张 浩

(河南省电力勘测设计院，河南 郑州 450007)

基于静压预制桩静载试验的土体参数反演分析

张 浩

(河南省电力勘测设计院，河南 郑州 450007)

近些年来，随着经济建设不断发展，我国基础设施建设的规模愈来愈大。在土建、交通、水利等工程建设中会经常遇到软土地基，软土地基的处理方法层出不穷，许多经济、快速、有效的实用的方法在工程中已得到较广泛应用，静压预制桩复合地基就是这类方法中较典型的一种。本文结合某工程，对工程中所用的预制桩进行静载荷试验，并采用有限元法对预制桩单桩复合地基进行数值分析，反演土体参数，计算结果与经验值较贴近。

静压预制桩；静载荷试验；有限元分析；参数反演。

在软土地基处理中，静压预制桩具有诸多优点：①施工时无噪音、无振动，适于对噪音有限制的市内住宅区作业；②施工时引起的土体隆起和水平挤动较小，适于居民密集、周围旧房、危房、精密仪器机房、岸边和地下管线多的场地施工；③静压法可使预制桩端和桩身免受拉、压、剪、扭等复合应力，因此桩的配筋量可大大减少；④压桩力可随时测定、调整，比较保证桩的承载力；⑤沉桩深度较大，且桩身质量可靠；⑥无需排污，场地干净，有利于实现文明施工；⑦工期易控制，总体经济效益较好[1]。因此静压预制桩加固软土地基切实可行，并得到较广泛应用。

本文结合某个实际工程，对预制桩做静载试验，运用ABAQUS大型计算软件对预制桩复合地基进行了三维有限元数值模拟，反演土体的参数，并与经验值进行对比。

1 工程概况及静载试验

1.1 工程概况

某工程拟建场地地基土承载力较低，不能满足设计要求，故设计采用静压预制桩进行加固处理。经原体试验完成3根试桩和8根锚桩。

层①粉土，褐黄色为主，含云母、铁锰质斑点；稍密为主，湿；高压缩性。局部地段表层见素填土。该层厚度1.1m～2.5m，层底埋深1.1m～2.5m，层底标高67.41m～70.45m。

层②粉质粘土，浅黄色为主，含云母、铁质；流塑～软塑状态；高压缩性。该层厚度1.1m～3.1m，层底埋深2.5m～4.7m，层底标高65.80m～67.61m。

层③粉土，褐黄、灰黄色，含铁质、锰质结核；稍密～中密，湿～很湿；中等(偏高)压缩性。从原位测试成果看，该层不均匀性明显。该层厚度0.9m～3.6m，层底埋深4.1m～6.6m，层底标高63.67m～65.83m。

层④粉质粘土，褐黄、灰黄色，含铁质、锰质；软塑状态为主；中等(偏高)压缩性。该层厚度0.7m～3.0m，层底埋深6.0m～8.0m，层底标高62.17m～64.15m。

层⑤粉土，灰黄、灰色，含铁质、云母；稍密～中密，很湿；中等(偏高)压缩性。该层不均匀性明显。该层厚度1.2m～3.4m,层底埋深8.0m～10.6m，层底标高59.88m～62.09m。

层⑥粉质粘土，灰色为主，含铁质、锰质结核；软塑状态(局部流塑)；中等～高压缩性。局部地段夹稍密～中密的粉土薄层。该层厚度0.5m～2.3m，层底埋深9.2m～12.0m，层底标高58.36m～61.09m。

《国家水土保持监管规划（2018－2020年）》的规划任务如下：一是对26.86万平方公里生产建设项目集中区域和418个部管在建生产建设项目开展“天地一体化”监管，及时发现违法违规行为。二是对134个在建和48个竣工国家水土保持重点治理项目开展“图斑精细化”监管，准确掌握水土保持重点工程建设进度、措施数量和实施效果。三是完成48个水土保持重要监测点升级改造，提升自动化观测和信息传输能力。四是开展水土保持数据库更新、系统运行维护、监管设备配置、信息化技术培训等监管能力建设。

层⑦粉土，灰色为主，含铁质、锰质；中密～稍密，湿；中等(偏高)压缩性。该层不均匀性明显。该层厚度0.6m～4.0m，层底埋深10.4m～14.0m，层底标高56.48m～59.60m。

层⑧粉质粘土，灰色、灰黄色，含铁质、锰质结核；软塑状态(局部可塑)；中等～高压缩性。该层厚度0.5m～4.0m，层底埋深12.7m～15.8m，层底标高54.48m～57.76m。

层⑨粉土，灰黄色，含云母、铁质斑点；中密～密实，湿；中等压缩性。局部粘粒含量高。该层厚度1.0m～4.5m,层底埋深15.0m～18.0m，层底标高52.30m～54.98m。

层⑩粉质粘土，黑色，灰黑色，含炭质、有机质；软塑～可塑状态；中等(偏高)压缩性。局部为中密～稍密的粉土。该层厚度0.4m～1.5m，层底埋深16.1m～18.8m，层底标高51.50m～53.88m。

层（11）粉土，灰白、灰黄色，含云母、铁质，见小姜石；中密～密实，湿；中等(偏高)压缩性。局部夹可塑状态的粉质粘土薄层。该层在冷却塔地段北部缺失。该层厚度0.5m～3.1m，层底埋深17.2m～20.4m，层底标高49.49m～52.78m。

层（12）粉质粘土，灰黄色，含云母、铁质，见小姜石；可塑状态；中等压缩性。局部为中密的粉土。该层厚度0.5m～3.0m，层底埋深20.2m～22.6m，层底标高47.54m～50.15m。

层（13）粉土，灰黄色，含云母、铁质；稍密，很湿；高压缩性。该层厚度0.2m～1.7m，层底埋深18.1m～21.6m，层底标高48.39m～51.88m。

层（14）细砂，灰黄、黄色，主要成分为石英，分选较差，粘粒含量不均匀；密实～中密，饱和；低压缩性。该层厚度10.0m～15.0m，层底深度31.5m～35.4m，层底标高34.58m～38.94 m；顶板标高46.34m～50.22m。

层（15）粉质粘土，褐黄色，硬塑～可塑状态；中等压缩性。该层厚度0.5m～1.0m,层底深度22.7m～23.8m，层底标高46.97m～47.89m。

层（16）粉土，灰黄、棕黄色，含铁质、锰质结核和云母；中密，湿；中等压缩性。该层厚度1.9m～8.4m，层底深度34.1m～40.9m，层底标高29.43m～35.81m。

层（17）细砂，灰黄、黄色，主要成分为石英，分选较差；密实，饱和；低压缩性。局部地段底部48.0m～50.0m。揭露可塑状态的粉质粘土。揭露最大厚度15.0m。

1.2 静载荷试验

根据设计要求对3根试桩进行了单桩竖向抗压静载试验，各单桩复合地基试验点基桩桩号分别为S1、S2、S3。单桩竖向抗压静载试验遵循《建筑基桩检测技术规范》(JGJ106-2003)，采用“慢速维持荷载法”，即逐级加载，在每级荷载作用下达到相对稳定标准后加下一级荷载，将最大试验荷载按10级等量划分，每级荷载增量为总加载量的1/10，其中第一级可取分级荷载的2倍即为800kN来进行施加。由此所得静压预制桩单桩竖向静载试验成果见表1。

表1 静压预制桩单桩竖向静载试验成果

2 有限元参数反分析

2.1 计算模型

采用大型有限元软件ABAQUS仅对S2#桩进行沉降的3D计算分析。S2#桩为截面边长0.4m的方桩，桩长为21.0m，入土桩为19.6m。在建立计算模型时，采用8节点六面体单元。由于混凝土桩体的模量远大于桩间土的模量，所以在计算时将预制桩视为线弹性材料，将土体作为非线性材料考虑，使用Mohr-Coulomb本构模型。因在加载时桩体和土体间通过摩擦力调整它们之间的应力分布，故在桩体和土体之间设置接触单元，进行接触分析。接触单元采用无厚度单元。进行网格划分时，因接触面处两种材料性质相差很大，单元尺寸应尽可能取小值，远离接触面以及桩体以下土体单元尺寸可以适当增大[2-4]。有限元计算模型如图1所示，土体取20m×20m×40m的块体范围，模型共划分94100个单元。其中，桩体划分单元420个。桩体材料属性见表2。将土体简化为1层，待反演的土体参数包括压缩模量Es、密度ρ、泊松比 μ、凝聚力C与内摩擦角φ。

2.2 关于初始地应力的问题

在岩土工程数值计算中，初始地应力场是必须予以重视的问题。这主要是基于以下三个方面的原因：

⑴岩土工程的特点决定了分析手段多为增量分析，在增量分析中，分析域内的应力总是由应力增量加上初始应力而得，即初始地应力从一开始就影响了分析过程；

⑵岩土材料的刚度和应力状态有关；

⑶在开挖分析中，开挖导致的荷载是通过开挖之前的应力计算的，为了计算开挖荷载，必须首先知道初始应力状态[5]。

首先，要确定加荷前初始的应力状态。地层中的初始地应力主要是由于岩土体的自重和地质构造作用的结果，是地层处于天然条件下所具有的内应力。对于桩土接触作用问题来说，桩土接触面上的接触压力也来自于地应力。因此，在有限元计算之前，应该首先形成土中的地应力场。本文工程背景区域属于第四纪覆盖层，地质构造活动不活跃，地基土是覆盖层深厚的粘土和砂土，所以可以近似地认为地应力是由土体自重引起的，可应用弹性半空间重力作用下求解应力分量的原理来形成地应力场。

在获得了初始应力场的分布规律之后，接下来的问题就是如何在有限元模型中施加。不管采取何种方式施加初始应力场，必须满足平衡条件：是指由应力场形成的等效节点荷载要和外荷载相平衡，如果平衡条件得不到满足，将不能得到一个位移为零的初始状态，此时所对应的应力场也不再是所施加的初始应力场。

对于ABAQUS来说，它的平衡地应力的方法有两种。一种是直接将重力荷载作用于有限元模型，并施加相应的边界约束，计算得到在重力荷载下的应力场，输出为特定的格式，再将得到的应力场和重力荷载一起施加于原始有限元模型，这样就可以得到一个满足平衡条件的没有位移的初始应力场。另一种是根据弹性半空间重力作用下求解应力分量的原理来求解土体的自重应力，然后在ABAQUS的input文件里输入命令，例： *INITIAL CONDITIONS,TYPE=STRESS，GEOSTATIC

SOIL,0,0,-1500000,-100,0.4

这一种方法比较适合地表是水平的计算模型，而且不需另外用程序计算土体的自重应力，简单适用。而本文的计算模型地表是水平的，所以采用后一种方法来形成地基土体的初始应力场。

2.3 反分析结果

通过模拟静荷载试验，利用原位基桩静力载荷试验荷载与沉降的关系进行了反演分析。加荷到4000kN时桩体与土体的沉降云图见图1，由图中可以看出，桩体的最大沉降值达到16.6mm，同静载试验值基本吻合。在水平方向上，桩周土体的沉降随土体到桩体距离的增大而逐渐减小；在竖直方向上，桩底周围土体沉降达到最大，桩底以下随深度的增加土体沉降逐渐减小，深度大于30m的土体基本上不受影响。由此得到的土体参数值见表3，表中土体参数值比较贴近经验值，且略大于经验值，这是因为静压预制桩在被压入土体的过程中会对周围土体有挤密作用，增大了土体的参数，因此利用ABAQUS软件进行有限元模拟可作为一种工程校核的参考手段。

图1 桩体与土体的沉降云图(单位：m)

表3土体参数反演结果

3 结论

⑴利用有限元模拟静荷载试验得出：在水平方向上，桩周土体的沉降随土体到桩体距离的增大而逐渐减小；在竖直方向上，桩底周围土体沉降达到最大，桩底以下随深度的增加土体沉降逐渐减小。

⑵利用有限元模拟静压预制桩的静荷载试验，可以较好地反映桩体在被压入土体的过程中对周围土体的挤密作用。

⑶利用ABAQUS软件进行反演所得的土体参数比较贴近经验值,因此可以利用有限元模拟在类似地基土条件下静压预制桩的静载试验，具有一定的实际意义。

[1]万金山．预制桩静压施工技术在软土地基中的应用[J]．探矿工程，1994．

[2]马福雷，程兴远，张革军．粉喷桩加固地基有限元计算与实测对比分析[J]．山西建筑，2006，32(23)．

[3]徐斌，王大通，高大钊．群桩沉降验算中接触单元模型应用的若干问题[J]．同济大学学报，1998，26(2)．

[4]殷宗泽，朱弘，许国华．土与结构材料接触面的变形及其数学模拟[J]．岩土工程学报，1998，20(6)．

[5]王金昌，陈页开．ABAQUS在土木工程中的应用[M]．浙江：浙江大学出版社，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

张浩(1982- )，男，河南新乡人，研究生学历，助理工程师，主要研究方向为岩土工程。