套护筒间碎石填充对桩基荷载...LAC-PFC耦合数值模拟_张华雨.pdf

第 37 卷 第 2 期 2023 年 3 月湖南工业大学学报Journal of Hunan University of TechnologyVol.37 No.2 Mar.2023 doi:10.3969/j.issn.1673-9833.2023.02.003收稿日期：2022-03-17基金项目：湖南省自然科学株洲联合基金资助项目（2022JJ50087）作者简介：张华雨（1997-），男，河南周口人，湖南工业大学硕士生，主要研究方向为粉细砂路基填筑，E-mail：通信作者：祝方才（1972-），男，湖北荆州人，湖南工业大学教授，博士，硕士生导师，主要研究方向为边坡和地下工程，E-mail：套护筒间碎石填充对桩基荷载传递的FLAC-PFC 耦合数值模拟张华雨1，祝方才1，周 斌1，刘 青1，张少龙2，吴彬彬2，陈 琦2，尚亚新2（1.湖南工业大学 土木工程学院，湖南 株洲 412007；2.中铁北京工程局集团 第二工程有限公司，湖南 长沙 410116）摘要：以贵南高铁某桥梁桩基套护筒间填充碎石保持长桩垂直度为工程背景，研究碎石对桩基荷载传递的影响，通过碎石孔隙率模拟填充松紧，建立了碎石不同填充松紧程度下的 FLAC-PFC 桩基荷载传递耦合数值模型。数值分析结果表明，竖向荷载主要依靠桩端阻力承担，桩周碎石竖向位移较大，随孔隙率增加而增大，水平位移较小，与孔隙率关系不大。关键词：岩溶长桩；FLAC-PFC 耦合模型；套筒；护筒；碎石填充；端承桩；摩擦桩中图分类号：TU753.3文献标志码：A文章编号：1673-9833(2023)02-0016-07引文格式：张华雨，祝方才，周 斌，等.套护筒间碎石填充对桩基荷载传递的 FLAC-PFC 耦合数值模拟 J.湖南工业大学学报，2023，37(2)：16-22.FLAC-PFC Coupling Numerical Simulation of Load Transfer ofPile Foundation by Casing Gravel FillingZHANG Huayu1，ZHU Fangcai1，ZHOU Bin1，LIU Qing1，ZHANG Shaolong2，WU Binbin2，CHEN Qi2，SHANG Yaxing2（1.College of Civil Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China；2.2nd Engineering Co.Ltd.，China Railway Beijing Engineering Group Co.Ltd.，Changsha 410116，China）Abstract：Taking as the project background of the gravel filling between pile casings of a bridge in Guinan High-Speed Railway to maintain the perpendicularity of long piles,a research has been conducted on the impact of gravel filling on the load transfer of pile foundation.Based on a simulation test of the filling tightness of gravel porosity,an FLAC-PFC pile foundation load transfer coupling numerical model is established under different levels of filling tightness.The numerical analysis results show that the vertical load is mainly borne by the pile end resistance with a large vertical displacement of the gravel around the pile,which is proportional to the increase of the porosity;meanwhile,the horizontal displacement tends to be small,which has little relationship with the porosity.Keywords：Karst long pile；FLAC-PFC coupling model；casing；protective tube；gravel filling；end bearing pile；friction pile170 引言岩溶地区岩体在地下水侵蚀作用下会产生孔洞，降低岩体完整性，导致岩体强度和稳定性降低，进而降低在此修建的建筑物安全性1。桩基础能够穿过软弱土层和溶洞，使桩底位于满足承载力要求的岩土体上 2，因此被广泛应用于岩溶地区。在岩溶地区进行建筑桩基施工，经常会遇到岩溶发育深度较大的地段，按常规的施工机械和施工工艺，常会出现卡锤、埋锤、漏浆、孔斜、塌孔等事故，使工程造价增加和工期延长，影响工程质量与经济效益3，且岩溶桩基桩长过大后其施工难度也会加大。龚成中等4对岩溶地区桩基承载特性进行了分析和讨论,并对当前相关规范作了评价。赵明华等5对岩溶地区桩端岩层的变形特性进行了分析，提出了确定桩端岩层安全厚度的计算公式，并结合具体工程进行验证。刘铁雄等6通过室内相似模型试验，研究了嵌岩桩基与岩溶顶板的相互作用。黄生根等7通过现场试验，研究了岩溶地区的桩基承载特性。李炳行等8通过工程实例研究了桩顶荷载作用下桩端岩体临空面的稳定性。张广春9结合广东省广乐高速桩基溶洞处理的工程实例，介绍了钢护筒跟进法在岩溶地区桩基施工中的应用。该方法在岩溶发育、地质条件复杂的桩基施工中，安全性能较高，可有效提高成桩质量。艾凯等10采用有限元法模拟桩基在不同厚度岩层中的受力情况，分析了岩层厚度对桩的影响及桩的受力状态。认为岩层厚度对桩的影响较大，岩层位置对桩应力不产生影响，而对桩位移产生影响。周健等11建立了 FLAC 和 PFC 耦合模型，模型桩端区域使用离散元模拟，边缘使用实体模拟桩基在荷载作用下刺入持力层过程，得出刺入过程中桩周土体运动规律。贵南高铁某桥梁桩基采用全回转全套管岩溶桩施工工艺，该工艺特点是钻孔完成后在钢套筒和套管间填充碎石，用碎石填充溶洞并保证桩身垂直度。相对于传统冲击钻、旋挖钻施工工艺，全回转全套管施工方法具成孔工效高、成桩质量风险低、施工安全风险低等优势，尤其适用岩溶强烈发育地区的长大桩基施工。本文依据此工程，通过数值模拟研究钢套筒和套管间填充碎石的多少对桩基荷载传递的影响。1 工程概况某桥梁桩基位于广西南宁，桩基断面如图1所示。场地上覆第四系全新统人工填筑土层、坡崩积层块石土；第四系全新统冲洪积层淤泥质土、软土、红黏土（松软土）、红黏土；下伏基岩为燧石灰岩夹煤层及硅质岩、二叠系下统茅口组灰岩、栖霞组灰岩。地表水主要为澄江水，受大气降水及上游多条暗河补给，流量受季节变化影响较大，径流途径较长。地下水主要为孔隙水和岩溶水。部分墩台桩基础较深且位于岩溶发育地区，呈串珠或贯穿桩体分布。此处岩溶属于广西桂西北岩溶山区。具有溶洞多且深浅不一、大小不一、连通性强等特点。通过冲击钻冲击，多次出现地面塌陷、塌孔、卡锤等情况，成孔困难。后采用全回转钻机施工，用全回转套管跟进结合旋挖机工艺，并跟进钢护筒的方法成孔。2 施工方案全回转全套管钻孔施工使用大型液压泵站带动全回转钻机钻进并同步跟进钢套管，旋挖钻机钻取套管内的钻渣，形成整体式套管护壁成孔。成孔后跟进普通钢护筒并置换拔出钢套管，拔出的同时需要在钢套管和套筒之间填充碎石。然后吊放钢筋笼，接着放入导管，最后灌注混凝土成桩。全回转全套管钻孔施工工艺如图 2 所示。图 2 全回转全套管钻孔施工工艺Fig.2 Flowchart of the full rotary pipe casing drilling图 1 桩基断面示意图Fig.1 Schematic diagram of the pile foundation section张华雨，等套护筒间碎石填充对桩基荷载传递的 FLAC-PFC 耦合数值模拟第 2 期18湖南工业大学学报 2023 年全回转钻机钻头及钢套管根据设计孔径进行选择，设计桩径为 1.25 m 的桩基，采用内径为 1.4 m的钻头和钢套管；设计桩径为 1.5 m 的桩基，采用内径为 1.6 m 的钻头和钢套管。钢护筒和钢套管之间存在 5 cm 的缝隙，因此在跟进钢套管过程中需在缝隙间填充碎石，使用碎石填充溶洞并保证桩身垂直度。碎石粒径不大于 5 cm，匀速拔除钢套筒并持续填充碎石，直到钢套筒完全拔出。钢护筒跟进完成后，反向转动钢套筒，将钢套筒逐节拆卸。3 数值模拟以贵南高铁某桥梁桩基为工程背景，建立 FLAC-PFC 耦合模型，桩周岩体和桩使用连续单元模拟，碎石使用离散元模拟。在桩顶按应力分级加载，对比分析填充不同密实度碎石下桩基荷载传递和填充碎石运动特征，为岩溶桩基施工提供参考依据。3.1 模型建立及计算参数选取颗粒流离散单元法是基于颗粒流理论研究非线性介质力学的计算方法12。PFC 是一种基于离散单元代码软件，以散体介质细观力学特性为根本依据，通过模拟颗粒间运动及相互作用来解析模拟对象的宏观物理力学行为，在研究颗粒材料间的相互作用及不连续变形方面具有较大优越性13。FLAC 是基于快速拉格朗日差分分析法开发的软件，用于模拟三维土体、岩体或其他材料体的力学特性14。本文采用 FLAC3D有限元软件进行模拟，实体模型如图 3 所示。根据工程实际，桩径为 1.25 m，桩高为 35 m。钢套筒直径为 1.5 m，碎石填充在钢套筒与套管之间，形状为内径 1 250 mm、外径 1 500 mm 的圆环。考虑边界效应的影响，模型长宽均为 30 m，深度方向取70 m。其中红黏土层厚 10 m，灰岩厚 60 m。桩身和桩周岩体都使用实体单元进行模拟，共建立 87 400个单元。碎石使用颗粒进行模拟，颗粒和实体通过由实体或壳单元生成的墙相互作用。模型四边及底面使用固定约束，顶面为自由面。桩身采用弹性本构模型，桩周岩体采用摩尔-库伦弹塑性本构模型14。根据现场勘探资料模拟使用的参数如表 1 所示。桩基加载过程中，桩与桩周岩体之间会发生相对滑动，因此要在桩与桩周岩体间建立接触面。由于全回转全套管岩溶桩在桩侧不直接与桩周岩体接触，通过碎石相互作用，因此本模型仅在桩底与灰岩之间建立接触面。FLAC3D中接触面由一组接触面单元集合而成，每个接触面单元由 3 个接触面节点组成的三角形所定义，可在空间的任何位置创建接触面单元。通常，接触面单元被绑定到单元体的面上，对于四边形单元体的面需定义两个接触面单元，接触面节点在其顶点自动创建。当另一网格表面与接触面单元接触时，在接触面节点处会检测到接触，并具法向、切向刚度及滑动特性14。接触面节点本构模型如图 4 所示。接触面单元的相关参数为黏聚力 c、内摩擦角、法向刚度 Kn、切向刚度 Ks和剪胀角。接触面单元是描述可以滑动和分离的平面，用来模拟桩周岩体与桩之间的接触关系，其力学参数与桩周岩体的力学参数有关，但具体取值并无准确规定。参考文献 15，可通过下式确定接触面单元参数。/*=0.50.8，式中：为接触面单元的力学参数；*为桩周岩体的对应参数，可根据桩体类型与施工方法进行选择。接触面的法向刚度和剪切刚度可取 10 倍周边单元体的最大等效刚度，即图 3 实体模型模拟图Fig.3 Simulated diagram of the entity model表 1 实体模型参数取值 Table 1 Param