(1.西安工业大学 建筑工程学院，西安 710021；2.陕西省电力设计院，西安 710054)

弃渣场是一种特殊的人工地质体，一般由松散的土体和碎石等工程废弃物构成，孔隙率大，颗粒均匀性差，从几厘米到几米都有存在，在该地质条件下进行桩基施工有很多不确定因素，轴力分布与侧摩阻力分布有别于一般地基条件.文献[1]以夯实扩底灌注桩为例，对桩基施工承载机理进行分析，探讨了单桩承载力的分布规律.文献[2]通过现场试验对夯扩碎石桩单桩载荷进行了分析，模拟了地基条件对单桩载荷分布的影响.文献[3]通过数值模拟方法探讨了多层地基条件下单桩负摩阻力的分布规律.针对弃渣场桩基工程，现行桩基施工规范缺乏针对性的指导，相关的研究较少.为此，文中以弃渣场桩基工程为依托，研究了夯扩桩在弃渣场地质条件下的工作性状，以期为类似的工程实践提供参考.

1 工程概况

佛坪330 kV开关站站址位于汉中市佛坪县东南方向5 km处的东岳殿村东侧，站址北侧为乡村路，乡村路向西1.5 km直通G108国道，站址南侧为河道.站址处于西成高铁的弃渣场.根据勘察结果及岩土工程资料，拟建站址内分布的主要地层岩性为人工新近堆积的杂填土、碎石(堆体)、第四系全新统冲洪积形成的粉质黏土、砾砂和卵石等，下部为震旦系花岗片麻岩.各岩层土的特征及分布具体描述见表1.

表1 各岩层土的特征及分布

2 弃渣场夯扩桩三维模型建立

文中桩体定义为弹性模型，土体定义为摩尔-库伦模型.土体的参数及各模型材料参数见表2.

桩径桩长均按现场试桩尺寸取值，桩长L=12 m，桩径d=0.35 m,扩大头直径D=0.6 m.土体所取计算范围：X方向取10 m，Y方向取10 m，Z方向取25 m.桩身的建立采用柱体网格单元体沿n1r1，n2r2，n3r3三个方向划分的网格个数依次为3,30,6，比率为1；桩端扩大头的建立仍采用柱体网格，单元体沿n1r1，n2r2，n3r3三个方向划分的网格个数依次为3,3,6，比率为1；扩大头模桩桩周土体采用柱形隧道外围渐变放射网格单元分层建立，沿n1r1，n2r2，n3r3，n4r4四个方向划分的网格数依次为3,30,6,15，比率为1；桩端以下土体仍用柱形隧道外围渐变放射网格单元建立，并用Fill命令对中间圆柱体进行填充，网格划分个数分别为3,30,6,10，比率同上.接触面的建立采用移来移去法[2]，通过模型计算结果与现场试验结果的对比，确定接触面黏聚力和内摩擦角的取值为相应土层的黏聚力和内摩擦角的0.75倍.模型网格划分及接触面如图1～2所示.

表2 材料参数取值

注：碎石层为西成高铁的隧道弃渣，该层土在场地内均有分布，颗粒粒径杂乱，大小不一，均匀性差.

图1 模型土层网格划分(透明度为70%)Fig.1 Grid partition of model soil layer (transparency 70%)

图2 桩土接触面

3 模型的加载计算及结果分析

建好模型，对边界施加约束，并进行初始应力平衡及位移清零，然后在桩顶分级施加荷载，荷载值与现场静载试验各级荷载值完全相同，文中荷载值以桩顶应力的方式分级加载计算[4-11].应力分级见表3.

表3 桩顶应力分级

单桩静荷载试验模拟[12-15]计算结束后，对计算结果进行处理和分析，并得出荷载-沉降(Q-S)曲线，桩身轴力曲线，桩侧摩阻力分布曲线等.

1)Q-S曲线

在应力加载过程中，提取每一级荷载下的桩顶位移，并与现场试桩实测值进行对比，见表4.

表4 分级荷载沉降量

通过图3所示单桩数值模拟结果与现场试验结果的Q-S曲线对比，可以看出模拟结果曲线与现场试桩的Q-S曲线总体趋势基本一致且当荷载较小时，荷载Q与沉降S为线性关系，随着荷载的增大，沉降增速也逐渐增大，Q-S曲线变为非线性，呈典型的端承桩特征.模拟的单桩最终沉降量和现场实测的单桩最终沉降量分别为17.65 mm，17.86 mm，可以看出模拟值与实测值较为接近，说明利用FLAC3D软件建立的模型能较好地模拟单桩在竖向分级荷载作用下的桩顶沉降关系，建模过程中的网格划分，土层及接触面参数的确定是合理的，为桩身轴力和桩侧摩阻力的数值分析奠定基础.

图3 模拟与实测Q-S曲线对比

2) 桩身轴力分析

各级荷载下轴力模拟曲线如图4所示.由图4可以看出,当荷载等级为160 kN，桩身下端轴力为零，随着荷载等级的增大，桩身下部逐渐产生了轴力，桩端阻力也开始逐渐显现出来.在每级荷载作用下，桩身轴力都呈现随深度先上升后下降的趋势，在桩身的中部轴力线呈凸起状，桩身轴力最大值不在桩顶处，而在桩身中部.结合弃渣场的地质条件，由于弃渣场孔隙率较大，粒径分布不均匀导致桩身上部土层的沉降值大于桩本身沉降，对桩身产生下拽力，使桩身轴力增加.不同等级荷载作用下相同深度处桩身轴力分布曲线的斜率存在差异，这反映出桩侧摩阻力的发挥水平存在差异，轴力分布曲线的斜率越小，轴力差越小，即侧摩阻力越小，斜率越大，轴力差越大，侧摩阻力发挥值越大.随着荷载等级的增加桩端轴力值也逐渐增大，当荷载等级大于320 kN时，桩端轴力值约占桩顶荷载的70%以上，进一步说明本次试验的各试桩均为端承摩擦桩.

图4 各级荷载下轴力模拟曲线

3) 桩侧摩阻力

桩侧摩阻力分布曲线如图5所示.由图5可以看出不同桩顶荷载下单桩桩侧摩阻力分布曲线[16]变化趋势大致相同并可得出,桩侧摩阻力的分布以中性点(距桩顶5 m左右)为界，该点上部摩阻力为负值，该点下部摩阻力为正值.随着荷载等级的增大，桩身上部负摩阻力区域不断减小，桩身下部的正摩阻力区域逐渐增大，中性点的位置向上移动.这是由于随着桩顶荷载的增大，桩身压缩量增大，桩端也发生刺入下沉，桩身上部桩土相对位移减小，所以桩侧负摩阻力减小.

图5 桩侧摩阻力分布曲线

4 结 论

采用FLAC3D软件建立夯扩桩单桩三维模型，得出了弃渣场地质条件下桩体在不同桩顶荷载下的工作性状，并与现场静载试验进行对比得到结论为

1) 在弃渣场地质条件下，随着桩顶荷载的逐渐增大，单桩的Q-S曲线呈现缓变形，无明显拐点，说明弃渣场夯扩桩为端承桩，桩顶荷载主要由桩端阻力承受，这与设计吻合.

2) 在弃渣场地质条件下，桩顶在同级荷载作用时，桩身轴力的最大值不在桩顶，而在桩身中上部，这是因为弃渣土土质疏松，孔隙率大，粒径分布不均匀导致产生一定大小的下拽力，使桩身轴力增大.

3) 在弃渣场地质条件下，桩侧摩阻力不是一直为正，而是出现了一定区域的负摩阻力，并随着桩顶荷载等级的增大，负摩阻力区域逐渐减小.说明弃渣场由于存在大量新近堆积的弃渣土自重固结和夯扩施工的共同作用，使桩周土体的沉降量大于桩体本身，从而产生桩侧负摩阻力，因此，在工程设计施工中应充分考虑负摩阻力对桩基的影响.