基于FLAC3D数值模拟的桩基加载力学特性分析①

布仁巴图 吕金明 高东伟 王帅印 杨元文

(中交路桥建设有限公司 北京 101121)

当前，铁路、公路作为引领我国经济发展的重要基础设施建设，各地区都加大了对公路和铁路的建设，它不仅给人们的生活带来了方便，也极大的促进了科学技术的发展。但由于我国幅员辽阔，地貌多样，山区复杂地质条件下的施工需要更加先进的技术设备和技术手段。为了应对复杂的地形地貌，在一定情况下选择桩基施工可降低施工难度，保证铁路、公路桥梁的稳定，防止桥梁变形，从而保证交通要道的安全运行。工程实际中，由于缺少可靠、有效、准确的单桩承载力数据，很多情况下只能采用相关规范中推荐的参数，而这些参数的取值往往偏于保守，这就使得桩基安全系数过大，甚至有些时候，导致基桩盲目地向长、大发展，造成不必要的人力、物力、财力上的浪费。因此，本文通过数值模拟分析桩基加载过程中的一些力学特性，这是当前运用较为广泛的方法，例如李一凡等[1]采用 FLAC3D 软件对煤矿开采沉陷预计过程进行研究；朱安龙等[2]基于 FLAC3D 软件对采用锚索边坡的加固机理进行数值模拟；FLAC3D较为普遍的运用还是在采矿工程和岩土工程边坡分析[3-5]，取得了较好的实际效果；刘尊平等[6]以北京市丰台区某超高层建筑为例,采用FLAC3D软件建模计算了地震工况下桩基础的变形和速度响应情况,为桩基础的抗震设计提供预测数据；刘仁伟[7]针对工程桩在施工过程中出现的常见的两种缺陷桩型,以合肥某高架工程中的桩基工程为背景，根据现场的工程勘察资料，运用FLAC3D软件进行数值模拟分析缺陷位置改变时，对单桩承载力性状的影响。本文的分析结果对实际工程中桩基承载力及其特性研究有着非常重要的作用。

表1 土体性质及参数

表2 桩体参数设置

图1 土体位移

图2 桩基轴向应力

图3 桩基轴向位移

图4 桩基荷载-位移变化

1 FLAC3D计算原理

随着计算机科学的发展，岩土工程领域的分析越来越依靠数值模拟，它不仅可以设置不同的工况来分析多因素作用于工程实例的力学特性，还能预测地质灾害的发生。目前，常用的数值模拟软件主要有ANSYS、FLAC3D、ABAQUS、PFC等，它们有着各自的优缺点。FLAC3D是一种有限差分软件，基于快速拉格朗日求解理论，它采用的是“混合离散法”，通过动态运动方程进行求解，它在进行模拟时主要包括有限差分网格、确定本构关系、设置边界和初始条件三个基本步骤。其中网格用来定义分析模型的几何形状；本构关系通过相对应的材料性质来表征；边界和初始条件是用来表现模型的初始状态。FLAC3D可以模拟的结构单元包括：梁、锚元、桩、壳体以及人工结构。通过设置不同的界面单元，还可以模拟节理、断层和虚拟的物理边界。

2 数值模拟

2.1 工程概况与难点

项目位于綦江区新盛镇附近，由綦江北互通及连接线组成，綦江北互通设置于渝黔高速上，设置位置位于綦江与巴南交界处綦江一侧，互通收费站出口接连接线，连接线接新盛镇，终点接綦江区九龙大道。本项目是连接共同组团和新盛镇以及渝黔高速公路的快速通道，同时也是綦江区城市空间向北拓展的主干道。

项目路线起于綦江新盛镇西北约2.5km，与綦江区九龙大道、发展大道顺接，路线全长8.837km。互通及连接线桥梁共计14座，累计长度4017.24m，包括大桥927.5m/4座、中桥97m/1座、互通桥梁2992.74m/9座。桥梁上部结构形式有现浇箱梁、钢箱梁、预制T梁。项目合同总额7.63亿元，合同工期24个月。

本项目共有64根桩基（C4、C5、C6、C7，A5、A6、A7、A8，B3、B4、B5、B6，D6、D7、D8、D9）穿过该地层，因深厚回填土存在很大的欠固结问题，易产生不均匀沉降，采用桩基时会产生桩侧负摩阻力，此问题对桩基整体稳定性影响很大，邻近桩侧地面承受局部较大的长期荷载等。负摩阻力可能发生在施工过程、上部结构使用前或使用过程中。对于端承桩，负摩阻力有可能造成桩身强度破坏或桩端持力层破坏。同时常规钻孔桩施工由于土质较为疏松极易出现塌孔，存在较多的未知安全隐患和风险。

综上所述，本文将通过数值模拟分析桩基加载过程中的力学性能，为桩基施工提供分析。

2.2 网格尺寸

本次模拟依托渝黔高速公路綦江北互通建设工程，选取的模型尺寸为长×宽×高为15m×15m×15m。

2.3 土体参数设置

根据工程实际，设置土体的性质、密度及变形参数如表1，本例给出土体体积模量K和剪切模G量。一般而言，工程实际中通常提供的是杨氏模量E和泊松比ν，需要通过以下方程转换：

2.4 初始平衡

通过对土体进行参数赋值以后，将模型的前、后、左、右及底部进行约束，模型顶部作为自由面，再施加重力加速度，最后进行初次平衡，土体将发生部分沉降。

2.5 桩土模型建立

桩结构单元的定义需要通过几何参数、材料参数和耦合弹簧参数来设置，一般而言，桩结构含有16个参数，桩与实体单元的作用是通过耦合弹簧来实现的，其中法向弹簧可以模拟桩基加载的法向荷载，也可以模拟土体对桩的挤压。桩土接触面的剪应力主要设置摩擦角和粘聚力，接触面的法向作用则主要考虑粘聚力和摩擦角。本例中设置单桩的桩长为8m，深入土中长度为7m，桩直径为1m，土的摩擦角以及桩土接触面的摩擦角均为10°，桩体参数设置如表2，其部分未设置的参数为0。

3 数据分析

桩体接触设置后，对桩端施加轴向的水平荷载，对桩端底部进行约束，分析端承桩加载过程中位移变化同时检测桩体力学性能变化及特征。

由图1可知，当对桩基进行加载时，靠近桩周的土体沉降明显大于远离桩体的土体沉降，且加载力越大，桩周土体沉降也较大。因此，在桩基施工过程中，应对桩周土体进行强加固，防止其发生过大沉降，从而产生桩基负摩阻力。

由图2可知，对桩体进行加载时，桩体轴力由大变小，为防止桩体发生破坏，在施工过程中应加强对桩体的保护，在实际工程中，为了提高装的承载能力，需要设置合理的桩长和桩径。

由图3可知，端承桩在轴向加载过程中，桩顶位移大于桩底位移，可以看出，桩底约束对桩体有一定的保护作用。因此，端承桩在实际工程中应用较为广泛。

由图4可知，端承桩在加载过程中，桩体位移随着荷载的增大而增大，当荷载增加到一定程度时，桩体位移不再变化。

综上所述，端承桩具有较好的支撑性能，其是否产生负摩阻力，与桩周土体沉降有关。在桩顶荷载作用时，桩周土沉降值较小，其随着荷载的增加也呈线性增加。端承桩在实际工程的应用中较广泛。具有较好的实用性。

4 桩基承载力优化措施

桩基竖向承载力性状十分复杂，影响桩基承载力的因素也是很多的，主要有桩周土、桩端土的力学性质、桩的几何特性，以及成桩工艺和施工方法等，此外，时间的变化也会影响桩基的承载力。目前，满应力设计法、满位移设计法、能量准则法等运用较为广泛。其中，满应力法要求各桩和土在一组确定的荷载组合下承受荷载等于或接近单桩承载力的特征值。满应力设计适用于上部应力传递明确、桩基施工方式、桩基类型、桩基持力层已经确定的情况。满位移设计法要求首先满足承载力约束的优化基础，使建筑物的沉降能够达到最大的允许沉降值。实际施工过程中，常用的体高桩基承载能力的方法有以下几种：

（1）根据实际工程，设计合理的桩长和桩径。

（2）改变桩周土体材料，减小土体沉降，防治桩基负摩阻力的产生。

（3）改变桩体材料，选择弹性模量较大的材料作为桩体材料，从而提高桩基承载力。

（4）制定合理的桩基施工工艺，减小施工过程中对桩周土体的扰动，桩底部的沉渣要彻底清除。

5 结语

本文通过数值模拟，对桩基轴向加载的部分力学特性进行了分析，并提出了一些桩基承载力优化的措施，可在一定程度上指导实际工程施工，具有较好的实用价值。