基于單樁豎向靜載荷試驗(yàn)的地質(zhì)參數(shù)反演分析

王俊嶺，景國金

機(jī)械工業(yè)第四設(shè)計(jì)研究院有限公司

基于單樁豎向靜載荷試驗(yàn)的地質(zhì)參數(shù)反演分析

王俊嶺，景國金

機(jī)械工業(yè)第四設(shè)計(jì)研究院有限公司

樁基靜載試驗(yàn)是巖土工程中目前確定單樁承載力特征值的最可靠的方法之一，本文基于單樁豎向靜載荷試驗(yàn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，基于有限差分方法，利用FLAC3D建立單樁豎向靜載荷試驗(yàn)的數(shù)值模型，通過分級(jí)加載計(jì)算直至滿足終止加載條件，在每一個(gè)計(jì)算步后分別對(duì)比數(shù)值計(jì)算數(shù)據(jù)與試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，并不斷修正土體的關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)從而使數(shù)值計(jì)算曲線與試驗(yàn)實(shí)測(cè)曲線在規(guī)定的誤差精度范圍之內(nèi)，即可得到相應(yīng)土層的關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)。實(shí)際算例表明，本文所提處的地質(zhì)參數(shù)反演方法是正確的、有效的，對(duì)工程勘察和設(shè)計(jì)中巖土體地質(zhì)參數(shù)的取值具有積極的價(jià)值和意義。

靜載試驗(yàn)；地質(zhì)參數(shù)；反演分析

1、引論

在巖土工程中，反演分析可分為三種：逆分析法、直接分析法和概率統(tǒng)計(jì)法。逆分析法是正分析的逆向解析推演，通過某種變換推導(dǎo)，將要反分析的參數(shù)從原方程中分離出來，這種方法穩(wěn)定性好，速度快，計(jì)算量少，但它推導(dǎo)過程復(fù)雜，通用性不強(qiáng)，目前應(yīng)用很少。直接分析法是通過不斷地調(diào)整系統(tǒng)地參數(shù)，使計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的差值最小。這種方法不需要像逆分析法那樣重新推導(dǎo)原方程，而只要將正分析方法作為一個(gè)子程序直接調(diào)用，所以具有較大的適用性。概率統(tǒng)計(jì)法可以用來研究實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的測(cè)量誤差對(duì)反分析得到參數(shù)的影響，也可用來研究地基中土層分布的不確定性以及地基中土的力學(xué)性質(zhì)在空間的變化情況[1,2]。

確定單樁豎向承載力特征值是樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，除了對(duì)試樁進(jìn)行單樁豎向靜載荷試驗(yàn)以外，也經(jīng)常根據(jù)理論公式進(jìn)行承載力特征值的估算，此時(shí)，地質(zhì)參數(shù)的可靠程度直接影響了理論計(jì)算的精度。文獻(xiàn)[3]是利用有限單元法對(duì)預(yù)制樁靜壓過程獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，反演得到的樁土力學(xué)參數(shù)，不但可以驗(yàn)證地質(zhì)勘探報(bào)告的準(zhǔn)確性，確定樁周土體的實(shí)際側(cè)摩阻力，對(duì)基樁樁長設(shè)計(jì)起指導(dǎo)作用，確定適宜的樁端持力層、樁端進(jìn)入持力層的合理深度，同時(shí)也可用于預(yù)測(cè)類似場(chǎng)地中不同直徑和長度樁的荷載-沉降特性。

2、數(shù)值模擬靜載試驗(yàn)

本文基于有限差分方法，運(yùn)用FLAC3D首先建立單樁豎向靜載荷試驗(yàn)的數(shù)值計(jì)算模型[3]，然后通過與實(shí)測(cè)的靜載試驗(yàn)曲線進(jìn)行對(duì)比擬合而不斷修正相應(yīng)計(jì)算參數(shù)，如果誤差滿足所需要的精度要求，即可確定相應(yīng)土層的地質(zhì)參數(shù)，其反演分析流程如圖1所示。

2.1 建立地基土模型

對(duì)于靜載荷試驗(yàn)而言，局部影響范圍內(nèi)往往是簡單的地形地貌，且以水平地表為主，因此在FLAC3D中可以用規(guī)則的六面體網(wǎng)格來構(gòu)造地基模型，同樣也可以構(gòu)建由不同土層組成的的地基模型。

以摩爾庫倫本構(gòu)模型作為巖土體的主要材料參數(shù)模型。摩爾庫倫本構(gòu)模型本質(zhì)上是彈塑性模型，共有6個(gè)參數(shù)，即彈性體變模量K、彈性切變模量G、內(nèi)聚力c、內(nèi)摩擦角?、剪脹角?和抗拉強(qiáng)度σt。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及有關(guān)文獻(xiàn)，內(nèi)摩擦角?的敏感性較高，內(nèi)聚力次之，因此在本文中迭代調(diào)整巖土參數(shù)以擬合實(shí)測(cè)曲線時(shí)，以調(diào)整內(nèi)摩擦角的參數(shù)為主。

2.2 建立樁模型

樁基礎(chǔ)相對(duì)于土體材料，其材料剛度較大，通常選用彈性模型，同時(shí)取相對(duì)較大的地質(zhì)參數(shù)值。其中彈性體變模量K、彈性切變模量G與彈性模量E和泊松比μ的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

2.3 建立樁土接觸面模型

建立樁土接觸模型是成功進(jìn)行數(shù)值模擬單樁豎向靜載荷試驗(yàn)的關(guān)鍵。接觸面單元通過接觸面節(jié)點(diǎn)和實(shí)體單元表面之間建立聯(lián)系。接觸面的接觸性體現(xiàn)在接觸面節(jié)點(diǎn)上，并且接觸力僅在節(jié)點(diǎn)上傳遞。

對(duì)于庫倫滑動(dòng)的接觸面單元，存在兩種狀態(tài)：相互接觸和相對(duì)滑動(dòng)。當(dāng)接觸面上的切向力小于最大切向力，接觸面處于彈性階段；當(dāng)接觸面上的切向力等于最大切向力，接觸面進(jìn)入塑性階段。

如果接觸面上存在拉應(yīng)力并且超過了接觸面上的抗拉強(qiáng)度，那么接觸面就會(huì)破壞，切向力和法向力就會(huì)為零。默認(rèn)情況下，抗拉強(qiáng)度為零。因此，在法向上存在兩種接觸狀態(tài)：張開和閉合。對(duì)于剛性差異較大的兩種材料，通常要求無拉伸和無嵌入兩個(gè)條件來保證接觸計(jì)算的正確和接觸狀態(tài)的正常。

2.4 分級(jí)加載

按照靜載荷試驗(yàn)在樁頂分級(jí)加載，計(jì)算結(jié)束后提取每級(jí)荷載下的樁頂位移，繪制P-S曲線。采用應(yīng)力加載法，每加一級(jí)荷載，求解計(jì)算并監(jiān)測(cè)輸出其樁頂位移，然后依次加載，直至達(dá)到樁破壞條件。

2.5 與靜載試驗(yàn)實(shí)測(cè)P-S曲線對(duì)比

如誤差較大，修改參數(shù)重新計(jì)算，直至計(jì)算曲線與實(shí)測(cè)曲線的誤差在給定的范圍內(nèi)為止。為了保證計(jì)算的結(jié)果盡可能地與實(shí)測(cè)結(jié)果保持一致，在每加一級(jí)荷載后都要與實(shí)測(cè)同級(jí)荷載下的沉降結(jié)果進(jìn)行誤差分析，如果誤差較大，則不斷調(diào)整土體的地質(zhì)參數(shù)，直至滿足給定的精度要求為止，才可施加下一級(jí)荷載。

3、算例

3.1 工程概況

某工程項(xiàng)目采用鉆孔灌注樁，樁徑600mm，樁長43.12m，設(shè)計(jì)承載力2000kN，樁周土以軟粘土為主，樁端土為粉質(zhì)粘土。

本次試驗(yàn)最大加載量為3680kN，每級(jí)荷載增量為最大加載量的1/10，第一級(jí)荷載為加載增量的2倍，共分9級(jí)加載；每級(jí)卸載量為分級(jí)加載量的2倍，共分5級(jí)卸載。加載方式采用慢速維持荷載法，加卸載的順序及對(duì)應(yīng)的沉降量如表1所示。

表1 分級(jí)加載及其對(duì)應(yīng)的沉降量

3.2 樁基靜載試驗(yàn)數(shù)值模型

根據(jù)上述工程情況和規(guī)范，以及本文提出的地質(zhì)參數(shù)反演分析方法，建立樁基礎(chǔ)靜載試驗(yàn)數(shù)值模型。

3.3 計(jì)算結(jié)果擬合實(shí)測(cè)曲線

根據(jù)每個(gè)加荷步驟計(jì)算結(jié)果，不斷修正地基土的關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)，直至計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果在誤差范圍之內(nèi)，如圖2所示。

3.4 地質(zhì)參數(shù)反演

當(dāng)數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果一致時(shí)，最終修正計(jì)算所用的計(jì)算參數(shù)即為相應(yīng)土層的關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)，如表2所示。

表2 樁周土與樁端土層地質(zhì)參數(shù)

4、結(jié)論

本文基于有限差分法利用FLAC3D構(gòu)建了用于確定單樁豎向承載力特征值的靜載荷試驗(yàn)數(shù)值模型，根據(jù)加荷條件分步進(jìn)行計(jì)算，并與實(shí)際靜載荷試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行擬合對(duì)比，并不斷修正巖土體的地質(zhì)參數(shù)，直至誤差在要求的精度范圍之內(nèi)為止，此時(shí)即為所要得到的地質(zhì)參數(shù)。根據(jù)實(shí)例驗(yàn)證結(jié)果，數(shù)值反演所得的土體地質(zhì)參數(shù)接近工程勘察所建議的參數(shù)，表明本文所提出的方法是正確的和有效的。

[1]王仕偉.基樁荷載-沉降曲線擬合與分析,華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007年6月，湖北，武漢

[2]孫書偉，林航,任連偉.FLAC3D在巖土工程中的應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社，2011.6

[3]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范，北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014

王俊嶺（1982-），男，漢族，河南周口人，工程師，學(xué)士學(xué)位，從事地基基礎(chǔ)檢測(cè)工作。