黃土濕陷變形對樁基承載力的影響數值分析

李艷紅，張凱強

（1.重慶交通大學土木學院，重慶400074；2.重慶市地質礦產勘查開發局208水文地質工程地質隊（重慶市地質災害防治工程勘查設計院），重慶400700）

黃土濕陷變形對樁基承載力的影響數值分析

李艷紅1，張凱強2

（1.重慶交通大學土木學院，重慶400074；2.重慶市地質礦產勘查開發局208水文地質工程地質隊（重慶市地質災害防治工程勘查設計院），重慶400700）

影響樁基承載力的因素眾多，為了探究在濕陷性黃土層發生增濕變形情況下各種因素對樁基承載力的影響，文章應用FLAC3D不同樁頂荷載等級、濕陷變形土層深度、濕陷變形強弱等因素進行分析。

樁基承載力；黃土增濕變形；FLAC3D

1 基本模型

文章采用FLAC3D 3.0進行所有模型的數值模擬。對于樁周土體濕陷變形的模擬采用模量折減法。樁長20m，樁徑800mm，樁身采用C30混凝土。土層0～15m為濕陷性黃土，15～30m為角礫土。在FLAC3D中，參數的選取不是常用的楊氏模量E及泊松比ν，而是體積模量K和剪切模量G，K、G與E、ν之間的轉換關系式如下：

模型中樁土的基本信息為如表1所示。

表1 模型中樁土的基本信息

考慮到模型的對稱性，為了減少運算步數，取樁土1/4模型，為了模擬樁土間的作用，接觸面建議采用移來移去法，先分別建立樁、土模型，在土體上建立接觸面，然后將樁移到制定位置。關于接觸面參數的選取，參考文獻中，選取接觸面相鄰區域“最硬”土層的等效剛度的10倍，即：

式中，K是體積模量，G是剪切模量，ΔZmin是接觸面法向方向上連接區域上最小尺寸。可以發現，隨著垂直于接觸面的最小單元尺寸的減小，接觸面的計算剛度將增加。

2 濕陷變形變形強弱對樁基承載力的影響

由濕陷系數計算的濕陷變形量是充分飽和后的最終濕陷變形，而工程中遇到的濕陷變形往往是沿土層深度達到不同含水量的增濕變形總和。文章為了研究增濕變形強弱對樁基承載力的影響，建立了濕陷強度不同的三種工況，濕陷深度均為15m。

濕陷性黃土在含水量增加的情況下其容重增加、壓縮模量減小［f］，粘聚力和內摩擦角也分別減小。文章通過對土體重度的增加，和壓縮模量及抗剪強度參數的減小來模擬因含水量增加引起的黃土濕陷變形。具體參數選擇如表2所示。

表2 因含水量增加引起的黃土濕陷變形參數

圖1 濕陷強度不同的三種工況與正常靜載荷試驗下樁基極限承載力比較

圖1為在400kN的工作荷載下，濕陷強度不同的三種工況與正常靜載荷試驗下樁基極限承載力比較，隨著土體濕陷強度的增強，由濕陷引起的樁頂附加荷載也不斷增大，分別為9.38mm、31.58mm、59.83mm，而未發生濕陷的樁基在400kN工作荷載下發生的樁頂位移僅為0.39mm。可見由濕陷性黃土濕陷變形引起的附加位移不能被忽視。并且隨著樁側土體濕陷強度的增加，樁基的極限承載力也逐漸減小。

3 不同等級荷載下濕陷對樁基承載力的影響

為了探究在不同樁頂荷載下，樁周土體濕陷變形對樁基承載力的影響，文章選取了在樁頂荷載分別為400kN、600 kN、800kN的工作狀態下進行樁側土體濕陷的模擬。具體的荷載沉降Q-s曲線如圖2所示。

圖2 荷載沉降Q-s曲線

從圖2可以看出，與不發生濕陷的情況相比，發生濕陷的樁基極限承載力都有所減小，并且對承載力的影響很大。對比樁頂荷載為400kN、600kN、800kN下發生樁周土體濕陷的樁基，樁頂因濕陷引起的位移分別為31.58mm、31.94mm、35.14mm，可見，樁頂荷載越大，有樁周土體濕陷變形引起的附加樁頂位移量越大。對于樁基的極限承載力，也隨著樁頂位移的增大而減小。

4 濕陷變形土層深度對樁基承載力的影響

本節模擬了樁周土體濕陷變形的深度對樁基承載力的影響，對比工況分別為不濕陷，0～5m發生濕陷，0～10m發生濕陷，0～15m發生濕陷。荷載沉降Q-s曲線變化如圖3所示。

圖3 荷載沉降Q-s曲線變化

從圖3中可以看出，隨著濕陷變形深度的增加，樁基的極限承載能力不斷減小。樁周土濕陷變形引起的樁頂位移隨濕陷深度的增加而增大，從15m深度范圍內全部發生濕陷的曲線來看，對于摩擦樁，樁周土體濕陷深度過大即可能引起樁體失穩。

［1］文華.濕陷性黃土地基中矩形閉合型地下連續墻橋梁基礎負摩阻力作用機理研究［D］.成都：西南交通大學，2008.

［2］孫書偉,林杭,任連偉.FLAC3D在巖土工程中的應用［M］北京：中國水利水電出版社，2011.

［3］張茂花，謝永利，劉寶健.基于割線模量法的黃土濕陷變形本構關系研究［J］.巖石力學與工程學報，2006，25（3）.

［4］余雄飛,朱瑞成等.新疆黃土的工程性質［M］.烏魯木齊：新疆人民出版社，1994.

Numerical Analysis of Influence of Loose Collapsible Deformation on Bearing Capacity of Pile Foundation

Li Yan-hong，ZHANG Kai-qiang2
（1.School of Civil Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China；2.Geological and Mineral Exploration and Development Bureau of Chongqing Municipality 208 Geological and Geological Engineering Geological Team（Chongqing Geological Hazard Control Engineering Survey and Design Institute），Chongqing 400700，China）

In order to explore the influence of various factors on the bearing capacity of pile foundation under the condition of humidification and deformation in the collapsible loess layer，the paper uses FLAC3D different pile top load grade，depth of the layer，the thickness of the deformation and other factors to analyze.

pile bearing capacity；loess humidification deformation；FLAC3D

TU473.1

A

2095-980X（2017）03-0094-02

2017-02-08

李艷紅，主要研究方向：工程施工。