基于FLAC3D有限差分模型的桩基沉降分析研究

　　摘要：以五里侯煤矿联建楼段工程地质资料为基础，分析了引发五里侯煤矿联建楼桩基大规模沉降的原因。通过建立FLAC3D有限差分模型，对五里堠煤矿联建楼成桩后地层以及成桩后桩端施加荷载情况下桩周岩土体及桩端应力进行有限差分模拟计算，得出桩基荷载条件下地基基础中应力变化过程及应力影响范围，提出桩基基础底部不同工程地质条件对桩基安全性的影响评估，为沉降治理提供理论指导。
　　关键词：桩基沉降；FLAC3D；有限差分

　　1 引言
　　在工程桩基设计过程中，不同的地质条件，如地下含水层赋存、地下空洞等均会对桩端持力层的有效工作产生影响，只有对持力层（岩）土体应力分布有足够直观的了解，才能够结合不同的工程地质、水文地质条件对桩端持力层的稳定性给予评价，因此，对桩端持力层岩土体内部应力分布规律研究具有重要意义。闫宏业等对CFG桩复合地基持力层进行了模拟实验研究[1]，杨维好等对负摩擦力作用下端部嵌固桩的竖向稳定性分析[2]。前人所做研究对桩基础设计的安全、经济性提供了宝贵的理论支持。然而，对端承桩桩基下基岩持力层内应力分布及稳定性影响因素的分析，还没有进行充分细致的研究，针对这一领域的研究空白，结合五里堠煤矿工程实践中出现的一系列岩土工程问题，本研究通过收集基础资料，构建地质模型、模拟、分析，讨论桩基大规模沉降的可能性原因，为下一步治理提供技术支持。
　　2 工程概况
　　山西潞安集团左权五里堠煤业有限公司兼并重组整合矿井位于山西左权县城南2.5km处西寨村西北，煤矿联建楼设计拟建六层，由于表层土承载力不足，且下覆为较厚层强风化泥岩，故设计采用端承桩基础模式进行地基处理，桩底埋深25m，直接持力层为中风化砂岩。2012年8月，在联建楼上部建筑施工到四层时，桩基发生不同程度沉陷，其中最大沉降量达到105mm，并伴随有地面沉陷。
　　由于地面沉降也已发生，研究区域内的部分地质及水文地质条件已经遭到破坏，给进一步查明区域工程地质条件及水文地质条件带来很大影响。根据五里堠煤矿联建楼勘察及施工资料，在煤矿的联建楼区域下部有不同深度不同范围不规律分布的空洞存在。在桩基持力层基岩位置有地下水赋存，地下水赋存岩组、水位及地下水补给径流排泄条件不明。这些不明确因素对查明联建楼桩基沉降原因造成极大干扰。
　　3 研究区地质条件
　　研究区位于侵蚀中低山边坡地段，原地层出露为强风化二叠系泥岩，在场地勘察深度内，未发现地面塌陷、裂隙等不良地质作用。由于五里侯煤矿属于兼并重组矿井，对于原矿井小窑开采范围及开采历史不明确，且在施工过程中多次发现存在地下空洞，因此推断该处有存在采空区的可能。
　　在建矿过程中，通过填方整平标高，研究区新近填土平均厚度15m，填土最厚处可达30m，所填土体为素填土，未经过严格的分层碾压，其工程地质性状较差。下覆二叠系泥岩系全风化岩层，灰、褐黄色，厚度约10m，稍湿，有细微层理结构，断面有光泽，质软，用手可掰断。底部为中风化砂岩，褐黄、黄褐，厚度约10m，含少量氧化铁斑，中砂颗粒，颗粒矿物成分主要是石英、长石，硅质胶结，岩质坚硬。厚层状结构，裂隙发育一般。
　　4 桩基沉降原因初步分析
　　基于现有工程地质及水文地质条件，结合桩基沉降现状可大致将可能引发沉降原因分为工程地质成因和水文地质成因两大类。
　　4.1 工程地质成因分析
　　主要的工程地质成因包括两部分，其一为研究区下部揭露的不规律空洞裂隙带发育与桩基处应力影响深度交汇，引发裂隙的进一步发育，造成桩基沉降。其二为桩基施工过程未达到设计标准，导致实际工程地质条件未达到桩基承载要求。根据联建楼桩基施工记录，由于基岩面浅层地下潜水的存在，桩基施工过程中桩端无法施工到设计的中风化砂岩地层，桩端实际埋置于距中风化砂岩地层上部2m左右的全风化泥岩中，或成为引发桩基沉降的另一原因。
　　4.2 水文地质成因
　　地下水的存在可能对桩基稳定性造成影响主要表现在桩基施工完成后，上部荷载的施加可能造成含水层应力重新分布而形成新的越流途径，导致含水层与附加强导水边界沟通，引发大规模越流，使得桩端承载力大幅度降低，进而引发桩基沉降。
　　5 模型构建与模拟
　　5.1 FLAC3D有限差分软件简介
　　FLAC 是连续介质快速拉格朗日差分分析方法(fast lagrangian analysis of continua)的英文缩写。是美国Itasca Consulting Group Inc 开发的三维显式有限差分法程序，可以模拟岩土或其他材料的三维力学行为。FLAC3D采用显式有限差分格式来求解控制微分方程，并应用混合单元离散模型准确地模拟材料的屈服、流体的流动、软化直至大变形，在材料的弹塑性分析、大变形分析以及流－ 固耦合分析等领域有其独到的优点[3]。
　　5.2 模型构建
　　模型构建过程中，首先对研究区域地层进行分析，概化出区域地质模型，结合FLAC3D差分软件中摩尔库伦模型、各项同性弹性模型达到模型构建的目的。FLAC3D软件中的摩尔库伦模型为研究土体、基岩应力变化的通用模型；各项同性弹性模型则用于均匀，各向同性的连续体，如人造材料的模拟。
　　构建FLAC3D研究区地层模型如图1所示，可分为3层，第一层代表地表土层，为图中黄色栅格表示区，模型中以soil表示，该层模型厚度为30m；第二层代表持力层上部的强分化泥岩地层，为图中红色栅格表示区，该层模型厚度20m，模型中以rock1表示；第三层则为下部中风化砂岩地层，为图中绿色栅格表示区，在模型中以rock2表示，该层模型厚度为20m。
　　在地层模型的基础上加入桩基模型见图2。桩体位于第一层土体和第二层全风化泥岩中，根据实际施工条件，桩体未到达设计持力层，在桩体在模型中用蓝色栅格表示，在模型中以pile表示。
　　模拟过程为满足不同岩土体的工程地质特性，精确模拟研究区现状，采用双模型系统对研究区不同地层单元进行模拟。其中，模型桩周土体和桩下持力层采用莫尔库伦模型，桩体本身则采用弹性模型。桩体材料及各岩土体材料参数分别见表1和表2。
　　作为对比分析的参照模型，原地层模型的构建主要用以确定自然条件下，研究范围内地层分布及应力分布情况。即在地层中未施工桩基的条件下土体自然平衡条件下，桩体内纵向应力分布情况。
　　5.3 模拟结果及分析
　　（1）原地层模型运算结果：
　　根据构建的原地层模型模拟结果见图3。
　　天然状态下各土层内纵向应力呈层状分布，在填土层与基岩接触面发生应力集中现象，在该接触面附近的岩土体纵向应力达到最大值，该处的纵向应力可达到5×104Pa。桩基基础下原地层中纵向应力值约为2×104Pa，在第2，第3层岩石接触面上的应力分布可达到1.0×104Pa。第3层岩石内的应力分布呈均布式分布，应力大小约为1.0×104Pa。
　　（2）未施加应桩端应力条件下模型模拟结果及分析
桩顶为未施加应力的条件下，成桩后桩体及桩周土体见纵向应力分布如图4所示： 　　分析图中应力分布结果，可得到：在桩体侧摩擦作用下，桩周土体应力分布呈近似水平状，桩底部应力分布则呈现出漏斗状。桩底部与基岩基础面应力为2.0×105Pa，第2、第3层基岩接触面应力为2.0×105Pa，桩体对第3层基岩内部应力影响分布为同心半圆状，应力影响范围可达到模型底部，应力大小约为5.0×104Pa。
　　（3）桩端施加纵向应力2.0MPa，桩体及桩周土体内应力分布范围及分布特征见图5。
　　施加应力后，模型应力体系整体重新分布，由于桩端施加应力较大，高出原模型内部应力数量级，应力的分层分布出现在桩体上部，并以桩端应力最大，随深度增加逐步减小。至桩体1/3处应力分布的规律性降低，桩周土体的应力出现大范围应力均布现象，在桩体与基岩接触面及全风化泥岩与中风化砂岩接触面上并未出现明显应力差异与集中。 　　根据模拟结果，桩体施加压力后对桩下岩土体应力分布的影响范围为桩下10m，该范围内的岩土体纵向应力可达到2.0×105~4.0×105Pa。
　　6 结论
　　通过模型模拟结果对比，结合研究区工程地质、水文地质条件，得出结论如下：
根据模拟得到的应力影响深度，在研究区工程勘察与桩基施工过程中，未在桩端应力影响范围内发现采空空洞的存在，初步可判断采空区对桩基稳定性直接影响较小，可进一步采用钻探、物探等方式探明区域内下覆采空区的深度及规模，以确定空洞裂隙带发育的高度是否与桩基应力影响深度相交，进而较精确评估地下空洞对桩基大幅度沉降的影响。
　　由于桩基施工过程未能完全施工到设计的中风化砂岩地层，而是位于全风化泥岩地层中，通过模拟分析，在施加应力条件后，桩下岩土体中应力呈均布状态且应力值较大。而根据室内试验数据，该层全风化泥岩在地下水浸泡下易发生软化变形，且其承载能力很难达到模拟结果要求，故诱发桩基大幅度沉降的可能性极大。
　　在施加应力后桩基模拟结果显示，在全风化泥岩和中风化砂岩接触面上应力较大，可达4.0×105Pa，如果该基岩面存在地下水，上部基岩应力增加导致水体越流侵蚀基岩作用增强的可能性较大，进而引发上部桩基的失稳。查明该区域地下水赋存与径流情况，是排查这一原因的必要条件。

　　参考文献（Reference）
　　[1] 闫宏业，叶阳升，蔡德钩等，CFG桩复合地基持力层模型试验研究[J].铁道建筑，2009(7),44-48.(Yan hongye, Ye yangsheng, Cai degou etc. Model test study on beating stratum of CFG pile composite foundation[J].Railway Engineering, 2009(7):44-48. (in chinese))
　　[2] 杨维好，黄家会，负摩擦力作用下端部嵌固桩的竖向稳定性分析[J].土木工程学报，1994,32(2):59-61. (Yan weihao, huang jiahui. Axial buckling analysis of bottom-fixed pile under negetive skin friction. China civil engineering journal, 1994,32(2):59-61.(in chinese))
　　[3] 李地元，李夕宾，张伟等.基于流固耦合理论的连拱隧道围岩稳定性分析[J].岩石力学与工程学报，2007,26(5),1056-1064.(Li diyuan, Li xibing, Zhang wei etc. Stability analysis of surrounding rock for multi-archtunnel based on coupled fluid-solid theorem. Chinese jounral of rock mechanics and engineering,2007,26(5):1056-1064. (in chinese))