橋梁工程中巖溶地質(zhì)區(qū)域大孔徑樁承載力影響因素探討

顏靈勝，王宏兵

(江西省公路橋梁工程局)

1 工程概況

江西省贛崇高速公路合江口大橋(贛州市崇義縣境內(nèi))工程建設(shè)的全長是942 m，在主橋的上部結(jié)構(gòu)應(yīng)用預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁，下部的結(jié)構(gòu)則應(yīng)用了雙柱式墩和嵌巖樁。橋的部分墩位在河道中，下部結(jié)構(gòu)由單樁和單柱組成，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)為1 排2 根的是單幅主墩，樁徑為300 cm。大橋的所有地系梁都在河床之上和施工水位之下進(jìn)行設(shè)計(jì)，鉆孔樁全部應(yīng)用嵌巖樁。

2 巖溶區(qū)大直徑樁基有限元分析模型

在大橋的工程建設(shè)過程中，對巖溶區(qū)大孔徑樁承載力的影響因素進(jìn)行分析，可以建立有限元分析模型，主要的步驟包括基本假定——參數(shù)選取——模型的建立。在分析巖溶區(qū)大孔徑樁承載力的影響因素之前，可以對巖體的彈塑性地基模型和樁體進(jìn)行假設(shè)。例如，對應(yīng)變和位移之間的線性相關(guān)進(jìn)行猜想，假設(shè)線性相關(guān)的幾何值;充分的對巖體的分成性進(jìn)行考慮，作出統(tǒng)一巖層具有均勻、各項(xiàng)同性和連續(xù)性的特點(diǎn);如果彈塑性的耦合作用不存在，會發(fā)生哪些變化;為什么樁土單元在相互接觸下會產(chǎn)生相對滑動，但是土體和樁基之間一直都存在接觸關(guān)系等。

在選取參數(shù)的時(shí)候，應(yīng)該應(yīng)用Druck－Prunk 本構(gòu)模型，在荷載作用下，樁身和樁周巖體會產(chǎn)生塑性變形。主要的參數(shù)內(nèi)容如表1、2。

表1 試驗(yàn)樁設(shè)計(jì)資料

表2 材料的物理參數(shù)表

對巖溶區(qū)大直徑樁基有限元分析模型進(jìn)行簡化，形成單一的巖層，不設(shè)置存在溶洞位置的接可以觸單元，從表3 的模型參數(shù)分析出對巖溶區(qū)大孔徑樁承載力有影響的因素。

根據(jù)樁土之間的相互作用，可以設(shè)置一定的模型進(jìn)行計(jì)算。例如，設(shè)置樁周土的固定值為15 倍D，150 m 的高度值，對1/4 的模型進(jìn)行計(jì)算，可以分析樁土對巖溶區(qū)大孔徑樁承載力的影響。利用GTS 的單元，根據(jù)彈簧的剛度概念，對節(jié)理巖體和接觸面之間的錯(cuò)動、開裂或者滑移進(jìn)行模擬，可以實(shí)現(xiàn)對巖溶區(qū)大孔徑樁承載力的計(jì)算。

表3 影響因素表

樁基的位置處于巖溶區(qū)，穿過了大量的溶洞，所以會出現(xiàn)一定的巖體和混凝土界面的粘聚力和內(nèi)摩擦。在模型的對稱面施加一定方向的約束力，并且在圓弧面施加同樣的約束力。在模型地面施加另一方向的約束力，根據(jù)裝訂施加面的壓力值，劃分階段，逐級加載。對整個(gè)模型分析進(jìn)行劃分，可以有效的反映出基樁真實(shí)的施工過程。具體的樁土接觸面參數(shù)如表4。

表4 樁土接觸面參考表

3 樁承載力影響因素分析

根據(jù)大橋工程建設(shè)施工過程中出現(xiàn)的問題，建立巖溶區(qū)大直徑樁基有限元分析模型，對巖溶區(qū)大孔徑樁承載力進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)不同參數(shù)值，可以發(fā)現(xiàn)，主要的影響因素包括巖洞半徑、溶洞頂板厚度、溶洞高度、樁基彈簧和樁周巖體彈模等。

如果巖溶區(qū)大孔徑樁的荷載條件相同，相對于無溶洞的樁頂沉降，明顯有溶洞的樁頂沉降值較大，而且受到不斷增加的荷載的作用，有溶洞的樁頂沉降值會逐漸增加;如果溶洞的半徑值加大，但是樁頂?shù)某两抵禌]有發(fā)生明顯的變化，說明只有溶洞的半徑值達(dá)到一定要求的時(shí)候，才會對樁承載力造成影響(見圖1a)。荷載條件相同，但是溶洞頂板厚度逐漸增加，也會對樁頂?shù)某两刀仍斐梢欢ǖ挠绊憽Ｈ芏吹捻敯搴穸仍酱螅瑯俄數(shù)某两抵稻驮叫?見圖1b)。根據(jù)這一結(jié)果，可以看出樁周的接觸面積和側(cè)摩阻力也會對樁基的承載力造成影響。不同的溶洞頂板厚度，會使樁基處于線性變化過程中，說明剛度越大的大直徑樁基，承載能力就越強(qiáng)。

圖1 不同溶洞半徑的荷載—沉降關(guān)系

溶洞的高度和樁頂?shù)某两迪禂?shù)成正比的關(guān)系，樁周的接觸面越小，樁基的承載能力就越低。樁身的彈模過小，自身的壓縮就會增大，導(dǎo)致樁頂?shù)某两刀纫搽S之變大(見圖2);樁身在一定的彈模數(shù)值下，會產(chǎn)生彈模值增大，但是沉降度減小的現(xiàn)象。一般情況下，彈模變化對樁頂?shù)某两底兓斐傻挠绊戄^小(見圖3)。樁周巖體的彈模對樁基的承載力也有一定的影響，二者成反比的關(guān)系，樁頂?shù)某两抵禃S著樁周巖石彈模值的增大而減小。

樁頂沉降度和樁周巖體彈模之間的關(guān)系，還會受到荷載的影響，因此樁周彈模也有特定的數(shù)值，低于這個(gè)值的時(shí)候，承載力就會降低，而大于這個(gè)值的時(shí)候，承載力也不會發(fā)生明顯的變化。所以，樁頂?shù)某两刀仁艿綐吨軒r體彈模的影響也比較小(見圖4)。

圖2 不同溶洞高度的荷載—沉降關(guān)系

圖3 不同樁基彈模的荷載—沉降關(guān)系

圖4 不同樁周巖石彈模的荷載—沉降關(guān)系

4 總 結(jié)

通過大橋工程建設(shè)過程中的巖溶區(qū)大孔徑樁中不同因素對承載力的影響，可以應(yīng)用有限元分析的方法，實(shí)現(xiàn)對巖溶區(qū)大孔徑樁承載力影響因素的分析。綜上所述，對樁基承載力造成影響的主要因素是溶洞的半徑、頂板厚度、高度和樁身彈模等因素，通過對不同影響因素的分析，實(shí)現(xiàn)對巖溶區(qū)大孔徑樁承載力的有效控制，才能保證工程的施工質(zhì)量，促進(jìn)建筑工程的發(fā)展。

［1］楊岳華，劉永建，鄧淑飛，等.沉降控制的單樁豎向承載力及其數(shù)值分析方法［J］.公路工程，2008，33(4):23－24.

［2］甘展孜.某工程巖溶樁基分析處理［J］.巖土力學(xué)，1998，19(1):65－69.