基于FLAC3D的某賽車場PHC管樁參數優化研究

劉 鵬 劉 浩 鄭文濤 楊 杰

中國建筑第二工程局有限公司華東公司 上海 200135

PHC管樁具有承載力高、工廠預制、施工方便等優點，被廣泛應用于樁基施工[1-2]。單樁靜載試驗能夠較準確地測得樁基的承載能力，但試驗花費的周期長，成本高，有時現場不具備試驗條件[3-4]。數值模擬能夠方便快捷地模擬復雜的現場模型，數值模擬的結果能夠較好地還原實際情況。在數值計算的過程中，模型的物理力學參數的取值尤為關鍵，因此模擬的參數取值應當符合實際[5-6]。目前，國內外學者對單樁極限承載力的取值進行了大量的研究，也得到了許多突破性的進展。一般設計中考慮了安全系數，單樁極限承載力是單樁承載力特征值的2倍以上。雖然安全系數較高，但必然會使成本提高。如何在滿足安全的前提下降低樁基施工的成本對工程有著重要的意義[7-8]。

本工程地質條件復雜，工期緊張，如果只片面地借鑒工程經驗，可能會帶來許多安全隱患以及不必要的經濟損失。為了在滿足安全的前提下，降低樁基施工成本，本文以現場靜載試驗的結果為依據，利用數值模擬進行優化研究。研究可為類似工程施工提供一些參考。

1 工程概況

武漢新能源與智能汽車基地封閉測試場項目位于武漢經濟技術開發區東荊河河畔，總規劃面積約為242 hm2，一期規劃用地面積約87.5 hm2。項目總體規劃結合中國汽車產業的遠景規劃，采用近、遠期規劃相結合的手法，按國際汽聯一級賽道標準規劃，近期按照二級賽道標準建設，遠期可升級為一級賽道，主賽道總長約 4.293 km。它是目前我國第一個建設在天然河畔、有效節約土地資源的生態型測試場；第一個按一級方程式標準規劃的具備二級方程式賽道的測試場，僅次于上海國際賽車場。根據地質情況的不同，現場劃分為高填區、低填區、過渡段。總平面布置圖將賽道劃分為56個分區，本文以33區的樁基施工為研究對象，該區域采用PHC管樁進行深層地基處理。設計樁徑0.5 m，樁長24 m，樁間距3 m。PHC管樁采用錘擊法和靜壓法成樁。

2 現場單樁靜載試驗

2.1 試驗原理及模型

根據現場情況，靜載試驗利用預制混凝土構件提供荷載反力，液壓電動泵控制千斤頂進行加載。大量程百分表來測量被檢測樁的沉降變形值，百分表固定在基準梁上，試驗前先進行預壓。靜載試驗模型如圖1所示，現場靜載試驗如圖2所示。

圖1 靜載試驗示意

圖2 現場靜載試驗

加載過程采用分級加載，每級加載為設計極限荷載的1/10，第一級按2倍分級荷載加荷；每級加載后按第5、10、15、15、15 min各測讀一次。累計1 h以后每隔30 min測讀一次，當每小時沉降不超過0.1 mm，并連續出現2次，按規范判定已達到相對穩定，可加下一級荷載。

2.2 試驗結果及分析

本文針對管樁編號P33-20-6-3的PHC管樁進行了靜載試驗，依據設計要求，管樁的承載能力特征值為950 kN，設計要求的單樁承載力為特征值的2.4倍，即2 280 kN。加載至2 280 kN時，測得現場沉降量為30.08 mm，小于規范要求的40 mm。繼續加載直至破壞，加壓至2 508 kN時，測得沉降量為37.44 mm，繼續加壓至2 736 kN時，測得沉降量為45.08 mm。由此可以得出，實際單樁極限承載力在2 508～2 736 kN。單樁極限承載力試驗說明施工用的管樁不僅滿足設計要求，而且還留有一定量的富余值，可以對管樁參數進行優化設計。靜載試驗結果如圖3所示。

3 單樁靜載試驗數值模擬分析

3.1 數值模擬計算模型

FALC3D數值模擬軟件能較好地模擬巖土體的受力變形情況，為了驗證數值模擬的可靠性，本文先對樁號P33-20-6-3的管樁進行加載模擬試驗，將試驗結果與現場靜載試驗進行對比，從而驗證數值模擬的可靠性。模型的左右邊界取樁徑的20倍，即20 m，上下邊界取25 m。試驗管樁長24 m，樁徑0.5 m。

為了使研究結果更趨于實際，在試驗管樁兩邊也建立了管樁模型。在CAD中畫出靜載試驗計算模型，將畫好的CAD模型圖導入Solidworks進行拉伸，將拉伸后的模型導入Ansys workbench軟件中進行網格劃分，最后將網格劃分好的模型導入FLAC3D中進行計算。試驗管樁如圖4所示，靜載試驗計算模型如圖5所示。

圖3 靜載試驗結果

圖4 試驗管樁示意

3.2 數值模型計算參數

數值模擬計算結果的準確性取決于模型的物理力學參數取值。通過查看項目的地質勘察報告，對地層參數進行取值，使數值模擬結果更趨于實際。模擬采用莫爾-庫倫模型，該模型適用于巖土體的力學計算。試驗管樁為強度等級C80的預制管樁，參數選取如下：彈性模量為32.5 GPa，泊松比0.2，容重25 kN/m3。巖土體力學參數見表1。

表1 巖土體力學參數

3.3 靜載試驗數值模擬

對試驗管樁上部加載，采用hist命令監測試驗管樁的沉降，監測點的節點編號為1839，坐標為（10，24.7，0）。加載至設計極限承載力2 280 kN時，監測點的位移為29.32 mm，繼續加載至2 736 kN時，監測點的位移為43.69 mm。數值模擬結果和現場靜載試驗結果擬合度高，證明數值計算的結果能夠較好地反映現場實際情況。

將管樁的長度減小為23 m，其他條件均不變，施加至設計極限載荷2 280 kN后監測點的位移為33.56 mm。將管樁長度減小為22 m，其他條件均不變，施加至設計極限載荷2 280 kN后監測點的位移為36.28 mm。將管樁長度減小為21 m，其他條件均不變，施加至設計極限載荷2 280 kN后監測點的位移為39.37 mm。將管樁長度減小為20 m，其他條件均不變，施加至設計極限載荷2 280 kN后，監測點的位移為43.05 mm。數值模擬結果如圖6所示。通過數值模擬的結果可知，當管樁長度由24 m變為21 m時，雖然管樁沉降有所增加，但其值仍小于規范要求的40 mm。因此，可以對設計進行優化，管樁長度減小3 m，此時仍能滿足規范要求。本次研究可為類似工程施工提供一些參考。

圖5 靜載試驗計算模型

圖5 數值模擬結果

4 結語

1）對樁號為P33-20-6-3的管樁進行現場單樁靜載試驗，得出管樁承載力達到設計規范要求且存在一定量的富余值。

2）通過FLAC3D數值模擬軟件進行優化研究，優化方法為：樁長由24 m減小為21 m，優化后仍滿足規范要求，節約了工程成本。