巖溶區(qū)大孔徑樁承載力影響因素分析

趙昌清，龔 嘯，陳勇鴻

(湖南省婁新高速公路建設(shè)開(kāi)發(fā)有限公司，湖南婁底 417000)

巖溶區(qū)大都采用大直徑嵌巖樁，樁基的直徑基本都在80 cm以上，人工挖孔樁也達(dá)到了120 cm以上。大直徑樁基的承載特性與中小直徑樁基在受力上的不同，在分析大直徑樁基承載特性時(shí)應(yīng)考慮并區(qū)別于普通小直徑樁的承載特性。本文以?shī)湫赂咚儋Y水大橋?yàn)楣こ瘫尘?，通過(guò)有限元計(jì)算軟件MIDAS/GTS計(jì)算，分析不同因素對(duì)巖溶區(qū)大孔徑樁承載力的影響，為巖溶區(qū)大直徑樁承載力計(jì)算與內(nèi)力分析提供依據(jù)。

1 工程概況

婁新高速公路第八合同段資水大橋位于湖南省冷水江市金竹山鄉(xiāng)資江村附近，跨越湖南省四大水系之一的資江，全長(zhǎng)942.00 m，主橋上部結(jié)構(gòu)為48 m+3×80 m+48 m預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁。下部結(jié)構(gòu)為雙柱式墩、樁基礎(chǔ)(嵌巖樁)。該橋主橋5～8號(hào)橋墩位于資江河道中，下部結(jié)構(gòu)為單樁(φ 300 cm)單柱(六棱形)，單幅主墩為1排2根鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，鉆孔灌注樁樁徑為φ 300 cm，地系梁設(shè)計(jì)均位于河床之上、施工水位之下，鉆孔樁為嵌巖樁。

2 巖溶區(qū)大直徑樁基有限元分析模型

2.1 基本假定

在分析前對(duì)巖體的彈塑性地基模型及樁體進(jìn)行如下假設(shè):

1)應(yīng)變和位移之間為幾何線性相關(guān);

2)考慮巖體的分層性，認(rèn)為同一巖層是均勻、連續(xù)、各向同性的;

3)不計(jì)應(yīng)變速率對(duì)本構(gòu)關(guān)系的影響;

4)不考慮彈塑性耦合作用;

5)相接觸的樁土單元有相對(duì)滑動(dòng)，但土體與樁自始至終相互接觸。

2.2 參數(shù)選取

選用Druck-Prunk本構(gòu)模型，樁身和樁周巖體考慮在荷載作用下的塑性變形。其中主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)樁設(shè)計(jì)資料

模型簡(jiǎn)化成單一巖層，同時(shí)在溶洞存在的位置，不設(shè)置接觸單元，影響因素分析中的模型參數(shù)見(jiàn)表2、表3。

2.3 模型的建立

考慮在樁土相互作用，樁周土取15倍D，高為150 m，取1/4模型進(jìn)行計(jì)算。如圖1、圖2分別為樁基樁土模型示意圖。GTS中采用的是無(wú)厚度無(wú)質(zhì)量的Goodman單元，該單元采用彈簧剛度概念，可以模擬節(jié)理巖體在接觸面之間會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)、滑移或開(kāi)裂。由于樁基位于巖溶區(qū)，且穿過(guò)多層溶洞，巖體與混凝土界面粘聚力c，內(nèi)摩擦角φ取值見(jiàn)表4。模型的對(duì)稱面分別施加X(jué)方向，Y方向的約束，對(duì)圓弧面施加X(jué)和Y方向的約束，對(duì)模型底面施加Z方向的約束。在樁頂施加面壓力Q=14 147 kN/m2。總共分為10級(jí)，逐級(jí)加載。為了反映真實(shí)的基樁的施工過(guò)程，需要對(duì)整個(gè)模型分析進(jìn)行劃分。第一階段，對(duì)自重條件下初始地應(yīng)力進(jìn)行分析，在計(jì)算出的結(jié)果中，保留應(yīng)力，消除重力引起的位移;第二階段，基樁的施工，并加入接觸單元;第三階段，加荷載，荷載分為10級(jí)。

表2 材料的物理參數(shù)表

表3 影響因素表

圖1 樁土相互作用有限元模型

圖2 樁的限元模型

表4 樁土接觸面參數(shù)表

3 樁承載力影響因素分析

3.1 溶洞半徑對(duì)樁承載力影響

由圖3可以看出，在相同荷載條件下，無(wú)溶洞的樁頂沉降明顯要小于有溶洞的樁頂沉降，并且隨著荷載不斷增加，無(wú)溶洞樁與有溶洞樁的沉降差值也逐漸增大;當(dāng)溶洞的半徑從2 R變化到6 R，樁頂沉降差異不明顯，說(shuō)明當(dāng)溶洞半徑大于2 R時(shí)，溶洞半徑大小對(duì)樁承載力產(chǎn)生的影響并不明顯。

3.2 溶洞頂板厚度對(duì)樁承載力影響

由圖4可以看出，相同荷載條件下，溶洞頂板厚度從2 D增加到10 D的過(guò)程中，溶洞頂板越厚，樁頂沉降越小。說(shuō)明樁周接觸面積越大，側(cè)摩阻力也越大，樁基的承載力也越大。在不同溶洞頂板厚度下，樁基基本都處于線性變化中，說(shuō)明大直徑樁基剛度大，僅靠自身壓縮就能承受上部荷載的作用。

3.3 溶洞高度對(duì)樁承載力影響

從圖5可以看出，樁頂?shù)某两抵惦S溶洞高度的增大而增大，說(shuō)明樁周接觸的逐漸減小，樁基承載力隨之降低。因此溶洞高度是影響巖溶區(qū)大孔徑樁承載力得重要因素。

3.4 樁基彈模對(duì)樁承載力影響

從圖6中沉降曲線可以看出，當(dāng)樁基彈模為0.1 E時(shí)，相同荷載條件下的沉降顯著增大。原因是樁身彈模小，樁身壓縮大，從而導(dǎo)致樁身沉降量增大;當(dāng)樁身彈模由E增加到4 E時(shí)，樁身沉降隨彈模的增大而減小，但由于彈模變化引起的沉降變化值較小。

圖3 不同溶洞半徑的荷載－沉降關(guān)系

圖4 不同溶洞頂板厚度的荷載－沉降關(guān)系

3.5 樁周巖體彈模對(duì)樁承載力影響

從圖7可以看出，樁頂沉降有隨樁周巖石彈模增大而減小的趨勢(shì)，當(dāng)樁頂荷載較小時(shí)，各樁周彈模下的樁頂沉降差異并不明顯，當(dāng)荷載增大時(shí)，在相同荷載條件下，樁周彈模為0.1E的曲線隨荷載增加沉降值遠(yuǎn)大于其他三條曲線。說(shuō)明樁周彈模低于某一個(gè)值時(shí)，樁基承載力急劇降低，而當(dāng)樁周彈模大于一定值時(shí)，樁基承載力差異不大。

4 結(jié)論

圖5 不同溶洞高度的荷載－沉降關(guān)系

圖6 不同樁基彈模的荷載－沉降關(guān)系

本文以?shī)湫赂咚儋Y水大橋?yàn)楣こ瘫尘?，通過(guò)有限元分析不同因素對(duì)巖溶區(qū)大孔徑樁承載力的影響，得到以下結(jié)論:

1)當(dāng)溶洞半徑大于2R時(shí)，溶洞半徑大小對(duì)樁承載力產(chǎn)生的影響并不明顯。

2)溶洞頂板越厚，樁頂沉降越小。在不同溶洞頂板厚度下，樁基基本都處于線性變化中，說(shuō)明大直徑樁基剛度大，僅靠自身壓縮就能承受上部荷載的作用。

3)樁頂?shù)某两抵惦S溶洞高度的增大而增大，溶洞高度是影響巖溶區(qū)大孔徑樁承載力的主要因素。

4)樁身沉降隨彈模的增大而減小，正常情況下由于彈模變化引起的沉降變化值較小。

圖7 不同樁周巖石彈模的荷載—沉降關(guān)系

5)樁頂沉降有隨樁周巖石彈模增大而減小的趨勢(shì)，樁周彈模低于某一個(gè)值時(shí)，樁基承載力急劇降低，而當(dāng)樁周彈模大于一定值時(shí)，樁基承載力差異不大。

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