孫文懷，王志強(qiáng)，宋少華，董金玉

(1.華北水利水電學(xué)院，河南鄭州450011;2.中國(guó)水利水電第三工程局有限公司，陜西西安710032)

樁周土的沉降大于樁體的沉降，樁－土的相對(duì)位移(或者相對(duì)位移趨勢(shì))是形成負(fù)摩擦力的原因.樁的負(fù)摩阻力和沉降機(jī)制取決于樁與土之間相互作用的應(yīng)力應(yīng)變性狀，這是一個(gè)十分復(fù)雜的問題.由于巖土條件的復(fù)雜多變，即使在現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)和計(jì)算技術(shù)高度發(fā)展的情況下，許多問題仍未獲得較為滿意的解答［1］.影響樁負(fù)摩阻力的因素很多，現(xiàn)有的計(jì)算方法與公式都具有近似性和經(jīng)驗(yàn)性，都很少考慮到土體應(yīng)力應(yīng)變的非線性［2］.筆者用快速拉格朗日法有限差分程序FLAC3D模擬軟土地基中單樁負(fù)摩阻力的產(chǎn)生、發(fā)展機(jī)理，以期對(duì)這一問題做新的探究.

1 負(fù)摩阻力的產(chǎn)生機(jī)理及特性

負(fù)摩阻力產(chǎn)生、發(fā)展的過程是樁與土的沉降相互協(xié)調(diào)的過程［3］:樁土之間存在相對(duì)位移在正常情況下，樁頂受壓下沉，這時(shí)樁側(cè)的摩阻力方向向上為正摩阻力;如果土層相對(duì)樁側(cè)有向下的位移，此時(shí)樁側(cè)的向下摩阻力稱為負(fù)摩阻力.產(chǎn)生負(fù)摩阻力的情況有很多，歸結(jié)為:①欠固結(jié)軟粘土或新填土的自重固結(jié);②大面積堆載使樁周土層下沉;③地下水位降低造成樁周土下沉;④濕陷性黃土濕陷引起沉降;⑤打樁后孔隙水壓力消散引起固結(jié)沉降;⑥地震液化.

負(fù)摩阻力對(duì)樁起下拉作用，相當(dāng)于在樁頂荷載之外又附加了分布在樁側(cè)表面的下拉荷載.樁基的負(fù)摩阻力可能發(fā)生在施工過程、使用前或使用過程中，其中發(fā)生在樁基使用過程中最為不利.對(duì)于摩擦型樁，負(fù)摩阻力會(huì)引起附加下沉，當(dāng)建筑物的部分基礎(chǔ)或同一基礎(chǔ)中部分樁發(fā)生負(fù)摩阻力，將出現(xiàn)不均勻沉降，引起上部結(jié)構(gòu)的破壞;對(duì)于端承樁，負(fù)摩阻力會(huì)導(dǎo)致樁身荷載加大，使樁身破壞或者樁端持力層破壞［1］.負(fù)摩阻力已經(jīng)成為基礎(chǔ)工程界的一個(gè)技術(shù)熱點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以充分考慮.

2 樁基負(fù)摩阻力的研究現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于樁基負(fù)摩阻力的研究主要集中在理論計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、室內(nèi)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬等幾個(gè)方面［4］.影響負(fù)摩阻力的因素很多，要精確地計(jì)算負(fù)摩阻力十分困難，國(guó)內(nèi)外大都采用近似的經(jīng)驗(yàn)公式估算，常用的主要有以下幾種方法［5］:有效應(yīng)力法、標(biāo)貫試驗(yàn)法、經(jīng)驗(yàn)值法.大量試驗(yàn)與工程實(shí)測(cè)結(jié)果表明，以有效應(yīng)力法計(jì)算負(fù)摩阻力較接近于實(shí)際.因此，文獻(xiàn)［6］中規(guī)定有效應(yīng)力法為負(fù)摩阻力的計(jì)算方法.現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)是獲得樁側(cè)負(fù)摩阻力大小和分布的最直接可靠的方法［7］.但是，由于受工程工期、資金及負(fù)摩阻力時(shí)間效應(yīng)的影響，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)需要投入較高成本.近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在室內(nèi)模型試驗(yàn)方面也進(jìn)行了一系列研究，并取得了一定的成果［8－11］.但室內(nèi)模型只能部分反映某些較為簡(jiǎn)單的地質(zhì)情況，其成果的適用范圍有一定的局限性.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的提高，數(shù)值模擬技術(shù)在巖土工程界得到了廣泛應(yīng)用.如Lee等［12］應(yīng)用ABAQUS有限元軟件，Kong 等［13］利用 FLAC3D 軟件，Hoque［14］利用PLAXIS有限元軟件建立了單、群樁負(fù)摩阻力數(shù)值計(jì)算模型，分析了樁側(cè)負(fù)摩阻力、樁身下拽力等的變化規(guī)律.在前人研究的基礎(chǔ)上，筆者擬對(duì)軟土中單樁的負(fù)摩阻力進(jìn)行數(shù)值模擬，并著重分析地面堆載與樁頂荷載的加載順序?qū)渡磔S力的影響.

3 單樁負(fù)摩阻力的FLAC3D數(shù)值模擬

作為一種基于三維顯式有限差分法的數(shù)值分析程序，F(xiàn)LAC3D能較好地模擬巖土材料在達(dá)到強(qiáng)度極限或屈服極限時(shí)發(fā)生的破壞或塑性流動(dòng)的力學(xué)行為，特別適用于分析漸進(jìn)破壞和失穩(wěn)以及模擬大變形.其強(qiáng)大的前后處理功能，方便用戶在計(jì)算過程中的任何時(shí)刻用高分辨率的彩色或灰度圖或數(shù)據(jù)文件輸出結(jié)果，對(duì)結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，給出計(jì)算域的任意截面上的變量圖或等直線圖，且可以旋轉(zhuǎn)計(jì)算域以便從不同的角度觀測(cè)計(jì)算結(jié)果.

3.1 計(jì)算模型的建立

為了計(jì)算方便和便于比較，模型擬采用2層土體:上部軟粘土層厚20 m，下部砂土層厚5 m，樁設(shè)置在軟土體內(nèi)，樁長(zhǎng)20 m，半徑0.25 m，不考慮地下水的影響.土體采用Mohr-Coulomb模型進(jìn)行模擬;樁體用FLAC3D中內(nèi)置實(shí)體 pile單元建立，采用MODEL elastic模型;樁側(cè)、樁端和土體接觸面采用無(wú)厚度接觸面單元，本構(gòu)模型采用庫(kù)侖剪切模型.接觸面參數(shù)很難確定，如果要準(zhǔn)確確定接觸面參數(shù)則需要做大量的試驗(yàn)，并且耗費(fèi)大量人力、物力，所以在試驗(yàn)條件不允許的情況下，許多學(xué)者的研究成果以及寶貴經(jīng)驗(yàn)可以借鑒［15］.本次模擬考慮實(shí)際情況，并借鑒前人的經(jīng)驗(yàn)，樁端和樁側(cè)接觸面參數(shù)——法向剛度、切向剛度均取10 GPa/m，粘聚力取30 kPa，內(nèi)摩擦角取20°，樁體與土體的力學(xué)參數(shù)見表1.

表1 樁體及土體的力學(xué)參數(shù)

為節(jié)約計(jì)算時(shí)間，取模型的一半進(jìn)行模擬計(jì)算.計(jì)算模型的單元?jiǎng)澐?、幾何尺寸和邊界條件如圖1所示.模型長(zhǎng)30 m、寬15 m、高25 m，底部和側(cè)面約束法向位移，相當(dāng)于鏈桿約束，上部為自由邊界.

圖1 FLAC3D模型示意圖

3.2 FLAC3D數(shù)值模擬計(jì)算

計(jì)算模型建立后，賦予樁土材料的各力學(xué)參數(shù)，樁所在位置的值取為相應(yīng)土層參數(shù)，計(jì)算至平衡.計(jì)算結(jié)束后，樁所在位置處的參數(shù)改變?yōu)闃侗旧淼牧W(xué)參數(shù)，再進(jìn)行一次計(jì)算至樁土相互作用下的平衡，以此來(lái)模擬實(shí)際的打樁過程.該模擬是在軟土地基單樁樁周土堆載作用下進(jìn)行的，在樁土相互作用平衡的基礎(chǔ)上，以在樁周土施加豎向均布荷載模擬實(shí)際堆載過程，并改變堆載條件進(jìn)行單樁負(fù)摩阻力的模擬，按以下幾種工況進(jìn)行模擬計(jì)算:①單樁樁頂施加500 kN豎向荷載，計(jì)算至平衡后，樁周土分級(jí)施加25，50，100，150，200 kPa 的豎向均布荷載以模擬堆載對(duì)樁頂荷載作用下樁體軸力及負(fù)摩阻力的影響;②樁周土施加25 kPa豎向均布荷載，計(jì)算至平衡后，樁頂分級(jí)施加 500，1 000，1 500，2 000 kN 的豎向荷載，分析堆載條件下樁體軸力與樁頂荷載的關(guān)系;③樁頂施加500 kN豎向荷載的同時(shí)在樁周土施加 25，50，100，150，200 kPa 不同的豎向均布荷載，分析樁頂荷載與地面堆載同時(shí)施加情況下的單樁軸力分布及負(fù)摩阻力的變化規(guī)律.

利用FLAC3D強(qiáng)大的前后處理功能，監(jiān)測(cè)不同深度樁身及樁周土的應(yīng)力分布、沉降值等，并在各工況計(jì)算結(jié)束后輸出以上各值，結(jié)合UltraEdit軟件計(jì)算并做出樁體軸力曲線圖進(jìn)行比較分析.

3.3 結(jié)果分析

樁側(cè)負(fù)摩阻力是樁－土間相對(duì)位移引起的，樁周土為欠固結(jié)的軟土?xí)r，即使在較小的堆載條件下，也能夠產(chǎn)生負(fù)摩阻力.圖2是在單樁樁頂施加500 kN的豎向荷載，樁周堆載25 kPa條件下模型的樁身軸力分布圖.

由圖2可看出，中性點(diǎn)產(chǎn)生在樁身16 m處，樁身最大軸力值為716 kN，由負(fù)摩阻力引起的最大下拉荷載為216 kN，已達(dá)樁體軸力的30%，明顯加重了單樁的負(fù)荷.

計(jì)算工況①中地面堆載對(duì)樁頂荷載作用下樁身軸力的影響如圖3所示，比較圖中各級(jí)堆載作用下軸力分布可看出，單樁只受樁頂豎向荷載作用，即堆載0 kPa時(shí)，軸力線性分布，且沿樁深越來(lái)越小.地面堆載后受負(fù)摩阻力的影響，樁身軸力明顯增大，堆載增大，最大下拉荷載隨之增大，中性點(diǎn)深度也隨之加深，加至150 kPa后由于過大的地面堆載加速了樁體下沉，中性點(diǎn)位置反而有所上升.

計(jì)算工況②地面堆載作用下樁頂荷載對(duì)樁身軸力分布的影響如圖4所示.由圖可知在堆載25 kPa作用后分級(jí)施加樁頂荷載時(shí)，明顯產(chǎn)生了負(fù)摩阻力，但隨著樁頂荷載等級(jí)的增大，樁側(cè)負(fù)摩阻力逐漸轉(zhuǎn)化為正摩阻力，下拉荷載相對(duì)減小，中性點(diǎn)位置升高，樁頂荷載增大到2 000 kN時(shí)，負(fù)摩阻力消失，樁身軸力已近似線性分布.

計(jì)算工況③地面堆載與樁頂荷載同時(shí)加載的樁身軸力分布如圖5所示.由圖可知，地面堆載與樁頂荷載同時(shí)施加時(shí)，樁身軸力分布及變化規(guī)律與工況①相似，但樁身軸力較之工況①中軸力值大.

為進(jìn)一步分析不同施荷順序?qū)扼w軸力變化規(guī)律的影響，調(diào)出以上3種工況中堆載25 kPa及樁頂受500 kN樁頂荷載時(shí)的軸力分布曲線進(jìn)行比較分析，如圖6所示.

圖6 不同施荷順序下樁體軸力的分布曲線

由圖6可知，在樁僅受樁頂荷載作用時(shí)，樁側(cè)摩阻力為正而使樁體軸力沿樁深方向逐漸減小.地面堆載與樁頂加載的施荷順序?qū)扼w軸力分布的影響很大:工況②先地面堆載后樁頂加載比工況①先樁頂加載后地面堆載樁體軸力小得多，工況③同時(shí)加載的結(jié)果介于二者之間.由樁－土荷載傳遞機(jī)理分析，先地面堆載時(shí)，負(fù)摩阻力導(dǎo)致樁體下沉并暫時(shí)平衡，然后進(jìn)行樁頂加載，樁體的沉降使部分負(fù)摩阻力轉(zhuǎn)化為正摩阻力而導(dǎo)致樁體下拉荷載相對(duì)減小;先樁頂加載后地面堆載的情況下，樁側(cè)正摩阻力受堆載的影響直接轉(zhuǎn)換為負(fù)摩阻力而達(dá)到新的平衡.

4 結(jié)語(yǔ)

數(shù)值模擬結(jié)果表明，單樁在樁頂荷載作用下，樁側(cè)負(fù)摩阻力隨地面堆載等級(jí)的增大而增大;在先進(jìn)行地面堆載時(shí)，樁側(cè)負(fù)摩阻力則隨著樁頂荷載等級(jí)的增大而變小，負(fù)摩阻力逐漸轉(zhuǎn)化為正摩阻力.這與根據(jù)樁－土間荷載傳遞機(jī)理分析的結(jié)果相一致，可見利用FLAC3D對(duì)單樁負(fù)摩阻力進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)效果良好.

目前在樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算負(fù)摩阻力具有一定的近似性和經(jīng)驗(yàn)性，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試可準(zhǔn)確獲得樁側(cè)負(fù)摩阻力，但須耗費(fèi)大量人力、物力且受時(shí)間的制約.數(shù)值模擬能較好地反映樁－土的應(yīng)力、應(yīng)變性狀，故在模型參數(shù)選取合理時(shí)，可利用FLAC3D數(shù)值模擬反演現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，進(jìn)行負(fù)摩阻力的定性分析、定量計(jì)算，減少現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)次數(shù).

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