基于靜壓預(yù)制樁靜載試驗(yàn)的土體參數(shù)反演分析

張 浩

(河南省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，河南 鄭州 450007)

基于靜壓預(yù)制樁靜載試驗(yàn)的土體參數(shù)反演分析

張 浩

(河南省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，河南 鄭州 450007)

近些年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)不斷發(fā)展，我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的規(guī)模愈來(lái)愈大。在土建、交通、水利等工程建設(shè)中會(huì)經(jīng)常遇到軟土地基，軟土地基的處理方法層出不窮，許多經(jīng)濟(jì)、快速、有效的實(shí)用的方法在工程中已得到較廣泛應(yīng)用，靜壓預(yù)制樁復(fù)合地基就是這類方法中較典型的一種。本文結(jié)合某工程，對(duì)工程中所用的預(yù)制樁進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)，并采用有限元法對(duì)預(yù)制樁單樁復(fù)合地基進(jìn)行數(shù)值分析，反演土體參數(shù)，計(jì)算結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)值較貼近。

靜壓預(yù)制樁；靜載荷試驗(yàn)；有限元分析；參數(shù)反演。

在軟土地基處理中，靜壓預(yù)制樁具有諸多優(yōu)點(diǎn)：①施工時(shí)無(wú)噪音、無(wú)振動(dòng)，適于對(duì)噪音有限制的市內(nèi)住宅區(qū)作業(yè)；②施工時(shí)引起的土體隆起和水平擠動(dòng)較小，適于居民密集、周圍舊房、危房、精密儀器機(jī)房、岸邊和地下管線多的場(chǎng)地施工；③靜壓法可使預(yù)制樁端和樁身免受拉、壓、剪、扭等復(fù)合應(yīng)力，因此樁的配筋量可大大減少；④壓樁力可隨時(shí)測(cè)定、調(diào)整，比較保證樁的承載力；⑤沉樁深度較大，且樁身質(zhì)量可靠；⑥無(wú)需排污，場(chǎng)地干凈，有利于實(shí)現(xiàn)文明施工；⑦工期易控制，總體經(jīng)濟(jì)效益較好[1]。因此靜壓預(yù)制樁加固軟土地基切實(shí)可行，并得到較廣泛應(yīng)用。

本文結(jié)合某個(gè)實(shí)際工程，對(duì)預(yù)制樁做靜載試驗(yàn)，運(yùn)用ABAQUS大型計(jì)算軟件對(duì)預(yù)制樁復(fù)合地基進(jìn)行了三維有限元數(shù)值模擬，反演土體的參數(shù)，并與經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比。

1 工程概況及靜載試驗(yàn)

1.1 工程概況

某工程擬建場(chǎng)地地基土承載力較低，不能滿足設(shè)計(jì)要求，故設(shè)計(jì)采用靜壓預(yù)制樁進(jìn)行加固處理。經(jīng)原體試驗(yàn)完成3根試樁和8根錨樁。

層①粉土，褐黃色為主，含云母、鐵錳質(zhì)斑點(diǎn)；稍密為主，濕；高壓縮性。局部地段表層見(jiàn)素填土。該層厚度1.1m～2.5m，層底埋深1.1m～2.5m，層底標(biāo)高67.41m～70.45m。

層②粉質(zhì)粘土，淺黃色為主，含云母、鐵質(zhì)；流塑～軟塑狀態(tài)；高壓縮性。該層厚度1.1m～3.1m，層底埋深2.5m～4.7m，層底標(biāo)高65.80m～67.61m。

層③粉土，褐黃、灰黃色，含鐵質(zhì)、錳質(zhì)結(jié)核；稍密～中密，濕～很濕；中等(偏高)壓縮性。從原位測(cè)試成果看，該層不均勻性明顯。該層厚度0.9m～3.6m，層底埋深4.1m～6.6m，層底標(biāo)高63.67m～65.83m。

層④粉質(zhì)粘土，褐黃、灰黃色，含鐵質(zhì)、錳質(zhì)；軟塑狀態(tài)為主；中等(偏高)壓縮性。該層厚度0.7m～3.0m，層底埋深6.0m～8.0m，層底標(biāo)高62.17m～64.15m。

層⑤粉土，灰黃、灰色，含鐵質(zhì)、云母；稍密～中密，很濕；中等(偏高)壓縮性。該層不均勻性明顯。該層厚度1.2m～3.4m,層底埋深8.0m～10.6m，層底標(biāo)高59.88m～62.09m。

層⑥粉質(zhì)粘土，灰色為主，含鐵質(zhì)、錳質(zhì)結(jié)核；軟塑狀態(tài)(局部流塑)；中等～高壓縮性。局部地段夾稍密～中密的粉土薄層。該層厚度0.5m～2.3m，層底埋深9.2m～12.0m，層底標(biāo)高58.36m～61.09m。

《國(guó)家水土保持監(jiān)管規(guī)劃（2018－2020年）》的規(guī)劃任務(wù)如下：一是對(duì)26.86萬(wàn)平方公里生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目集中區(qū)域和418個(gè)部管在建生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目開(kāi)展“天地一體化”監(jiān)管，及時(shí)發(fā)現(xiàn)違法違規(guī)行為。二是對(duì)134個(gè)在建和48個(gè)竣工國(guó)家水土保持重點(diǎn)治理項(xiàng)目開(kāi)展“圖斑精細(xì)化”監(jiān)管，準(zhǔn)確掌握水土保持重點(diǎn)工程建設(shè)進(jìn)度、措施數(shù)量和實(shí)施效果。三是完成48個(gè)水土保持重要監(jiān)測(cè)點(diǎn)升級(jí)改造，提升自動(dòng)化觀測(cè)和信息傳輸能力。四是開(kāi)展水土保持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)更新、系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)、監(jiān)管設(shè)備配置、信息化技術(shù)培訓(xùn)等監(jiān)管能力建設(shè)。

層⑦粉土，灰色為主，含鐵質(zhì)、錳質(zhì)；中密～稍密，濕；中等(偏高)壓縮性。該層不均勻性明顯。該層厚度0.6m～4.0m，層底埋深10.4m～14.0m，層底標(biāo)高56.48m～59.60m。

層⑧粉質(zhì)粘土，灰色、灰黃色，含鐵質(zhì)、錳質(zhì)結(jié)核；軟塑狀態(tài)(局部可塑)；中等～高壓縮性。該層厚度0.5m～4.0m，層底埋深12.7m～15.8m，層底標(biāo)高54.48m～57.76m。

層⑨粉土，灰黃色，含云母、鐵質(zhì)斑點(diǎn)；中密～密實(shí)，濕；中等壓縮性。局部粘粒含量高。該層厚度1.0m～4.5m,層底埋深15.0m～18.0m，層底標(biāo)高52.30m～54.98m。

層⑩粉質(zhì)粘土，黑色，灰黑色，含炭質(zhì)、有機(jī)質(zhì)；軟塑～可塑狀態(tài)；中等(偏高)壓縮性。局部為中密～稍密的粉土。該層厚度0.4m～1.5m，層底埋深16.1m～18.8m，層底標(biāo)高51.50m～53.88m。

層（11）粉土，灰白、灰黃色，含云母、鐵質(zhì)，見(jiàn)小姜石；中密～密實(shí)，濕；中等(偏高)壓縮性。局部夾可塑狀態(tài)的粉質(zhì)粘土薄層。該層在冷卻塔地段北部缺失。該層厚度0.5m～3.1m，層底埋深17.2m～20.4m，層底標(biāo)高49.49m～52.78m。

層（12）粉質(zhì)粘土，灰黃色，含云母、鐵質(zhì)，見(jiàn)小姜石；可塑狀態(tài)；中等壓縮性。局部為中密的粉土。該層厚度0.5m～3.0m，層底埋深20.2m～22.6m，層底標(biāo)高47.54m～50.15m。

層（13）粉土，灰黃色，含云母、鐵質(zhì)；稍密，很濕；高壓縮性。該層厚度0.2m～1.7m，層底埋深18.1m～21.6m，層底標(biāo)高48.39m～51.88m。

層（14）細(xì)砂，灰黃、黃色，主要成分為石英，分選較差，粘粒含量不均勻；密實(shí)～中密，飽和；低壓縮性。該層厚度10.0m～15.0m，層底深度31.5m～35.4m，層底標(biāo)高34.58m～38.94 m；頂板標(biāo)高46.34m～50.22m。

層（15）粉質(zhì)粘土，褐黃色，硬塑～可塑狀態(tài)；中等壓縮性。該層厚度0.5m～1.0m,層底深度22.7m～23.8m，層底標(biāo)高46.97m～47.89m。

層（16）粉土，灰黃、棕黃色，含鐵質(zhì)、錳質(zhì)結(jié)核和云母；中密，濕；中等壓縮性。該層厚度1.9m～8.4m，層底深度34.1m～40.9m，層底標(biāo)高29.43m～35.81m。

層（17）細(xì)砂，灰黃、黃色，主要成分為石英，分選較差；密實(shí)，飽和；低壓縮性。局部地段底部48.0m～50.0m。揭露可塑狀態(tài)的粉質(zhì)粘土。揭露最大厚度15.0m。

1.2 靜載荷試驗(yàn)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)3根試樁進(jìn)行了單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)，各單樁復(fù)合地基試驗(yàn)點(diǎn)基樁樁號(hào)分別為S1、S2、S3。單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)遵循《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》(JGJ106-2003)，采用“慢速維持荷載法”，即逐級(jí)加載，在每級(jí)荷載作用下達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)后加下一級(jí)荷載，將最大試驗(yàn)荷載按10級(jí)等量劃分，每級(jí)荷載增量為總加載量的1/10，其中第一級(jí)可取分級(jí)荷載的2倍即為800kN來(lái)進(jìn)行施加。由此所得靜壓預(yù)制樁單樁豎向靜載試驗(yàn)成果見(jiàn)表1。

表1 靜壓預(yù)制樁單樁豎向靜載試驗(yàn)成果

2 有限元參數(shù)反分析

2.1 計(jì)算模型

采用大型有限元軟件ABAQUS僅對(duì)S2#樁進(jìn)行沉降的3D計(jì)算分析。S2#樁為截面邊長(zhǎng)0.4m的方樁，樁長(zhǎng)為21.0m，入土樁為19.6m。在建立計(jì)算模型時(shí)，采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元。由于混凝土樁體的模量遠(yuǎn)大于樁間土的模量，所以在計(jì)算時(shí)將預(yù)制樁視為線彈性材料，將土體作為非線性材料考慮，使用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型。因在加載時(shí)樁體和土體間通過(guò)摩擦力調(diào)整它們之間的應(yīng)力分布，故在樁體和土體之間設(shè)置接觸單元，進(jìn)行接觸分析。接觸單元采用無(wú)厚度單元。進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，因接觸面處兩種材料性質(zhì)相差很大，單元尺寸應(yīng)盡可能取小值，遠(yuǎn)離接觸面以及樁體以下土體單元尺寸可以適當(dāng)增大[2-4]。有限元計(jì)算模型如圖1所示，土體取20m×20m×40m的塊體范圍，模型共劃分94100個(gè)單元。其中，樁體劃分單元420個(gè)。樁體材料屬性見(jiàn)表2。將土體簡(jiǎn)化為1層，待反演的土體參數(shù)包括壓縮模量Es、密度ρ、泊松比 μ、凝聚力C與內(nèi)摩擦角φ。

2.2 關(guān)于初始地應(yīng)力的問(wèn)題

在巖土工程數(shù)值計(jì)算中，初始地應(yīng)力場(chǎng)是必須予以重視的問(wèn)題。這主要是基于以下三個(gè)方面的原因：

⑴巖土工程的特點(diǎn)決定了分析手段多為增量分析，在增量分析中，分析域內(nèi)的應(yīng)力總是由應(yīng)力增量加上初始應(yīng)力而得，即初始地應(yīng)力從一開(kāi)始就影響了分析過(guò)程；

⑵巖土材料的剛度和應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)；

⑶在開(kāi)挖分析中，開(kāi)挖導(dǎo)致的荷載是通過(guò)開(kāi)挖之前的應(yīng)力計(jì)算的，為了計(jì)算開(kāi)挖荷載，必須首先知道初始應(yīng)力狀態(tài)[5]。

首先，要確定加荷前初始的應(yīng)力狀態(tài)。地層中的初始地應(yīng)力主要是由于巖土體的自重和地質(zhì)構(gòu)造作用的結(jié)果，是地層處于天然條件下所具有的內(nèi)應(yīng)力。對(duì)于樁土接觸作用問(wèn)題來(lái)說(shuō)，樁土接觸面上的接觸壓力也來(lái)自于地應(yīng)力。因此，在有限元計(jì)算之前，應(yīng)該首先形成土中的地應(yīng)力場(chǎng)。本文工程背景區(qū)域?qū)儆诘谒募o(jì)覆蓋層，地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)不活躍，地基土是覆蓋層深厚的粘土和砂土，所以可以近似地認(rèn)為地應(yīng)力是由土體自重引起的，可應(yīng)用彈性半空間重力作用下求解應(yīng)力分量的原理來(lái)形成地應(yīng)力場(chǎng)。

在獲得了初始應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律之后，接下來(lái)的問(wèn)題就是如何在有限元模型中施加。不管采取何種方式施加初始應(yīng)力場(chǎng)，必須滿足平衡條件：是指由應(yīng)力場(chǎng)形成的等效節(jié)點(diǎn)荷載要和外荷載相平衡，如果平衡條件得不到滿足，將不能得到一個(gè)位移為零的初始狀態(tài)，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力場(chǎng)也不再是所施加的初始應(yīng)力場(chǎng)。

對(duì)于ABAQUS來(lái)說(shuō)，它的平衡地應(yīng)力的方法有兩種。一種是直接將重力荷載作用于有限元模型，并施加相應(yīng)的邊界約束，計(jì)算得到在重力荷載下的應(yīng)力場(chǎng)，輸出為特定的格式，再將得到的應(yīng)力場(chǎng)和重力荷載一起施加于原始有限元模型，這樣就可以得到一個(gè)滿足平衡條件的沒(méi)有位移的初始應(yīng)力場(chǎng)。另一種是根據(jù)彈性半空間重力作用下求解應(yīng)力分量的原理來(lái)求解土體的自重應(yīng)力，然后在ABAQUS的input文件里輸入命令，例： *INITIAL CONDITIONS,TYPE=STRESS，GEOSTATIC

SOIL,0,0,-1500000,-100,0.4

這一種方法比較適合地表是水平的計(jì)算模型，而且不需另外用程序計(jì)算土體的自重應(yīng)力，簡(jiǎn)單適用。而本文的計(jì)算模型地表是水平的，所以采用后一種方法來(lái)形成地基土體的初始應(yīng)力場(chǎng)。

2.3 反分析結(jié)果

通過(guò)模擬靜荷載試驗(yàn)，利用原位基樁靜力載荷試驗(yàn)荷載與沉降的關(guān)系進(jìn)行了反演分析。加荷到4000kN時(shí)樁體與土體的沉降云圖見(jiàn)圖1，由圖中可以看出，樁體的最大沉降值達(dá)到16.6mm，同靜載試驗(yàn)值基本吻合。在水平方向上，樁周土體的沉降隨土體到樁體距離的增大而逐漸減?。辉谪Q直方向上，樁底周圍土體沉降達(dá)到最大，樁底以下隨深度的增加土體沉降逐漸減小，深度大于30m的土體基本上不受影響。由此得到的土體參數(shù)值見(jiàn)表3，表中土體參數(shù)值比較貼近經(jīng)驗(yàn)值，且略大于經(jīng)驗(yàn)值，這是因?yàn)殪o壓預(yù)制樁在被壓入土體的過(guò)程中會(huì)對(duì)周圍土體有擠密作用，增大了土體的參數(shù)，因此利用ABAQUS軟件進(jìn)行有限元模擬可作為一種工程校核的參考手段。

圖1 樁體與土體的沉降云圖(單位：m)

表3土體參數(shù)反演結(jié)果

3 結(jié)論

⑴利用有限元模擬靜荷載試驗(yàn)得出：在水平方向上，樁周土體的沉降隨土體到樁體距離的增大而逐漸減小；在豎直方向上，樁底周圍土體沉降達(dá)到最大，樁底以下隨深度的增加土體沉降逐漸減小。

⑵利用有限元模擬靜壓預(yù)制樁的靜荷載試驗(yàn)，可以較好地反映樁體在被壓入土體的過(guò)程中對(duì)周圍土體的擠密作用。

⑶利用ABAQUS軟件進(jìn)行反演所得的土體參數(shù)比較貼近經(jīng)驗(yàn)值,因此可以利用有限元模擬在類似地基土條件下靜壓預(yù)制樁的靜載試驗(yàn)，具有一定的實(shí)際意義。

[1]萬(wàn)金山．預(yù)制樁靜壓施工技術(shù)在軟土地基中的應(yīng)用[J]．探礦工程，1994．

[2]馬福雷，程興遠(yuǎn)，張革軍．粉噴樁加固地基有限元計(jì)算與實(shí)測(cè)對(duì)比分析[J]．山西建筑，2006，32(23)．

[3]徐斌，王大通，高大釗．群樁沉降驗(yàn)算中接觸單元模型應(yīng)用的若干問(wèn)題[J]．同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，26(2)．

[4]殷宗澤，朱弘，許國(guó)華．土與結(jié)構(gòu)材料接觸面的變形及其數(shù)學(xué)模擬[J]．巖土工程學(xué)報(bào)，1998，20(6)．

[5]王金昌，陳頁(yè)開(kāi)．ABAQUS在土木工程中的應(yīng)用[M]．浙江：浙江大學(xué)出版社，2006．

Soil’s Parameter Inversion and Analysis Based on Static Pressure Precast Concrete Pile's Static Loading Test

ZHANG Hao
(Henan Electric Power Survey & Design Institute, Zhengzhou 450007, China)

With the constant enlargement of the basic civil engineering in our country, and more highways, bridges, houses, and so on, need to be built on the soft ground. There are various methods for managing soft ground, and many economical and effective methods have been widely used in engineering, Static pressure precast concrete pile method is one of these methods. In this paper,the static loading test is done to the static pressure precast concrete piles which are used in the Engineering, and the numerical evaluation calculation on the single static pressure precast concrete pile composite foundation is made by means of the finite element method (FEM), then inverse the soil's parameters. The results close to the empirical values.

static pressure precast concrete pile; static loading test; fi nite element analysis; parameter inversion.

TU4

B

1671-9913(2011)02-0019-04

2010-02-18

張浩(1982- )，男，河南新鄉(xiāng)人，研究生學(xué)歷，助理工程師，主要研究方向?yàn)閹r土工程。