基于FLAC3D的红粘土地基PHC管桩的承载性能研究

报告》可知，拟建场地上覆土层由杂填土、硬塑状红粘土、可塑状红粘土、中风化白云岩及微风化白云岩组成.

各地层的岩性特征自上而下分层如下：

1）杂填土 （第①层 Qml）

黄色，稍密状结构，以粘性土为主，夹10%～20%的建筑垃圾.本层各钻孔有分布，层厚0.6～5.0 m.

2）硬塑状红粘土（第②层 Qel）

棕黄色、黄色，土体结構致密，土质均匀，切面光滑，可重新搓成细条，摇震无反应，干强度及韧性较高.本层全场均有分布，顶面埋深0.6～5.0 m，厚12.9～22.2 m.

3）可塑状红粘土（第③层 Qel）

棕黄色、黄色，土质均匀，稍有滑腻感，可重新搓成细条，手按有手印.本层ZK3、ZK19有揭露，顶面埋深23.0～23.2 m，厚0.8～2.2 m.

4）中风化白云岩（第⑤层 C2d）

浅灰色，细晶结构，块状构造.裂隙发育，具弱溶蚀现象.岩石坚硬程度为较软岩，岩体完整程度为较破碎，岩体质量等级为Ⅳ级.该层在场内部分钻孔有揭露，顶板埋深19.2～25.4 m，厚度1.0～2.2 m.

5）微风化白云岩（第⑥层 C2d）

浅灰色，细晶结构，块状构造.局部裂隙发育，具弱溶蚀现象.岩石坚硬程度为较硬岩，岩体完整程度为较完整，岩体质量等级为Ⅲ级.此层在场内部分钻孔有揭露，顶板埋深16.0～27.6 m，揭露厚度2.0～11.3 m.

各土层物理力学参数见表1.

FLAC3D选用的工程桩：闭口PHC管桩，直径500 mm，桩长16 m，桩端持力层为中风化白云岩，单桩承载力特征值为2 000 kN，最大试验荷载为4 000 kN.

1.2 FLAC3D 数值模型的建立

FLAC3D软件是一个三维快速拉格朗日数值差分软件，主要应用于桩基承载力分析、深基坑支护设计以及矿山开挖等工程实践.

为了更好地了解PHC管桩在红粘土地区的承载性能，通过运用FLAC3D软件建立PHC管桩-红粘土计算模型，对PHC管桩在红粘土地区承载性能进行模拟计算.

对土体采用Mohr-coulomb本构模型进行桩土相互作用关系的模拟，Mohr-coulomb本构模型的理论基础是Mohr强度理论，是一种塑性本构模型，其包括剪切破坏包络线与强度准则对应，剪切破坏包络线与拉伸屈服破坏准则对应.

对桩体采用弹性模型进行模拟，预应力高强混凝土管桩体材料，混凝土强度等级C80，混凝土密度取2 500 kg/m3 ，弹性模量E取3.8×104 MPa，体积模量K取2.11×104 MPa，剪切模量G取1.58×104 MPa，泊松比u取0.2.

在FLAC3D中，使用的變形参数是体积模量K和剪切模量G，通常由弹性模量和泊松比u转换得到，在K和G与E及u之间的转换关系如下：

桩土接触面参数法向刚度和剪切刚度可以取周围“最硬”相邻区域的等效刚度的10倍，计算公式如下：

式中，K ——体积模量，G——剪切模量，∆Zmin——接触面法向方向上连接区域上的最小尺寸.应用反演分析的方法确定桩土界面的摩擦参数，采取桩周土摩擦参数的0.7倍，与静载试验数据对比接近.

用FLAC3D对桩和土体分别生成单元，并在桩与土体间生成接触面单元，生成1/4模型，侧向土体计算范围到10倍桩径，土体竖向计算到桩端以下15倍桩径，见图1.

模型在土体自重应力下初始平衡即达到初始应力平衡，然后设置桩体参数，第二次平衡，见图2.

位移清零后，通过施加竖向荷载，得出不同荷载下桩体沉降数值，与实际工程静载试验比较，如图3所示.

1.3 数据分析

红粘土地基静压PHC管桩基本为摩擦型端承桩或者端承型摩擦桩，其Q-S曲线具有以下特点：静压PHC管桩的Q-S曲线呈缓变型，沉降变化平稳，破坏特征点不明显，最终沉降量偏小.红粘土地基条件下的PHC管桩在设计极限承载力的加载下，桩顶的最大沉降量约为12 mm，远远小于规范要求的40 mm的极限沉降量.说明目前红粘土地基静压PHC管桩设计承载力存在较大的富余.

红粘土地基静压PHC管桩沉降量偏小的分析：PHC管桩在荷载作用下产生的总沉降主要为桩身压缩量和桩端岩土体的压缩量.PHC管桩的强度、桩长以及桩端残余应力都是桩身压缩量的主要影响因素.由于该工程PHC管桩的等级为C80，强度高，桩长仅为16 m，故其桩身的压缩量较小.此外，静压PHC管桩桩端进入中风化白云岩后，桩端附近岩土体的压缩量有限，静压施工卸载后，由于受到桩侧向下的摩阻力限制，桩向上的回弹量很难达到释放桩端应力的数值，故而在桩端形成残余应力. PHC管桩的残余应力相当于施加了预应力，从而减少了桩身压缩量.静压PHC管桩属于挤土桩，当压桩力接近设计最大加载量时，桩端岩土体已产生过较大沉降，因而在静载试验二次加载时，桩端岩土体沉降量会明显减小.由于静压PHC管桩上覆土层为红粘土，随着休止时间的延长，桩侧摩阻力逐渐增大，在一定程度上减少了桩体的沉降.此外，桩端残余应力的存在，提高了桩端阻力，减少了沉降.

FLAC3D数值模拟和静载试验的Q-S曲线相比，数值略小，原因是：数值模拟基于理想状态进行计算，而对于实际工程，在施工过程中不可避免地会对地基产生扰动；红粘土上硬下软，虽然结构致密，但一经扰动后，强度还是会有所降低.

2 PHC管桩荷载传递规律和沉降规律的数值模拟

位移清零后，通过在桩顶施加竖向荷载，得出在不同荷载下对应桩体沉降数值、桩身应力云图和土体整体云图，如图4—图12所示.

根据输出的桩身应力值整理得到各级荷载作用下的桩身轴力变化图，如图13所示.由图可看到，桩身12～15.5 m（处于可塑状态红粘土层）轴力传递速度较慢，曲线斜率变化小，在桩身0～12 m（处于硬塑状态红粘土层）和15.5～16 m（处于中风化层白云岩）范围内传递速度快，斜率较大，桩顶荷载越大，这种现象越明显.

在第一级荷载800 kN作用时，桩端16 m处的轴力为220 kN，并非为0，是因为PHC桩本身强度较高，弹性模量大，且桩端持力层为中风化白云岩，在桩顶加载时，因桩身弹性竖向压缩变形量较小，容易产生整个桩体向下的刚体位移，故在第一级加载时，整桩便在土层中产生了竖向位移，由此产生桩端阻力.

桩顶荷载沿桩身往下传递时，需要克服桩侧摩阻力，由于桩侧摩阻力的存在，桩身轴力会沿着深度的增加而减少，其在相邻截面之间一个差值，此差值的大小就是该处的桩侧摩阻力的数值.差值的斜率同时代表了该处桩侧摩阻力的发挥，斜率越大桩侧摩阻力发挥越充分.上部的硬塑状红粘土土层中的斜率比下面的可塑状红粘土土层的斜率大，体现了红粘土上硬下软的特性.

3 结论

1）无论是数值模拟还是静载试验的Q-S曲线，都是缓变型，当荷载加载至单桩竖向承载力极限值4 000 kN时，静载试验测得的沉降量为12.87 mm，数值模拟计算的沉降量为12.24 mm，说明单桩承载力设计值取值较为保守.

2）FLAC数值模拟和静载试验的Q-S曲线比较接近，基本趋势亦基本相同，数值模拟的结果较好地反映了PHC管桩的工作特性，说明模型参数的选择基本符合工程实际情况.

3）根据FLAC计算绘制的桩身轴力应力图可知：传到桩端的荷载值约为总荷载值的20%，由此判断该工程桩为端承型摩擦桩.在荷载的作用下，桩身轴力从上往下减少，变化较明显，为端承型摩擦桩的传递特性，与桩的荷载传递规律基本符合.

4）由整体沉降云图可知，桩端处的桩土接触面的土体沉降较其他位置大，桩侧的桩土接触面的土体比远离桩身的土体沉降大，说明地基土的沉降主要集中于桩侧和桩端接触面处，这也符合端承型摩擦桩的沉降特性.

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