巖溶區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開發有限公司，湖南婁底 417000)

巖溶區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應考慮并區別于普通小直徑樁的承載特性。本文以婁新高速資水大橋為工程背景，通過有限元計算軟件MIDAS/GTS計算，分析不同因素對巖溶區大孔徑樁承載力的影響，為巖溶區大直徑樁承載力計算與內力分析提供依據。

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資江村附近，跨越湖南省四大水系之一的資江，全長942.00 m，主橋上部結構為48 m+3×80 m+48 m預應力混凝土變截面連續箱梁。下部結構為雙柱式墩、樁基礎(嵌巖樁)。該橋主橋5～8號橋墩位于資江河道中，下部結構為單樁(φ 300 cm)單柱(六棱形)，單幅主墩為1排2根鉆孔灌注樁基礎，鉆孔灌注樁樁徑為φ 300 cm，地系梁設計均位于河床之上、施工水位之下，鉆孔樁為嵌巖樁。

2 巖溶區大直徑樁基有限元分析模型

2.1 基本假定

在分析前對巖體的彈塑性地基模型及樁體進行如下假設:

1)應變和位移之間為幾何線性相關;

2)考慮巖體的分層性，認為同一巖層是均勻、連續、各向同性的;

3)不計應變速率對本構關系的影響;

4)不考慮彈塑性耦合作用;

5)相接觸的樁土單元有相對滑動，但土體與樁自始至終相互接觸。

2.2 參數選取

選用Druck-Prunk本構模型，樁身和樁周巖體考慮在荷載作用下的塑性變形。其中主要參數見表1。

表1 試驗樁設計資料

模型簡化成單一巖層，同時在溶洞存在的位置，不設置接觸單元，影響因素分析中的模型參數見表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模型進行計算。如圖1、圖2分別為樁基樁土模型示意圖。GTS中采用的是無厚度無質量的Goodman單元，該單元采用彈簧剛度概念，可以模擬節理巖體在接觸面之間會產生錯動、滑移或開裂。由于樁基位于巖溶區，且穿過多層溶洞，巖體與混凝土界面粘聚力c，內摩擦角φ取值見表4。模型的對稱面分別施加X方向，Y方向的約束，對圓弧面施加X和Y方向的約束，對模型底面施加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，逐級加載。為了反映真實的基樁的施工過程，需要對整個模型分析進行劃分。第一階段，對自重條件下初始地應力進行分析，在計算出的結果中，保留應力，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。

表2 材料的物理參數表

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 樁土接觸面參數表

3 樁承載力影響因素分析

3.1 溶洞半徑對樁承載力影響

由圖3可以看出，在相同荷載條件下，無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，無溶洞樁與有溶洞樁的沉降差值也逐漸增大;當溶洞的半徑從2 R變化到6 R，樁頂沉降差異不明顯，說明當溶洞半徑大于2 R時，溶洞半徑大小對樁承載力產生的影響并不明顯。

3.2 溶洞頂板厚度對樁承載力影響

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的過程中，溶洞頂板越厚，樁頂沉降越小。說明樁周接觸面積越大，側摩阻力也越大，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 溶洞高度對樁承載力影響

從圖5可以看出，樁頂的沉降值隨溶洞高度的增大而增大，說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大孔徑樁承載力得重要因素。

3.4 樁基彈模對樁承載力影響

從圖6中沉降曲線可以看出，當樁基彈模為0.1 E時，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，從而導致樁身沉降量增大;當樁身彈模由E增加到4 E時，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－沉降關系

圖4 不同溶洞頂板厚度的荷載－沉降關系

3.5 樁周巖體彈模對樁承載力影響

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，當樁頂荷載較小時，各樁周彈模下的樁頂沉降差異并不明顯，當荷載增大時，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大于其他三條曲線。說明樁周彈模低于某一個值時，樁基承載力急劇降低，而當樁周彈模大于一定值時，樁基承載力差異不大。

4 結論

圖5 不同溶洞高度的荷載－沉降關系

圖6 不同樁基彈模的荷載－沉降關系

本文以婁新高速資水大橋為工程背景，通過有限元分析不同因素對巖溶區大孔徑樁承載力的影響，得到以下結論:

1)當溶洞半徑大于2R時，溶洞半徑大小對樁承載力產生的影響并不明顯。

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)樁頂的沉降值隨溶洞高度的增大而增大，溶洞高度是影響巖溶區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—沉降關系

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

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