基于靜壓預制樁靜載試驗的土體參數反演分析

張 浩

(河南省電力勘測設計院，河南 鄭州 450007)

基于靜壓預制樁靜載試驗的土體參數反演分析

張 浩

(河南省電力勘測設計院，河南 鄭州 450007)

近些年來，隨著經濟建設不斷發展，我國基礎設施建設的規模愈來愈大。在土建、交通、水利等工程建設中會經常遇到軟土地基，軟土地基的處理方法層出不窮，許多經濟、快速、有效的實用的方法在工程中已得到較廣泛應用，靜壓預制樁復合地基就是這類方法中較典型的一種。本文結合某工程，對工程中所用的預制樁進行靜載荷試驗，并采用有限元法對預制樁單樁復合地基進行數值分析，反演土體參數，計算結果與經驗值較貼近。

靜壓預制樁；靜載荷試驗；有限元分析；參數反演。

在軟土地基處理中，靜壓預制樁具有諸多優點：①施工時無噪音、無振動，適于對噪音有限制的市內住宅區作業；②施工時引起的土體隆起和水平擠動較小，適于居民密集、周圍舊房、危房、精密儀器機房、岸邊和地下管線多的場地施工；③靜壓法可使預制樁端和樁身免受拉、壓、剪、扭等復合應力，因此樁的配筋量可大大減少；④壓樁力可隨時測定、調整，比較保證樁的承載力；⑤沉樁深度較大，且樁身質量可靠；⑥無需排污，場地干凈，有利于實現文明施工；⑦工期易控制，總體經濟效益較好[1]。因此靜壓預制樁加固軟土地基切實可行，并得到較廣泛應用。

本文結合某個實際工程，對預制樁做靜載試驗，運用ABAQUS大型計算軟件對預制樁復合地基進行了三維有限元數值模擬，反演土體的參數，并與經驗值進行對比。

1 工程概況及靜載試驗

1.1 工程概況

某工程擬建場地地基土承載力較低，不能滿足設計要求，故設計采用靜壓預制樁進行加固處理。經原體試驗完成3根試樁和8根錨樁。

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

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

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

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

層⑤粉土，灰黃、灰色，含鐵質、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，層底標高59.88m～62.09m。

層⑥粉質粘土，灰色為主，含鐵質、錳質結核；軟塑狀態(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，層底標高58.36m～61.09m。

《國家水土保持監管規劃（2018－2020年）》的規劃任務如下：一是對26.86萬平方公里生產建設項目集中區域和418個部管在建生產建設項目開展“天地一體化”監管，及時發現違法違規行為。二是對134個在建和48個竣工國家水土保持重點治理項目開展“圖斑精細化”監管，準確掌握水土保持重點工程建設進度、措施數量和實施效果。三是完成48個水土保持重要監測點升級改造，提升自動化觀測和信息傳輸能力。四是開展水土保持數據庫更新、系統運行維護、監管設備配置、信息化技術培訓等監管能力建設。

層⑦粉土，灰色為主，含鐵質、錳質；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，層底標高56.48m～59.60m。

層⑧粉質粘土，灰色、灰黃色，含鐵質、錳質結核；軟塑狀態(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，層底標高54.48m～57.76m。

層⑨粉土，灰黃色，含云母、鐵質斑點；中密～密實，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，層底標高52.30m～54.98m。

層⑩粉質粘土，黑色，灰黑色，含炭質、有機質；軟塑～可塑狀態；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，層底標高51.50m～53.88m。

層（11）粉土，灰白、灰黃色，含云母、鐵質，見小姜石；中密～密實，濕；中等(偏高)壓縮性。局部夾可塑狀態的粉質粘土薄層。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，層底標高49.49m～52.78m。

層（12）粉質粘土，灰黃色，含云母、鐵質，見小姜石；可塑狀態；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，層底標高47.54m～50.15m。

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

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

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

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

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

1.2 靜載荷試驗

根據設計要求對3根試樁進行了單樁豎向抗壓靜載試驗，各單樁復合地基試驗點基樁樁號分別為S1、S2、S3。單樁豎向抗壓靜載試驗遵循《建筑基樁檢測技術規范》(JGJ106-2003)，采用“慢速維持荷載法”，即逐級加載，在每級荷載作用下達到相對穩定標準后加下一級荷載，將最大試驗荷載按10級等量劃分，每級荷載增量為總加載量的1/10，其中第一級可取分級荷載的2倍即為800kN來進行施加。由此所得靜壓預制樁單樁豎向靜載試驗成果見表1。

表1 靜壓預制樁單樁豎向靜載試驗成果

2 有限元參數反分析

2.1 計算模型

采用大型有限元軟件ABAQUS僅對S2#樁進行沉降的3D計算分析。S2#樁為截面邊長0.4m的方樁，樁長為21.0m，入土樁為19.6m。在建立計算模型時，采用8節點六面體單元。由于混凝土樁體的模量遠大于樁間土的模量，所以在計算時將預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本構模型。因在加載時樁體和土體間通過摩擦力調整它們之間的應力分布，故在樁體和土體之間設置接觸單元，進行接觸分析。接觸單元采用無厚度單元。進行網格劃分時，因接觸面處兩種材料性質相差很大，單元尺寸應盡可能取小值，遠離接觸面以及樁體以下土體單元尺寸可以適當增大[2-4]。有限元計算模型如圖1所示，土體取20m×20m×40m的塊體范圍，模型共劃分94100個單元。其中，樁體劃分單元420個。樁體材料屬性見表2。將土體簡化為1層，待反演的土體參數包括壓縮模量Es、密度ρ、泊松比 μ、凝聚力C與內摩擦角φ。

2.2 關于初始地應力的問題

在巖土工程數值計算中，初始地應力場是必須予以重視的問題。這主要是基于以下三個方面的原因：

⑴巖土工程的特點決定了分析手段多為增量分析，在增量分析中，分析域內的應力總是由應力增量加上初始應力而得，即初始地應力從一開始就影響了分析過程；

⑵巖土材料的剛度和應力狀態有關；

⑶在開挖分析中，開挖導致的荷載是通過開挖之前的應力計算的，為了計算開挖荷載，必須首先知道初始應力狀態[5]。

首先，要確定加荷前初始的應力狀態。地層中的初始地應力主要是由于巖土體的自重和地質構造作用的結果，是地層處于天然條件下所具有的內應力。對于樁土接觸作用問題來說，樁土接觸面上的接觸壓力也來自于地應力。因此，在有限元計算之前，應該首先形成土中的地應力場。本文工程背景區域屬于第四紀覆蓋層，地質構造活動不活躍，地基土是覆蓋層深厚的粘土和砂土，所以可以近似地認為地應力是由土體自重引起的，可應用彈性半空間重力作用下求解應力分量的原理來形成地應力場。

在獲得了初始應力場的分布規律之后，接下來的問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力場，必須滿足平衡條件：是指由應力場形成的等效節點荷載要和外荷載相平衡，如果平衡條件得不到滿足，將不能得到一個位移為零的初始狀態，此時所對應的應力場也不再是所施加的初始應力場。

對于ABAQUS來說，它的平衡地應力的方法有兩種。一種是直接將重力荷載作用于有限元模型，并施加相應的邊界約束，計算得到在重力荷載下的應力場，輸出為特定的格式，再將得到的應力場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滿足平衡條件的沒有位移的初始應力場。另一種是根據彈性半空間重力作用下求解應力分量的原理來求解土體的自重應力，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算模型，而且不需另外用程序計算土體的自重應力，簡單適用。而本文的計算模型地表是水平的，所以采用后一種方法來形成地基土體的初始應力場。

2.3 反分析結果

通過模擬靜荷載試驗，利用原位基樁靜力載荷試驗荷載與沉降的關系進行了反演分析。加荷到4000kN時樁體與土體的沉降云圖見圖1，由圖中可以看出，樁體的最大沉降值達到16.6mm，同靜載試驗值基本吻合。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??；在豎直方向上，樁底周圍土體沉降達到最大，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值見表3，表中土體參數值比較貼近經驗值，且略大于經驗值，這是因為靜壓預制樁在被壓入土體的過程中會對周圍土體有擠密作用，增大了土體的參數，因此利用ABAQUS軟件進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土體參數反演結果

3 結論

⑴利用有限元模擬靜荷載試驗得出：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??；在豎直方向上，樁底周圍土體沉降達到最大，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制樁的靜荷載試驗，可以較好地反映樁體在被壓入土體的過程中對周圍土體的擠密作用。

⑶利用ABAQUS軟件進行反演所得的土體參數比較貼近經驗值,因此可以利用有限元模擬在類似地基土條件下靜壓預制樁的靜載試驗，具有一定的實際意義。

[1]萬金山．預制樁靜壓施工技術在軟土地基中的應用[J]．探礦工程，1994．

[2]馬福雷，程興遠，張革軍．粉噴樁加固地基有限元計算與實測對比分析[J]．山西建筑，2006，32(23)．

[3]徐斌，王大通，高大釗．群樁沉降驗算中接觸單元模型應用的若干問題[J]．同濟大學學報，1998，26(2)．

[4]殷宗澤，朱弘，許國華．土與結構材料接觸面的變形及其數學模擬[J]．巖土工程學報，1998，20(6)．

[5]王金昌，陳頁開．ABAQUS在土木工程中的應用[M]．浙江：浙江大學出版社，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，河南新鄉人，研究生學歷，助理工程師，主要研究方向為巖土工程。