基于FLAC3D的大直径管桩承载性能的数值模拟研究

吕晓光，高 鹏，胡延武，李浩男

(1.安徽省城建基础工程有限公司，安徽 合肥 230002；2.合肥工业大学 资源与环境工程学院，安徽 合肥 230009)

0 前 言

大直径预应力混凝土管桩凭借其桩体强度高、桩体承载力高、施工限制小、施工方便、环境扰动小等优点，已经得到了广泛的研究与应用[1]。

桥梁建设中广泛采用大直径管桩基础，目前已有大量学者对大直径管桩的承载性能、侧摩阻力和土塞效应发表了大量报道[2-3]。确定大直径管桩承载性能常用的方法是进行现场静载试验，但由于其成本较高且环境限制较大，尤其是大直径管桩基础，开展现场静载试验的难度较高。虽然国内外学者做了大量研究工作，并且已经有许多的确定单桩极限承载力的经验公式，但是由于成桩工艺、场地地质条件的不同，桩型、尺寸的不同，经验公式的实用性受到局限[4-6]。此外大型桥梁大直径管桩基础现场实测数据较为匮乏，而为了更快、更便捷地获取更多工程数据一般用数值软件进行模拟研究，已经成为确定大直径管桩的一种高效的方法。在桩基的设计中，其竖向承载性能与横向承载性能，是非常重要的评价指标[7-8]。因此，开展竖向荷载作用及横向荷载作用下大直径钢管桩承载性能的数值模拟研究，对于确定地层中管桩的承载性能是十分重要的。

1 工程概况

本文应用FLAC3D软件数值模拟大直径管桩的承载性能，分析不同壁厚大直径管桩的荷载承载性能，可为实际工程大直径管桩的设计施工和检测提供参考。

本次模拟大直径桩桩长45 m，桩径3.5 m，土体采用摩尔-库伦模型，桩体采用线弹性模型，密度取值为2 500 kg/m3，体积模量K=15.56 GPa 剪切模G=11.67 GPa。根据相关经验与规范，本次建模取桩周土10倍桩径范围，桩端1倍桩长为有效的检测范围，为有效节省计算时间取桩土的50%做计算并约束边界条件，并且考虑初始地应力条件。

2 数值模型

本次模拟的大直径管桩桩身采用radcylinder六面体渐变放射网格。为了模拟及对比方便，本次模拟忽略管桩各桩段的接头影响。

本次将对三种大直径管桩的模型进行建构。其桩体结构参数如下。

1)管桩外径3.5 m，内径1.5 m，桩壁厚100 cm；桩长46 m，其中桩体露出地表1 m，地下埋藏45 m。

2)管桩外径3.5 m，内径2.1 m，桩壁厚70 cm；桩长46 m，其中桩体露出地表1 m，地下埋藏45 m。

3)管桩外径3.5 m，内径3.2 m，桩壁厚15 cm；桩长46 m，其中桩体露出地表1 m，地下埋藏45 m。该桩型壁厚为一般工程中大直径管桩最大壁厚。

三种大直径管桩的模型建构图如图1～3所示。

图1 壁厚100 cm管桩-土系统及桩体模型建构

图2 壁厚70 cm管桩-土系统及桩体模型建构

图3 壁厚15 cm管桩-土系统及桩体模型建构

3 管桩竖向承载性能模拟

三种桩型的荷载-沉降曲线如图4～6所示。从图4～6可知，三种桩型的荷载-沉降曲线均为陡降型曲线，且壁厚100 cm管桩、壁厚70 cm管桩三者的加载前中期曲线直线段几乎完全一致。而壁厚15 cm管桩的加载前中期曲线直线段曲线比前三者较陡，说明该桩型在承受相同荷载时的桩顶沉降较大，其承受竖向荷载的能力相对其他三者较差。这是由于壁厚15 cm管桩桩身体积较小，其桩身能够承受的弹性压缩量较小，桩体位移主要为桩身的刚性位移。

图4 壁厚100 cm管桩荷载-沉降曲线

图5 壁厚70 cm管桩荷载-沉降曲线

图6 壁厚15 cm管桩荷载-沉降曲线

三种桩型的荷载-沉降曲线的拐点明显，且三种桩型加载前中期的直线段曲线十分接近。同时，三种桩型的单桩承载力极限值均集中于79 000-82 000 kN。这是由于三种桩型均为大直径深长桩，根据模型土层参数可知四者均为摩擦桩，顶部施加荷载主要由桩侧土体摩阻力承受。而三种桩型的外径相同，则三者的桩侧表面积相同，与桩侧土体的接触面积就相同。这使得当桩侧摩阻力未完全发挥时，三种桩型的竖向承载性能不会发生较大的变化，单桩承载力特征值也十分接近，集中在40 000 kN附近。

4 管桩横向承载性能模拟

三种大直径管桩的水平静荷载模拟实验的模拟计算数据如图7～9所示。

图7 壁厚100 cm管桩桩顶数值模拟水平力-水平位移曲线

图8 壁厚70 cm管桩桩顶数值模拟水平力-水平位移曲线

图9 壁厚15 cm管桩桩顶数值模拟水平力-水平位移曲线

壁厚100 cm大直径管桩的数值模拟水平承载力特征值为750 kN，水平承载力极限值取1 250 kN。

壁厚70 cm大直径管桩的数值模拟水平承载力特征值为750 kN，水平承载力极限值取1 250 kN。

上述极限值对应的桩顶位移为0.730 mm，不超过10 mm，满足《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63—2007)的要求。

三种桩型的水平力-水平位移曲线的走向有较大的不同。自拐点之后，位移曲线进入陡降段，桩顶位移随水平荷载的增加而迅速增大，其增长速率甚至超过相同荷载下的大直径管桩。三者的水平力-水平位移曲线始终为非线性变化，呈现明显的弹性变形和破坏不同阶段变化。

在加载前期，三种桩型在相同荷载条件下的桩顶水平位移有明显不同。其中，壁厚100 cm和壁厚70 cm的大直径管桩两者的桩顶位移十分接近，两个曲线走势一致。但可以看出，壁厚70 cm的大直径管桩的桩顶位移始终略大于壁厚100 cm管桩。而壁厚15 cm的管桩的桩顶位移则要远大于前二种桩型。说明小内径管桩的水平承载性能要优于大内径的水平承载性能。这是由于水平受荷桩的承载力来源于桩侧土压力及桩体本身，当桩侧土压力一致时，桩体本身的承载性能将决定单桩水平承载性能。而内径较大的管桩本身体积较小，故承受水平荷载的能力也较弱。

5 结 论

1)三种桩型的单桩承载力极限值均集中于79 000～82 000 kN。这是由于三种桩型均为大直径深长桩，顶部施加荷载主要由桩侧土体摩阻力承受。而三种桩型的外径相同，使得当桩侧摩阻力未完全发挥时，三种桩型的竖向承载性能不会发生较大的变化。

2)三种桩型的桩身压缩量对比图中可以发现，壁厚15 cm管桩在各级荷载下的桩身压缩量远大于其他二种桩型，说明桩身壁厚的大小会对桩体的承载性有直接影响。

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