安徽省淮河河道管理局 安徽省蚌埠市 233000
摘要：采用FLAC3D对通信杆塔钻孔灌注桩竖向受荷情况下的沉降和轴力进行数值模拟分析，并将结果与实际情况进行了比较，证明了桩基能够满足载荷要求，保证上部结构的安全稳定，也进一步说明了FLAC3D对钻孔灌注桩的位移和应力的模拟较好，能够有效解决工程实际问题，对工程施工具有理论指导作用。
关键词：钻孔灌注桩；数值模拟
1引言
钻孔灌注桩技术是常见的一种施工技术，在工程建设领域发挥着非常重要的作用[1]。钻孔灌注桩能够有效的解决了塌孔、断桩、缩径、泥浆排放[2]等问题，极大地提高了工作效率，是一种很好的、值得推广的一种地基加固处理方法。
FLAC3D (Fast Lagrangian Analysis of Continua) 是由ITASCA公司研发；运用三维有限差分程序的方法，对岩石、土体等介质上的三维受力点进行模拟计算的软件[3]。FLAC3D因对材料的弹塑性、大变形分析、流变预测和施工过程中岩土工程的数值模拟的适用性，目前在国内外广泛应用于地质和岩土工程的力学分析。
2工程概况
2.1工程规模
拟建安徽省淮河河道管理系统无人机移动视频通信杆塔为外爬支架式单管塔，高度25m，塔床截面为正十六边形。
2.2 地形地貌
工程区位于黄淮冲积平原区，按地貌单元按其成因可划分为人工堆积地貌、河流堆积地貌和河流侵蚀堆积地貌。人工堆积地貌主要分布于河道堤防、水利工程枢纽及居民区。河流堆积地貌主要是由淮河、沙颍河、涡河冲沉积形成的广大平原区，总体呈北西向南东倾斜，局部地段受微地貌影响，地形略有不规则起伏。河流侵蚀堆积地貌主要为淮河、沙颍河、涡河河床及河漫滩，沿淮分布有面积不等的河湖洼地。
2.3地质条件
工程区处于华北地层区的南缘，其第四纪堆积物中，河湖相沉积较为发育，厚度60~140m不等。全新统地层一般多见于现代河道，常呈现于高地。早、晚更新世期间，物源主要来自近山区和大别山及西部低山、丘陵；晚更新世以后主要来源于黄河、淮河沉积。根据区域地质调查报告和本次地质工作的总结，在本区出露的第四纪地层有：
第四系人工堆积积层（Qml 4）：主要为堤身填土，多为堤防填筑时在沿堤线附近就近取土，土性一般与附近堤基上部地层相同或相近，筑堤土料多为重、中粉质壤土、砂壤土。局部地表堆积有杂填土层。
第四系全新统冲积层（Qal 4）：是组成河漫滩的主要地层，有不太明显的韵律层，局部韵律明显，土性为灰黄、棕灰、黄褐色粉质壤土夹粉细砂或粉细砂夹粉质壤土，局部含有淤泥质，厚度不等变化较大，一般厚度10~20m。按岩性特征及沉积规律的变化，本统以可以分为上、中、下三段：
全新统上段冲积层（Q3al 4）：主要岩性为灰黄色粉质壤土与粉、砂性土层，层理清晰，常为互层沉积。
全新统中段湖积~冲积层（Q2-1al 4）：主要岩性为灰色、深灰色粉质壤土与粉、砂性土层夹薄层淤泥，微层理发育。
全新统下段冲积层（Q1al 4）：主要岩性为灰色、灰黄色粉质壤土与粉、砂性土层，常呈互层状，韵律变化明显。
第四系上更新统冲积层（Qal 3）：是组成河床的主要地层，主要岩性为灰绿、棕黄、棕红、褐黄色粘土、粉质粘土与粉细砂层，有比较明显的韵律层，水平层理较清晰，含铁锰结核和钙质结核。常以灰绿色粘土、粉质粘土为每个韵律之顶部，棕黄、棕红、褐黄色粘土、粉质粘土为每个韵律之中部，底部多为砂性土层。每个韵律的厚度一般为10-20m左右。
第四系中更新统冲积层（Qal 2）：以灰绿色中细砂、灰绿、赭红色粉质粘土为主，埋深一般在20m以下，结构致密。
2.4 设计方案
本次基础考虑采用基础板（承台），并在承台下设计钻孔灌注桩。承台采用长×宽×深=2m×2m×2m，钻孔灌注桩直径1.5m，桩深设计为8m。总共设计16个通信杆塔，本文选择3#杆塔进行研究。
3计算模型构建
3.1模型构建
运用有限差分软件FLAC3D对灌注桩进行数值分析。综合考虑边界影响及求解速率，本文只选取模型的一半进行计算，模型区域选取10倍桩径[4]，构建36m×22m×10m的模型，底部设为全约束，四周边界设为侧向约束，顶部设为自由边界。
土具有极其复杂的物理力学性质，在外荷载的作用下，不仅产生弹性变形，而且还会产生不可恢复的塑性变形[5]。本文土体运用摩尔-库仑弹塑性模型进行计算，灌注桩及承台均采用符合弹性模型的实体单元模拟[6]。
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图1 桩体模型图
3.2土层及灌注桩参数
本文选用3#杆塔灌注桩计算，根据地质勘探报告周围土体参数取值如下表：
表1 土体主要参数
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本工程中采用的混凝土灌注桩桩径为1.5ｍ，桩长8m，混凝土强度等级C30，桩体的物理参数取值如下表：
表2 灌注桩主要物理参数
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3.3接触面
为保证模型构建的准确性，在承台、桩体与土体的接触表面设置接触面，如下图：
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图2 实体单元间接触面
各接触面相关取值计算如下：
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式中：
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4模拟方案
根据上部结构自重及规范要求[7-9]，在承台上部施加20kPa的均布荷载，经过约10000时步计算，得到桩体在上部荷载作用下的位移和轴力云图。
由图3可知，桩体最大位移发生在桩顶，桩底部位移基本为零。这是因为桩体与土层周边存在侧摩阻力，桩身和桩周围土体自上而下位移量逐渐减小；加之底部持力层土性较好，所以竖向方向的位移量极小。桩顶位移1.67cm，桩底位移几乎为0，说明在外部荷载作用下，主要是桩侧摩阻力在发挥作用，桩端持力层未充分发挥承载能力，与实际情况符合。因此可以认为此桩的满足设计要求，能够很好的承受荷载，不会产生过大沉降，从而影响通信杆塔的使用。
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图3 桩体位移云图
桩身轴力分布是掌握桩荷载传递过程、分析桩体承载性能的重要因素[10]。由图4可知，桩体轴力自上而下逐渐增大。这是由于上部承台及桩体自身自重较大，而上部荷载较小，基础自重成为影响桩体应力分布的重要因素[11]。因此可在保障施工安全、桩体稳定的基础上适当减小桩体直径，以达到节约成本，合理施工的目的。
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图4桩体轴力云图
5 结论
在通信杆塔工程中使用钻孔灌注桩，具有施工简单快速，作业集中系统化，安全可靠的特点，能够满足实际施工要求。本文运用FLAC3D对工程桩基的位移、桩身轴力的模拟分析，得到的结果与实际情况基本吻合，说明建立的FLAC3D模型比较适用于本工程问题研究，能够为以后的类似工程提供理论依据。
参考文献
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[3]张颖,陈晨,王彧佼,靳成才,张晗,潘栋彬.基于FLAC3D对大连某工程桩基承载力数值模拟研究[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2019,46(05):65-71+85.
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