基于静力触探与数值计算预估单桩承载力对比分析①

常连远，姜 岳，郭明磊

(1.西安科技大学地质与环境学院，陕西西安710054;2.滨州市建筑设计研究院，山东滨州256613;3.云南农业大学农业与生物技术学院，云南昆明650000)

0 引 言

桩基工程由于具有圬工体积小、承载能力大、施工设备简单等诸多优点，近年来得到越来越广泛的应用.单桩承载力作为桩基设计与应用一项重要的参数依据，如何合理的评价单桩承载力是岩土工作者研究的主要方向之一.目前，静载试验是确定单桩承载力最直接、最可靠的方法，也是评价其他预估方法合理性的标准，但随着桩基施工技术的不断发展，桩径、桩长不断增大、增长，同时特殊场地(如狭小地段、边坡)的桩基施工也在不断增多，考虑到静载试验所需的试验条件，显然难以满足桩基发展的需要.

静力触探是用静力将探头以一定的速度压入土中，利用探头内的传感器通过电子量测仪器，将探头的锥尖阻力和侧壁摩阻力记录下来.桩体的作用机理与静力触探的试验机理相似，因此可以将静力触探试验看作一个小直径桩的现场载荷试验，模拟桩的受力状况，估算单桩承载力［4］;数值模拟也叫计算机模拟，依靠电子计算机，通过数值计算和图像显示的方法，帮助分析人员利用计算机在室内进行岩土工程实验，随着计算机计算性能的不断提高，使得数值模拟技术逐渐成为岩土工程研究和设计的主流方向之一;FLAC3D 是由美国Itasca Consulting Group Inc 公司开发的三维显式有限差分程序.作为一个专业分析软件，FLAC3D 能够进行岩土、结构、温度、流体等多学科的研究，目前已广泛应用于岩土工程、采矿工程、隧道工程、道路与铁道工程等领域的科学研究之中［1］.本文通过实例将静力触探与数值模拟预估单桩承载力成果对比分析，为今后的桩基设计工作提供参考.

1 工程实例分析

1.1 工程概况

该工程位于滨州市惠民县大济路以东，福田社区以北，基础采用预应力空心方桩，方桩边长400mm，有效桩长22.00m，单桩极限承载力计算力学参数如表1 所示:

表1 单桩极限承载力计算参数表

②粉土 6.80 22.40 2.579 26 3.3 2③粉质2粘土 10.90 12.90 0.816 15 2④粘土 21.60 10.50 1.291 46 3.5 3.5⑤粉土 8.40 27.80 6.230 72 3.5 3.5⑥粉质粘土 12.00 13.20 1.414 26 4 4⑦粘土 24.90 11.50 3.588 55 6 6⑧粉细砂 2.0356 200 未揭穿1

1.2 静力触探与单桩承载力

按《建筑桩基技术规范》(JGJ94－2008)中第5.3.4 条有关规定，根据双桥探头静力触探资料确定混凝土预制桩单桩竖向极限承载力标准值时，对于黏性土、粉土和砂土，如无当地经验时可按下式计算:，单桩竖向极限承载力标准值计算过程如表2所示:

表2 单桩竖向极限承载力计算过程表

由表2 可知，根据场地双桥静力触探试验数据预估单桩竖向极限承载力标准值为2179.5KN.

图1 模型网格划分示意图

1.3 数值模拟静载试验

在本文中，采用FLAC3D 数值分析软件对预应力空心方桩的静载试验进行数值模拟，其中有三个基本部分必须指定:数值模型;模型本构关系以及其材料特性;模型边界及初始条件.数值模型为分析模型的几何形状，本构关系和与之对应的材料特性用来表征模型在外力作用下的力学响应特性，边界和初始条件用来定义模型的初始状态(既边界条件发生变化或者受到扰动之前，模型所处的状态)［1］.

图2 模拟加载所得云图

图3 静载模拟所得p－s 曲线

1.3.1 模拟网格建立

土体与桩体网格建立模型对实际情况进行了一定的简化，土体网格取10m×10m×30m 的三维计算模型，并根据土层情况对土体网格划分为7层;桩体网格取0.4m×0.4m×22m 的实心三维计算模型.静力条件下，边界条件设置为数值模型底部为固定约束，模型前后左右对应设置为X，Y 方向约束，模型桩土网格划分示意图如图1 所示.

1.3.2 土体变形参数确定

模型的建立、初始条件的设置以及施工过程的模拟可完全按照已有资料进行，而材料参数则较难确定且对模拟结果影响较大，其中土体变形参数体积模量K 和剪切模量G 是必不可少的，然而实际勘察报告中提供的往往是土体压缩模量、粘聚力和内摩擦角等物理力学参数，这时需要进行转换［6］.一般而言，杨氏模量E 与压缩模量ES 及泊松比v之间的转换关系为:;体积模量K 和剪切模量G 与杨氏模量E 及泊松比v 之间的弹性转换关系为:本工程中土体变形参数取值情况如下表3 所示:

表3 土体变形参数表

1.3.3 接触面参数确定

表4 桩土接触面参数表

图4 数值模拟与检测结果对比

1.3.4 应力加载

根据当地桩基施工经验，此次工程拟加载至3640kN，第一级加载520kN，其后每级加载260kN.其模拟加载所得桩体沉降云图如图2 所示，静载模拟所得P－S 曲线如图3 所示:

2 对比分析

静载荷试验采用《建筑基桩检测技术规范》JGJ106－2003 快速维持荷载法加卸载，每级加载为预估极限荷载的1/10，第1 级荷载为2 倍分级荷载加荷.根据当地桩基施工经验，预估极限荷载2600kN，共检测试验桩3 根，桩号分别为1#，2#，3#，其检测结果与静载模拟数据对比情况如图4 所示:

图4 显示静载试验中当桩顶荷载超过2600kN后，其p－s 曲线的斜率开始变陡，根据现场静载试验统计结果，单桩竖向抗压极限承载力标准值为2600kN;数值模拟所得曲线与现场静载试验曲线有所差异，沉降量明显偏大，其p－s 曲线的斜率在加载至3120kN 时开始变陡，可确定静载模拟试验所得单桩竖向抗压极限承载力标准值为3120kN;根据场地双桥静力触探试验数据预估单桩竖向极限承载力标准值为2179.5kN.双桥静力触探预估值比静载试验值小420.5kN，数值模拟结果比静载试验值大520kN，双桥静力触探预估值与数值模拟结果相差约1000kN.

对比结果显示，不管是地质勘察预估值，还是数值模拟所得值，都与现场检测值存在一定的偏差.在桩基设计中，根据双桥静力触探数据预估单桩承载力时，我们往往由于缺少可靠的单桩承载力经验数据，而不得不采用规范中推荐的设计参数，但是这些参考规范是针对全国范围所提出的，与地区实际情况相比，取值往往偏于保守，导致单桩实际能够承受的荷载高于设计值.在静载试验数值模拟过程中，材料参数对模拟结果影响很大，其大小是根据土工试验所获得的土层力学参数选取，由于土层的力学参数有时也难以反应真实的力学特性，因此，材料参数的取值标准需要根据地区经验不断做出调整.

3 结 语

通过本文的对比分析，将双桥静力触探与数值模拟相结合预估单桩承载力在桩基设计中有一定的参考价值.

①其对比结果可以作为场地前期预测单桩承载力的有效评价方法，弥补地区规范的不足;

②当无法通过静载试验直接获得单桩承载力时，其对比结果为实际工程提供了可靠的依据，可以节约大量的资源，创造一定的经济效益.

由于本文仅根据一个场地的数据进行了研究，在数值模拟过程中材料参数的选取是参考前人的取值建议，如能更多的本地区场地进行对比分析，势必会统计出一个合理的地区参数取值标准，这还有待进一步研究.

［1］ 陈育民，徐鼎平，等.FLAC/FLAC3D 基础与工程实例［M］.中国水利水电出版社，2011(10).

［2］ 周国钧.岩土工程治理新技术［M］.中国建筑工业出版社，2010.

［3］ 张明远，钟珞.基于GA－BP 神经网络的单桩承载力预测［J］.武汉理工大学学报，2008(03).

［4］ 曹茂森，周翠玲，戴景军.BP 神经网络在静力触探确定单桩承载力中的应用［J］.山东农业大学学报，2002(03).

［5］ 杨帆，谢波，赵海杰.单桩静载试验的数值模拟及极限承载力确定［J］.工程建设与设计，2014(04).

［6］ 于丽鹏.基于FLAC3D 模拟的土体弹性模量取值分析［J］.水利与建筑工程学报，2014，12(2).

［7］ 赵春风，蒋东海，崔海勇.单桩承载力的静力触探估算法研究［J］.岩土力学，2003，24.

［8］ 中华人民共和国水利部.水利水电工程边坡设计规范［Z］.2007－10－14.