论文部分内容阅读
【摘要】利用FLAC3D模拟软土地基中地面堆载对桩侧负摩阻力的影响，分析不同堆载条件及加载次序下桩身轴力、单桩负摩阻力的变化规律。数值模拟结果表明，单桩在桩顶荷载作用下，桩侧负摩阻力随地面堆载等级的增大而增大；在先进行地面堆载时，桩侧负摩阻力则随着桩顶荷载等级的增大而减小。
【关键词】负摩阻力；变化规律；桩身轴力；FLAC3D
桩周土的沉降大于桩体的沉降，桩—土的相对位移（或者相对位移趋势）是形成负摩擦力的原因。桩的负摩阻力和沉降机制取决于桩与土之间相互作用的应力应变性状，这是一个十分复杂的问题。由于岩土条件的复杂多变，即使在现代实验测试技术和计算技术高度发展的情况下，许多问题仍未获得较为满意的解答[1]。影响桩负摩阻力的因素很多，现有的计算方法与公式都具有近似性和经验性，都很少考虑到土体应力应变的非线性[2]。笔者用快速拉格朗日法有限差分程序FLAC3D模拟软土地基中单桩负摩阻力的产生、发展机理，以期对这一问题做新的探究。
1 负摩阻力的产生机理及特性
负摩阻力产生、发展的过程是桩与土的沉降相互协调的过程[3]：桩土之间存在相对位移在正常情况下，桩顶受压下沉，这时桩侧的摩阻力方向向上为正摩阻力；如果土层相对桩侧有向下的位移，此时桩侧的向下摩阻力称为负摩阻力。产生负摩阻力的情况有很多，归结为：①欠固结软粘土或新填土的自重固结；②大面积堆载使桩周土层下沉；③地下水位降低造成桩周土下沉；④湿陷性黄土湿陷引起沉降；⑤打桩后孔隙水压力消散引起固结沉降；⑥地震液化。
2 桩基负摩阻力的研究现状
目前国内外关于桩基负摩阻力的研究主要集中在理论计算、现场试验、室内模型试验和数值模拟等几个方面。影响负摩阻力的因素很多，要精确地计算负摩阻力十分困难，国内外大都采用近似的经验公式估算，常用的主要有以下几种方法：有效应力法、标贯试验法、经验值法。大量试验与工程实测结果表明，以有效应力法计算负摩阻力较接近于实际。现场试验是获得桩侧负摩阻力大小和分布的最直接可靠的方法。但是，由于受工程工期、资金及负摩阻力时间效应的影响，现场试验需要投入较高成本。近年来，国内外学者在室内模型试验方面也进行了一系列研究，并取得了一定的成果。但室内模型只能部分反映某些较为简单的地质情况，其成果的适用范围有一定的局限性。随着计算机技术的提高，数值模拟技术在岩土工程界得到了广泛应用。如Lee等应用ABAQUS有限元软件，Kong等利用FLAC3D软件建立了单、群桩负摩阻力数值计算模型，分析了桩侧负摩阻力、桩身下拽力等的变化规律。在前人研究的基础上，笔者拟对软土中单桩的负摩阻力进行数值模拟，并着重分析地面堆载与桩顶荷载的加载顺序对桩身轴力的影响[4-5]。
3 单桩负摩阻力的FLAC3D数值模拟
作为一种基于三维显式有限差分法的数值分析程序，FLAC3D能较好地模拟岩土材料在达到强度极限或屈服极限时发生的破坏或塑性流动的力学行为，特别适用于分析渐进破坏和失稳以及模拟大变形。其强大的前后处理功能，方便用户在计算过程中的任何时刻用高分辨率的彩色或灰度图或数据文件输出结果，对结果进行实时分析，给出计算域的任意截面上的变量图或等直线图，且可以旋转计算域以便从不同的角度观测计算结果。
3.1 计算模型的建立
为了计算方便和便于比较，模型拟采用2层土体上部软粘土层厚20m，下部砂土层厚5m，桩设置在软土体内，桩长20m，半径0.25，不考虑地下水的影响。土体采用Mohr-Coulomb模型进行模拟；桩体用FLAC3D中内置实体pile单元建立，采用MODEL elastic模型；桩侧、桩端和土体接触面采用无厚度接触面单元，本构模型采用库仑剪切模型。本次模拟考虑实际情况，并借鉴前人的经验，桩端和桩侧接触面参数——法向刚度、切向刚度均取10GPa/m，粘聚力取30kPa，内摩擦角取20°。
为节约计算时间，取模型的一半进行模拟计算。模型长30m、宽15m、高25m，底部和侧面约束法向位移，相当于链杆约束，上部为自由边界。
3.2 FLAC3D数值模拟计算
计算模型建立后，赋予桩土材料的各力学参数，桩所在位置的值取为相应土层参数，计算至平衡。计算结束后，桩所在位置处的参数改变为桩本身的力学参数，再进行一次计算至桩土相互作用下的平衡，以此来模拟实际的打桩过程。该模拟是在软土地基单桩桩周土堆载作用下进行的，在桩土相互作用平衡的基础上，以在桩周土施加竖向均布荷载模拟实际堆载过程，并改变堆载条件进行单桩负摩阻力的模拟，按以下几种工况进行模拟计算：①单桩桩顶施加500kN竖向荷载，计算至平衡后，桩周土分级施加25，50，100，150，200kPa的竖向均布荷载以模拟堆载对桩顶荷载作用下桩体轴力及负摩阻力的影响；②桩周土施加25kPa竖向均布荷载，计算至平衡后，桩顶分级施加500，1000，1500，2000kN的竖向荷载，分析堆载条件下桩体轴力与桩顶荷载的关系；③桩顶施加500kN竖向荷载的同时在桩周土施加25，50，100，150，200kPa不同的竖向均布荷载，分析桩顶荷载与地面堆载同时施加情况下的单桩轴力分布及负摩阻力的变化规律。
4 结论
数值模拟结果表明，单桩在桩顶荷载作用下，桩侧负摩阻力随地面堆载等级的增大而增大；在先进行地面堆载时，桩侧负摩阻力则随着桩顶荷载等级的增大而变小，负摩阻力逐渐转化为正摩阻力。这与根据桩—土间荷载传递机理分析的结果相一致，可见利用FLAC3D对单桩负摩阻力进行数值模拟时效果良好。目前在桩基础设计时计算负摩阻力具有一定的近似性和经验性，现场测试可准确获得桩侧负摩阻力，但须耗费大量人力、物力且受时间的制约。数值模拟能较好地反映桩—土的应力、应变性状，故在模型参数选取合理时，可利用FLAC3D数值模拟反演现场试验，进行负摩阻力的定性分析、定量计算，减少现场试验次数。
参考文献
[1]孙文怀基础工程设计与地基处理[M].北京：中国建材工业出版社，1999
[2]陈福全，龚晓南，马时冬.桩的负摩阻力现场试验及三维有限元分析[J].建筑结构学报，2000，21（3）：77-80.
[3]高大钊，赵春风，徐斌.桩基础的设计方法与施工技术[M].北京：机械工业出版社，1999
[4]KONG Gangqiang，YANG Qing，LUAN Maotian.Loading sequence effects on dragload and downdrag for pile foundation [J].Trans Tianjin Univ，2010（16）：203-208.
[5]Lee C J，Lee J H，Lee J H，Jeong S. The influence of soil slip on negatrve skin friction in pile groups connected to a cap [J].Geotechnique，2006，56（1）：53-56.
【关键词】负摩阻力；变化规律；桩身轴力；FLAC3D
桩周土的沉降大于桩体的沉降，桩—土的相对位移（或者相对位移趋势）是形成负摩擦力的原因。桩的负摩阻力和沉降机制取决于桩与土之间相互作用的应力应变性状，这是一个十分复杂的问题。由于岩土条件的复杂多变，即使在现代实验测试技术和计算技术高度发展的情况下，许多问题仍未获得较为满意的解答[1]。影响桩负摩阻力的因素很多，现有的计算方法与公式都具有近似性和经验性，都很少考虑到土体应力应变的非线性[2]。笔者用快速拉格朗日法有限差分程序FLAC3D模拟软土地基中单桩负摩阻力的产生、发展机理，以期对这一问题做新的探究。
1 负摩阻力的产生机理及特性
负摩阻力产生、发展的过程是桩与土的沉降相互协调的过程[3]：桩土之间存在相对位移在正常情况下，桩顶受压下沉，这时桩侧的摩阻力方向向上为正摩阻力；如果土层相对桩侧有向下的位移，此时桩侧的向下摩阻力称为负摩阻力。产生负摩阻力的情况有很多，归结为：①欠固结软粘土或新填土的自重固结；②大面积堆载使桩周土层下沉；③地下水位降低造成桩周土下沉；④湿陷性黄土湿陷引起沉降；⑤打桩后孔隙水压力消散引起固结沉降；⑥地震液化。
2 桩基负摩阻力的研究现状
目前国内外关于桩基负摩阻力的研究主要集中在理论计算、现场试验、室内模型试验和数值模拟等几个方面。影响负摩阻力的因素很多，要精确地计算负摩阻力十分困难，国内外大都采用近似的经验公式估算，常用的主要有以下几种方法：有效应力法、标贯试验法、经验值法。大量试验与工程实测结果表明，以有效应力法计算负摩阻力较接近于实际。现场试验是获得桩侧负摩阻力大小和分布的最直接可靠的方法。但是，由于受工程工期、资金及负摩阻力时间效应的影响，现场试验需要投入较高成本。近年来，国内外学者在室内模型试验方面也进行了一系列研究，并取得了一定的成果。但室内模型只能部分反映某些较为简单的地质情况，其成果的适用范围有一定的局限性。随着计算机技术的提高，数值模拟技术在岩土工程界得到了广泛应用。如Lee等应用ABAQUS有限元软件，Kong等利用FLAC3D软件建立了单、群桩负摩阻力数值计算模型，分析了桩侧负摩阻力、桩身下拽力等的变化规律。在前人研究的基础上，笔者拟对软土中单桩的负摩阻力进行数值模拟，并着重分析地面堆载与桩顶荷载的加载顺序对桩身轴力的影响[4-5]。
3 单桩负摩阻力的FLAC3D数值模拟
作为一种基于三维显式有限差分法的数值分析程序，FLAC3D能较好地模拟岩土材料在达到强度极限或屈服极限时发生的破坏或塑性流动的力学行为，特别适用于分析渐进破坏和失稳以及模拟大变形。其强大的前后处理功能，方便用户在计算过程中的任何时刻用高分辨率的彩色或灰度图或数据文件输出结果，对结果进行实时分析，给出计算域的任意截面上的变量图或等直线图，且可以旋转计算域以便从不同的角度观测计算结果。
3.1 计算模型的建立
为了计算方便和便于比较，模型拟采用2层土体上部软粘土层厚20m，下部砂土层厚5m，桩设置在软土体内，桩长20m，半径0.25，不考虑地下水的影响。土体采用Mohr-Coulomb模型进行模拟；桩体用FLAC3D中内置实体pile单元建立，采用MODEL elastic模型；桩侧、桩端和土体接触面采用无厚度接触面单元，本构模型采用库仑剪切模型。本次模拟考虑实际情况，并借鉴前人的经验，桩端和桩侧接触面参数——法向刚度、切向刚度均取10GPa/m，粘聚力取30kPa，内摩擦角取20°。
为节约计算时间，取模型的一半进行模拟计算。模型长30m、宽15m、高25m，底部和侧面约束法向位移，相当于链杆约束，上部为自由边界。
3.2 FLAC3D数值模拟计算
计算模型建立后，赋予桩土材料的各力学参数，桩所在位置的值取为相应土层参数，计算至平衡。计算结束后，桩所在位置处的参数改变为桩本身的力学参数，再进行一次计算至桩土相互作用下的平衡，以此来模拟实际的打桩过程。该模拟是在软土地基单桩桩周土堆载作用下进行的，在桩土相互作用平衡的基础上，以在桩周土施加竖向均布荷载模拟实际堆载过程，并改变堆载条件进行单桩负摩阻力的模拟，按以下几种工况进行模拟计算：①单桩桩顶施加500kN竖向荷载，计算至平衡后，桩周土分级施加25，50，100，150，200kPa的竖向均布荷载以模拟堆载对桩顶荷载作用下桩体轴力及负摩阻力的影响；②桩周土施加25kPa竖向均布荷载，计算至平衡后，桩顶分级施加500，1000，1500，2000kN的竖向荷载，分析堆载条件下桩体轴力与桩顶荷载的关系；③桩顶施加500kN竖向荷载的同时在桩周土施加25，50，100，150，200kPa不同的竖向均布荷载，分析桩顶荷载与地面堆载同时施加情况下的单桩轴力分布及负摩阻力的变化规律。
4 结论
数值模拟结果表明，单桩在桩顶荷载作用下，桩侧负摩阻力随地面堆载等级的增大而增大；在先进行地面堆载时，桩侧负摩阻力则随着桩顶荷载等级的增大而变小，负摩阻力逐渐转化为正摩阻力。这与根据桩—土间荷载传递机理分析的结果相一致，可见利用FLAC3D对单桩负摩阻力进行数值模拟时效果良好。目前在桩基础设计时计算负摩阻力具有一定的近似性和经验性，现场测试可准确获得桩侧负摩阻力，但须耗费大量人力、物力且受时间的制约。数值模拟能较好地反映桩—土的应力、应变性状，故在模型参数选取合理时，可利用FLAC3D数值模拟反演现场试验，进行负摩阻力的定性分析、定量计算，减少现场试验次数。
参考文献
[1]孙文怀基础工程设计与地基处理[M].北京：中国建材工业出版社，1999
[2]陈福全，龚晓南，马时冬.桩的负摩阻力现场试验及三维有限元分析[J].建筑结构学报，2000，21（3）：77-80.
[3]高大钊，赵春风，徐斌.桩基础的设计方法与施工技术[M].北京：机械工业出版社，1999
[4]KONG Gangqiang，YANG Qing，LUAN Maotian.Loading sequence effects on dragload and downdrag for pile foundation [J].Trans Tianjin Univ，2010（16）：203-208.
[5]Lee C J，Lee J H，Lee J H，Jeong S. The influence of soil slip on negatrve skin friction in pile groups connected to a cap [J].Geotechnique，2006，56（1）：53-56.