周文龙 刘占伟 张富森
河北建设勘察研究院有限公司 石家庄 050031
摘要：本文依托江苏某LNG项目的实际情况，应用FLAC3D软件，模拟分析了碎石桩复合地基在不同桩长的工况下，地表沉降和桩土应力比的变化规律，从而确定该项目的最优设计桩长。并通过现场实际检测结果与模拟数据进行对比分析。
关键词：碎石桩；承载力；沉降；数值模拟；理论计算；
Determination of Design Pile Length of Gravel Pile Composite Foundation by FLAC3D Analysis
Zhou Wenlong，Liu Zhanwei，Zhang Fusen
（Hebei Research Institute of Construction and Geotechnical Investigation Co.，Ltd.，Shijiazhuang，050031；）
ABSTRACT：Based on the actual situation of a LNG project in Jiangsu Province，this paper simulates and analyses the variation law of ground settlement and pile-soil stress ratio of gravel pile composite foundation under different pile lengths by using FLAC3D software，so as to determine the optimal design pile length of the project.The results of field test and simulation data are compared and analyzed.
KEYWORDS：tube gravel pile；bearing capacity；settlement；numerical analysis；theoretical calculations；
CLASSNO：TU472
1 引言
在地基处理工程，特别是沿江沿海地区，碎石桩复合地基应用的越来越多，并取得了很好的经济效益和社会效益。但应用过程中也存在些误区，比如，认为复合地基的褥垫层越厚越好、桩径越大越好，桩长越长越好等等。实际工程如何选择这些设计参数，对地基处理方案的合理性和经济指标具有明显影响。所以本文意在依托江苏某LNG工程项目实例，借助FLAC3D软件，模拟分析并确定最优的设计桩长。
2 工程概况
2.1碎石桩的布桩形式：正方形布置，桩间距为2.1m，桩径0.9m。
2.2本工程的地质条件及土层分布情况如下：
① 吹填砂：黄灰色—灰色、灰色，主要为粉砂，局部夹粉质粘土平均层厚10.92m；
② 粉砂（局部细砂）：黄灰色、灰色，平均层厚4.03m；
③ 粉砂夹粉质粘土、粉质粘土夹粉砂：粉砂灰色，粉质粘土褐灰色，平均层厚2.94m；
④ 粉砂：灰色，平均层厚7.09m；
⑤ 粉质粘土夹粉砂、局部呈互层状：粉质粘土褐灰色，粉砂灰色，平均层厚4.32m；
⑥ 粉砂：灰色，平均层厚14.04m；
⑦ 粉质粘土：灰色，平均层厚5.79m；
⑧ 粉砂，局部为粉土：灰色，平均层厚15.26m。
3 建立FLAC3D模型
由于②、③、④层的土层物理力学性质相似，为简化计算模型，将它们视为一个层厚为14米的土层，其物理力学参数按照各自厚度加权平均取值。模型中的土层从上到下分为7层，分别为褥垫层、吹填土、粉砂、粉质粘土、粉砂、粉质粘土和粉砂，各土层的相关参数取值如表1所示。
表1土层的主要参数表
Table 1 the main soil parameter table
复合地基的碎石桩为散体结构，采用实体单元模拟，其参数取值参考《工程地质手册》中碎石土的参数，取值为：重度21kN/m3，弹性模量70MPa，泊松比0.2。
摩尔库仑本构模型中的体积模量K和剪切模量G可以通过弹性模量和泊松比计算得出，式（1.1）和式（1.2）分别给出了体积模量、剪切模量与弹性模量及泊松比之间的具体关系。
……（1.1）
……（1.2）
由于本工程加固的地基范围非常大，整体模拟建立模型太大，计算非常困难，故选取一个边界条件进行模拟，以便于简化计算，建立的模型长度、宽度、高度分别为24.4m、8.4m、64m，左侧区域的地基进行碎石桩处理。本次建立模型，褥垫层0.5m，碎石桩采用正方形布置，桩径0.9m，桩间距为2.1m，置换率14.38%。为计算准确，本模型共计设置了50224个单元，54516个节点。
计算中考虑模型前后、左侧为对称边界，右侧取复合地基模型宽度的两倍左右，前、后、左侧均为法向约束，右、下侧为全约束、上表面为自由面。同时，计算中假定碎石桩在竖向荷载作用下发生膨胀变形，桩间土产生被动土压力，在一定程度上阻止桩的侧向变形。计算模型采用摩尔库仑本构模型，未考虑水的影响。模型的具体尺寸参数见图1所示：
数值模拟工况设计是本文在置换率14.38%，垫层0.50m的不变条件下，分别模拟了桩长为8m、12m、16m、20m、24m的工况；然后以50kPa的梯度逐渐增加垫层表面所受到的面荷载至350kPa。通过数值模拟，分析不同工况的受力和变形特性的影响，指导碎石桩复合地基的桩长的选择，以便提高地基处理的经济性，避免不必要的浪费。
图1 数值分析模型图
Figure 1 numerical analysis model
4 模拟分析
4.1不同桩长下复合地基地表沉降模拟
由碎石桩的加固机理可知，在复合地基中碎石桩的桩长对复合地基的承载与变形也有较大的控制作用，碎石桩通过桩身将荷载传递到地基深处从而降低地基的压缩变形以达到控制地基沉降的作用。较大程度地提高复合地基的承载力并降低地基的沉降变形。当软弱层较厚时，桩身不足以贯穿整个软弱层，此时的复合地基可以视为一个垫层，将上部荷载扩散并均匀分布到复合地基下面的土层，从而起到双垫层的作用。本工程地基的软弱土层较厚，碎石桩达到地基下层较好的受力岩层对施工要求较高，工程费用较多。碎石桩未贯通复合地基软弱层时，复合地基的承载力已经可以满足工程所需的条件。工况，其具体结果见图2~4所示：
图2 复合地基地表沉降与桩长的关系
Figure 2 Relationship between ground settlement and pile length of composite foundation
由图2可见，随着荷载的增加，不同桩长情况下，桩长越短，地表沉降越大。桩长越长，地表的沉降量越小。整个加载过程中，当桩长达到20m后，桩长的增加对地表沉降量的减小贡献不大。
图3 桩顶沉降与桩长的关系
Figure 3 Relation between Pile End Settlement and Pile Length
由图3得知，桩长越长，桩顶沉降量就越小；而随着荷载的增加，桩长增加对桩顶的沉降的影响也就越明显。对比图2分析可知，荷载300kPa与350kPa之间，桩长超过20m后，桩长的改变对桩顶沉降的影响可忽略不计，在此加载过程中，桩顶沉降随荷载增加的变化梯度与桩长无关。
4.2不同桩长下桩土应力比模拟
图4 桩土应力比与桩长的关系
Figure 4 The relationship between pile-soil stress ratio and pile length
由图4得知，在碎石桩破坏前，由桩和桩间土共同承担，不同桩长情况下，桩土应力比均是线性增加。当荷载打到桩体破坏极限时，碎石桩发生破坏，此时荷载均有桩间土承担，说明桩长越长，承载能力越大，复合地基发挥的作用也就越大。但桩长超过20米后，桩长的增加，对桩土应力比的发挥贡献不明显。所以针对该工程选择桩长20m既能满足设计要求，又能比较经济。
通过后续的复合地基检测，最终特征值为110Kpa，达到了不小于100Kpa的设计要求。模拟数据与实际检测数据相比较，模拟数据偏低。
5 结论
综上所述，随着桩体长度的增加，地表沉降和桩顶沉降量得到了有效降低，桩长20m与桩长24m相比得知：桩长到达20m后，桩长的增加对地表沉降的控制作用明显降低。由此可知，当桩长达到某一值后，桩长的增加将不会继续减小地基的沉降。因此在复合地基碎石桩设计中，桩长过长不但对地基的承载与变形能力的提高没有实质性的意义，而且会造成经济的浪费。
桩土应力比会随着桩长的逐渐增加而增加，随着荷载的逐渐增加，桩长较小的碎石桩侧阻摩擦力将会逐渐达到极限，同时桩顶土体也将产生塑性变形，所以桩土应力比将会在增加到一定值后逐渐减小。
参考文献：
[1]孙玺.大型储油罐振冲碎石桩地基处理设计研究[D].中国海洋大学，2012.
[2]霍锦宏.碎石桩单桩复合地基的承载性能研究[D].哈尔滨工业大学，2009.
[3]周建民.振动沉管碎石桩在淤泥质土地基中的应用研究[J].岩土力学，2003，（S2）：569-571.
[4]谢建成.振动沉管碎石桩在软基处理工程中的应用[J].中外公路，2010，（06）：27-29
[5]张定.复合地基中桩体变形模量的分析与计算[J].岩土工程学报，1999，21（2）：205-208.
[6]姚琪阳.碎石桩复合地基承载机理及优化设计研究[D].湖南大学，2004.
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遥感技术应用到矿山数据的处理中，可以提升数据处理的效率，并且在一定程度上可以起到环境保护的作用。相对于人力处理来书，无人机遥感技术具有更高的准确性以及速度。矿山治理过程中也可以使用无人机遥感技术，无人机遥感技术的应用，可以解决矿山开发对周围自然生态破坏的问题。无人机遥感技术可以实现低空飞行，这样就能够保证数据具有较高的准确性，并且可以快速处理数据，从而有效的改善矿山环境的质量。
3.4无人机拍摄数据处理分析
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4、结束语
测绘工程的实施离不开科学的技术支撑作用。在测绘工程中，通过运用无人机遥感测绘技术，在实现测量准确性提升的同时，也能够实现测量便捷性的高效提升，为测绘工程的良好发展奠定基础。在整个测绘工程中，无人机遥感技术主要是负责采集并处理相关信息，能够实现测绘工程应用空间的扩展，并且有效减少恶劣条件对测绘工作所造成的影响。而在现阶段无人机遥感技术的应用工作中，还存在着一些缺陷与不足之处，这就要求有关单位和工作人员应当进一步强化开展该技术研究工作，使其能够更好地服务于测绘工程。
参考文献：
[1]杨晓庆.无人机遥感测绘技术在工程测绘中的应用[J].门窗，2018（2）：21-26.
[2]郭虎.浅析无人机遥感测绘技术在工程测绘中的应用[J].城市建设理论研究，2017（10）：82-89.
[3]李捷斌.无人机遥感技术在测绘工程测量中的实践探索[J].居舍，2018（1）：55-57.
论文作者:周文龙,刘占伟,张富森
论文发表刊物:《建筑细部》2019年第1期
论文发表时间:2019/9/3
标签：地基论文; 碎石论文; 无人机论文; 遥感论文; 荷载论文; 工程论文; 土层论文; 《建筑细部》2019年第1期论文;