多層巖溶區(qū)大直徑樁在水平荷載下的數(shù)值分析

賀國京，楊汶東，易 錦

多層巖溶區(qū)大直徑樁在水平荷載下的數(shù)值分析

賀國京，楊汶東，易 錦

（中南林業(yè)科技大學 土木工程與力學學院，湖南 長沙 410004）

運用有限元軟件對多層巖溶地區(qū)大直徑深水基樁在水平荷載作用下基樁的位移、內(nèi)力進行數(shù)值分析。并將各種影響因素（溶洞的半徑、高度、巖土彈模、樁基彈模、溶洞頂板厚度）下的分析結果進行比較，得出有若干有參考價值的結論。

大直徑樁；水平荷載；巖溶區(qū)；有限元；水平位移

隨著我國交通事業(yè)的發(fā)展，大直徑樁基越來越多得到運用，與房建的大直徑樁基相比，公路橋梁的大直徑樁是指直徑大于等于2.5 m的基樁。目前國內(nèi)外對大直徑樁承載力理論研究，大多采用荷載傳遞法。自Seed和Reese于1955年提出荷載傳遞雙曲線模型來，該法已普遍用于大直徑樁豎向承載力分析之中。對于巖溶區(qū)樁基，趙明華使用結構力學的方法把溶洞頂板簡化成為剛性底板上作用垂直荷載[1-3]，并結合樁端持力層的破壞機理，計算持力層抗沖切，抗彎和抗剪破壞時的應力。王華牢對不同洞穴條件下樁基承載力的影響作了詳細分析, 進而提出了巖溶地區(qū)樁基承載力設計中應考慮修正參數(shù)[4]。王革力從溶洞和土洞的發(fā)育機制出發(fā)，推導了巖溶地基承載力、土洞地基沉降變形的計算公式[6]。劉鐵雄結合基樁與溶洞頂板作用機理，建立室內(nèi)模型，通過破壞性試驗得到了，溶洞頂板安全厚度的驗算方法[5]。劉國喜通過數(shù)值模擬得到影響溶洞穩(wěn)定性的敏感因素[7]。由于現(xiàn)階段對溶洞地區(qū)樁基穩(wěn)定性方面的研究，大多只提及豎向承載力，而受水平荷載作用下樁基穩(wěn)定性方面鮮有研究。本研究依托婁新高速公路資水大橋6-2#樁基為對象，研究多層巖溶地區(qū)大直徑樁的穩(wěn)定性。

1 工程背景

婁新高速公路資水大橋主橋為48 m+3×80 m+48 m預應力砼變截面懸澆連續(xù)梁。該橋主橋5～8號橋墩位于資江河道中，下部結構為單樁（300 cm）單柱。

綜上所述，基于當前的發(fā)展形勢下，林業(yè)苗木育苗管理技術的應用，面臨著重大的挑戰(zhàn)。因此，林業(yè)部門在實際的育苗管理過程當中，要加強對育苗的全過程管理，做好各個育苗環(huán)節(jié)工作，確保整體管理水平的提升。同時，林業(yè)部門要根據(jù)當前實際管理現(xiàn)狀，不斷創(chuàng)新發(fā)展管理制度，為后續(xù)的管理工作提供重要的制度保障。此外，加強育苗技術的管理，在保證現(xiàn)有技術的基礎上，不斷創(chuàng)新育苗技術，并加大資金投入，積極引進先進的技術及設備，嚴格執(zhí)行各項技術標準進行相關的操作，提升育苗效率與質(zhì)量，進而全面實現(xiàn)整個苗木育苗管理的合理性與科學性。

1.1 橋位區(qū)地層巖性

橋位區(qū)發(fā)育的地層，由新至老分述如下：第四系全新統(tǒng)(Qh)：

1) 種植土：灰褐色，松軟，厚度為0～0.5 m。

2) 填筑土：黃褐、灰褐色，結構～緊密，為路基、宅基等填土，厚度為0～3.5 m。

8) 泥灰?guī)r：局部夾泥質(zhì)灰?guī)r，或與泥質(zhì)灰?guī)r互層，屬可溶性巖；薄層狀，局部具條帶狀構造。

3) 橋位區(qū)巖溶發(fā)育，多充填軟塑或流塑狀粘性土，局部地段深部巖溶管道連通性較好，巖溶水豐富。

根據(jù)文中所建立的有限元模型進行分析，得到以下計算結果如圖4、圖5所示。從圖中可以得出該基樁最大水平位移為0.162 mm，最大拉應力為117 kPa，處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)中。

第四系更新統(tǒng)(Qp)：

5) 粉質(zhì)黏土：棕黃、褐黃色，一般可～硬塑狀, 屬沖洪積成因，局部夾砂及粉土，厚度一般為4.0～9.6 m。

6) 粉土：灰黃、褐黃色，一般中密，稍濕～濕,局部軟塑狀粉質(zhì)黏土，屬沖洪積成,厚度為0～4.1 m。

7) 卵石：灰黃、灰褐色，中密～密實，一般飽水，卵石成分主要為砂巖、變質(zhì)砂巖、石英，粒徑一般2～10 cm。

泥盆系上統(tǒng)(D3)：

10) 灰?guī)r：灰黑、青灰色，中風化，中厚層狀，隱～微晶質(zhì)結構，巖質(zhì)堅硬。

3) 卵(漂)石：灰黃、灰褐色，松散～中密，飽水，卵石、漂石成分主要為砂巖、變質(zhì)砂巖、石英及灰?guī)r，粒徑一般5～30 cm。

烏村在大多數(shù)流行的節(jié)日都會設計相應的主題開展活動，比如在每年夏天孩子們放暑假前至暑假結束這一段時間開展“童玩節(jié)”，迎合“玩爺爺小時候玩過的玩具”這主題，特品屋會出售滾鐵環(huán)、竹蜻蜓、竹筒高蹺、水套圈等玩具，充分體現(xiàn)農(nóng)村童趣。在過新年的時候，特品屋會贈送祈福牌迎合“中國年”的主題。還有就是迎合村內(nèi)知青年代組團（組團的概念源于以前生產(chǎn)小隊的生活，與烏村整體氛圍相吻合）的紅色主題，出售一些軍用水壺、“為人民服務”背包等等。

9) 泥質(zhì)灰?guī)r：灰黑、灰褐色，薄～中厚層狀，隱晶質(zhì)結構，巖質(zhì)較堅硬。

防止兒童誤鎖車內(nèi)報警系統(tǒng)主要對車門鎖和人體進行檢測[3]。當檢測到車門鎖被車主鎖住后，被安裝在車內(nèi)的被動式熱釋電紅外傳感器開啟，檢測車內(nèi)人員情況。當傳感器檢測到有兒童被困車內(nèi)時，傳感器將被測信號轉換為電信號輸入給微處理器[4-5]。進而，微處理器發(fā)出控制信號，控制聲光報警器工作，車窗進行自動下降。與此同時，微處理器通過GSM模塊向駕駛員發(fā)送信息，提示車主有兒童被鎖，應立即返回做出應急處理，以避免悲劇的發(fā)生[6-7]。系統(tǒng)的原理示意圖如圖1所示。

11) 泥質(zhì)粉砂巖夾砂質(zhì)頁巖：黃褐色，薄層狀。

鹽龍湖工程中試系統(tǒng)去除原水中氮磷效果研究……………………………… 左 倬，郭 蕭，李 巍等(14.33)

1.2 巖溶地質(zhì)特征及其工程特性

阿司匹林具有不可逆作用，其可以抑制血栓素，并且可以將抗血栓功效充分發(fā)揮出來，實現(xiàn)血小板聚焦的抑制，單一采用阿司匹林無法避免心血管事件的發(fā)生，同時也會產(chǎn)生血小板聚集。

2) 根據(jù)調(diào)查及鉆探揭示的情況分析，本橋巖溶發(fā)育：其中，河床中溶溝、溶洞發(fā)育深度大，特別是5#、6#墩溶洞發(fā)育深度達60～70 m以上。橋位區(qū)巖溶水水量大，對基坑側壁的穩(wěn)定存在不利影響。橋位區(qū)未發(fā)現(xiàn)與覆蓋型巖溶有關的地面塌陷等現(xiàn)象，目前自然條件下場地較穩(wěn)定。

近代以來，中西文化的差異越來越為進步的中國人所關注，西學東漸逐漸成為一種趨勢，從學習西方的器物、文化，到政治制度的模仿，從一次次的失敗中，我們找到了馬克思主義。馬克思在《政治經(jīng)濟學批判》中肯定了“鄉(xiāng)村城市化”的發(fā)展目標。西方社會也在一次次的考察中，把中國稱之為“鄉(xiāng)土中國”。那么，農(nóng)村城市化如何實現(xiàn)？農(nóng)村文化是否要轉變?yōu)槌擎?zhèn)文化？

4) 由于橋位區(qū)溶溝、溶洞較發(fā)育，且存在隱伏的陡峭巖壁，成孔過程中可能會產(chǎn)生卡鉆、垮孔等事故，應采取有效的防范措施。

生物降解反應機理：消除污染羽中電子受體及氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)的限制，使得微生物進入正?；蚧钴S的狀態(tài)，促進地下水中有機物的好氧或厭氧生物降解[20].狄軍貞[21]以生物麥飯石為載體，在其上固定硫酸鹽還原菌(sulfate reducting bacteria，SRB)污泥，以其作為PRB活性填料，并且添加Fe0組成生物-非生物協(xié)同去污的新型PRB井下原位修復系統(tǒng)，對煤礦酸性廢水(主要污染物有展開連續(xù)動態(tài)、變負荷的模擬修復研究，結果表明：Fe0-SRB-麥飯石-PRB系統(tǒng)處理煤礦酸性廢水不僅可以實現(xiàn)多種污染物的同步去除，還能實現(xiàn)在無外加碳源的情況下井下原位長效修復.

基樁參數(shù)與地質(zhì)剖面圖見表1和圖1。

表1 工程樁參數(shù)Table 1 Parameters of engineering pile

圖1 6-2#樁地質(zhì)剖面和基樁橫截面Fig. 1 6-2# pile geological section and base pile cross section

2 基樁有限元模型的建立

采用大型有限元軟件進行模擬，6-2#樁基長72.05 m，直徑3 m，巖土影響范圍水平方向取45 m，深度方向取140 m。該樁基位于巖溶區(qū)，穿越多層溶洞，兩個溶洞分別位于20.6 m～34.7 m、40.7 m ～55.5 m之間。

水平荷載作用下的樁基礎，不屬于平面問題也不屬于對稱問題，用一種簡單的模型計算很難真實模擬，故建立的三維模型用有限的范圍代替無限的范圍滿足計算所需精度要求，樁基用實體彈性單元，樁周巖土使用實體模型本構模型為D-P模型，材料參數(shù)見表2。

在樁土之間的耦合選用GOODMAN[8]接觸單元。在巖溶層采取不設置接觸及樁周無實體單元。并對該模型進行簡化，只考慮兩個大溶洞對樁基的影響以及單一巖層，在巖層與溶洞交界處把單元細分化。在樁頂施加恒定的水平荷載1 000 kN。模型如圖2、3所示。

1) 橋位區(qū)不良地質(zhì)主要為巖溶。根據(jù)勘察鉆探發(fā)現(xiàn)，橋位區(qū)灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r中相對更發(fā)育，發(fā)育深大溶溝及溶洞：而泥灰?guī)r中巖溶發(fā)育相對稍少，巖溶主要以淺層溶溝為主，局部發(fā)育規(guī)模較的溶洞；溶溝中充填黏性土或砂卵石，溶洞中充填黏性土或無充填物。

表2 材料的物理力學參數(shù)Table 2 Material’s physical and mechanical parameters

3 計算結果

4) 粉質(zhì)黏土：黃褐色，可塑，分布于橋位區(qū)局部位置，為沖洪積成因一般＜ 2 m。

圖2 計算模型的有限元網(wǎng)格Fig. 2 Finite element meshes of calculation model

圖3 模型參數(shù)(單位：m)Fig. 3 Model parameters

圖4 在實際狀態(tài)下樁身水平位移曲線Fig.4 Horizontal displacement curve of pile body in the actual state

圖5 在實際狀態(tài)下樁基最大拉應力曲線Fig.5 Maximum tensile stress curve of pile foundation in the actual state

4 影響因素分析

三維有限元單元無法直接讀取彎矩值，因樁基各個截面彎矩值與樁基受拉區(qū)拉應力值對應成比例，故可從拉應力分布規(guī)律，對水平力作用下樁基的內(nèi)力進行分析。

4.1 不同溶洞半徑下對樁基位移和內(nèi)力的影響分析

通過改變上下兩個溶洞半徑（2R～6R）。對基樁在水平力作用下樁身位移進行分析。圖6、圖7 分別取樁身（20 m～60 m）范圍內(nèi)樁身水平位移與最大拉應力曲線圖，從圖6可得隨著溶洞半徑增大使得該范圍內(nèi)樁身水平位移增大；從圖7可看出，溶洞與巖層交界處上段拉應力大于下端拉應力，并隨著溶洞的增大，上端拉應力增大，而下端拉應力減小，并且當半徑大于3R時，上溶洞下端出現(xiàn)壓應力。

擁有百年歷史的Desoutter馬頭動力工具，其創(chuàng)新精神、出色品質(zhì)和人機工程學可追溯至1914年品牌在英國創(chuàng)立之初，始終致力于通過優(yōu)化的設計來滿足制造行業(yè)的各種應用需求，把確保最佳的性能和最低的停線時間作為打造工具系統(tǒng)的最高質(zhì)量標準。此外，馬頭動力工具出眾的人機工程學設計也通過改善物理安全性和舒適度，大大提高了操作員的個人生產(chǎn)力。馬頭動力工具總能為客戶提供最適合的氣動及電動工具解決方案。

4.2 樁周巖體彈模對樁基位移和內(nèi)力的影響分析

洞穴直徑為2倍樁徑時，通過改變樁周基巖彈模（由1E～8E）。圖8、圖9 分別為不同洞穴大小下樁頂水平位移與最大拉應力曲線圖。從圖中可看出，樁周基巖彈模增大時，樁頂水平位移和最大拉應力都隨之減小。

基于人力資源開發(fā)理論、實踐工作的發(fā)展，近年來已經(jīng)涌現(xiàn)了諸多開發(fā)方式：①培育性開發(fā)，包括學習、教育，主要是提高員工的綜合素質(zhì)與能力；②提高性開發(fā)，以培訓為主，主要是提高員工的崗位技能與工作能力；③配置性開發(fā)，包以輪崗為主，主要是挖掘員工潛力，根據(jù)每位員工的特點進行崗位配置；④職業(yè)性開發(fā)，主要是對員工職業(yè)選擇、發(fā)展進行專業(yè)指導，為員工職業(yè)生涯發(fā)展提供可靠支撐。根據(jù)調(diào)查結果來看，事業(yè)單位的人力資源開發(fā)中培訓方式的應用約有60%，極少進行職業(yè)選擇、發(fā)展指導。

圖6 不同溶洞半徑下樁身水平位移曲線Fig. 6 Horizontal displacement curves of pile body with different cave radius

圖7 不同溶洞半徑下樁基最大拉應力曲線Fig. 7 Maximum tensile stress curves of pile foundation with different cave radius

圖8 不同樁周巖體彈模下樁身位移曲線Fig. 8 Displacement curves of pile body with different surrounding rock body elastic modulus

4.3 不同溶洞高度對樁基位移和內(nèi)力的影響。

洞穴直徑為2倍樁徑時，通過改變?nèi)芏锤叨龋?～14 m）。對基樁在水平位移進行分析，圖10、圖11 分別取樁身（20～60 m）范圍內(nèi)樁身水平位移與最大拉應力曲線圖。從圖10，11可看出對樁身水平位移無影響。溶洞高度增大時，第三折點位置隨著溶洞高度增大而降低。由于溶洞位于地面20 m以下，在溶洞高度不斷變化的同時，上部巖體能夠限制樁基的水平位移，導致其對水平位移影響甚微，如將溶洞的高度，由20 m起向上變化，則會出現(xiàn)明顯差異。

圖9 不同樁周巖體彈模下樁身最大拉應力曲線Fig. 9 Maximum tensile stress curves of pile body with different surrounding rock elastic modulus

圖10 不同溶洞高度下樁基位移曲線Fig. 10 Displacement curves of pile foundation with different cave height

圖11 不同溶洞高度下樁基最大拉應力曲線Fig 11 Maximum tensile stress curves of pile foundation with different cave height

4.4 不同溶洞頂板厚度對樁基位移和內(nèi)力的影響

洞穴半徑為2倍樁徑時，通過改變洞穴頂板厚度（由4～20 m）。頂板厚度為4 m時，其巖層上用16 m的土層模擬，依次類推。圖12、圖13 分別為不同洞穴頂板厚度下樁頂水平位移與最大拉應力曲線圖。

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圖12 不同溶洞頂板厚度下樁基位移曲線Fig. 12 Pile base displacement curves with different cave roof thickness

圖13 不同溶洞頂板厚度下樁基最大拉應力曲線Fig. 13 Maximum tensile stress curves of pile foundation with different cave roof thickness

通過圖12,圖13可看出, 洞穴頂板厚度增大時, 樁頂水平位移不斷減小，且位移第一零點上升，而對樁基最大拉應力無影響。

4.5 不同樁基彈模對樁基位移和內(nèi)力的影響。

洞穴半徑為2倍樁徑時，通過改變樁基彈模（由1E～8E）。圖10、圖11 分別為不同洞穴頂板厚度下樁頂水平位移與最大拉應力曲線圖。通過圖10，11可看出, 洞樁基彈模增大時, 樁頂水平位移和最大拉應力都隨之減小。

4 結 論

通過對資水大橋6-2#樁基進行影響因素分析，得出如結論：

圖14 不同樁基彈模對樁基位移曲線Fig. 14 Displacement curves of pile foundation with different pile foundation elastic modulus

圖15 不同樁基彈模下樁基最大拉曲線Fig. 15 Maximum tensile curves of pile foundation with different elastic modulus

（1）通過對實際情況進行，得出樁基水平荷載作用下處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)中；溶洞的半徑對溶洞范圍內(nèi)樁基的水平位移有影響且隨溶洞半徑的增大而增大，溶洞與巖層交界面處最大拉應力也隨溶洞的增大而增大。

（2）樁周巖層的彈模對樁基水平位移的影響隨彈模的增大而減小，樁基最大拉應力也隨之減?。蝗芏锤叨葘痘轿灰茻o影響，但最大拉應力折點隨著高度的增大而降低。

（3）溶洞頂板厚度對樁基水平位移影響較大，隨著頂板厚度的減小，樁頂?shù)乃轿灰撇粩嘣龃?，且第一位移零點不斷降低，而樁身最大拉應力基本不變；樁基彈模對樁基水平位移隨的影響隨彈模的增大而減小，但最大拉應力影響隨隨彈模的增大而增加。

[1] 趙明華，袁騰方，黎 莉，等. 巖溶區(qū)樁端持力層安全厚度研究[ J ].公路，2003,(1):124-128.

[2] 趙明華，陳昌富．曹文貴．嵌巖樁樁端巖層抗沖切安全厚度研究[J]. 湖南科技大學學報，2003,18(4):41-45.

[3] 趙明華，程 曄，曹文貴．橋粱基樁樁端溶洞頂板穩(wěn)定性的模糊分析研究[J].巖石力學與工程學報，2005,24(8):1376-1383.

[4] 王華牢，張鵬等.巖溶洞穴對嵌巖單樁承載力的影響研究[J].西安理工大學學報,2010(26):31-36.

[5] 劉鐵雄．巖溶頂板與樁基作用機理分析與模擬試驗研究[D].長沙：中南大學，2003.

[6] 王革立.巖溶地基嵌巖樁樁基特性分析與試驗研究[D].長沙：中南大學，2002,

[7] 劉國喜．巖溶地區(qū)大橋樁基下伏溶洞穩(wěn)定性研究[D]. 北京：北京科技大學,2005.

[8] Goodman R E, T aylor R L, Brekke T L. A Model for the Mechanics of Jointed Rock [J]. Journal of Soil Mechanics and Foundations Division, 1968, 94( 3) .

Numerical analysis of horizontal load in multilayer karst area with large diameter pile

HE Guo-jing, YANG Wen-dong, YI Jin
(School of Civil Engineering and Mechanics, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

The pile displacement and internal force of large diameter deep water pile under action of horizontal load in the multilayer karst region were numerically analyzed. The results affected by influence factors(including cave radius, height, rock and soil elastic modulus, pile foundation elastic modulus, cave roof thickness) were compared, thus obtaining some valuable conclusions.

large diameter pile; horizontal load; karst area; finite element; horizontal displacement

U441.4

A

1673-923X (2012)08-0154-05

2012-03-12

湖南省交通科技項目（200929）

賀國京（1964—），男，湖南岳陽人，博士，教授，博士生導師，從事橋梁結構理論研究；E-mail：cegjhe@hotmail.com

楊汶東（1985—），男，湖南懷化人，碩士研究生，主要從事橋梁結構的研究；E-mail：25724274@qq.com

[本文編校：邱德勇]