巖溶地區橋梁基樁承載特性的影響因素分析b

前言

隨著國家對西部的開發以及基礎設施建設的大力投資，在巖溶地區建設的公路橋梁越來越多，通常對這些地區的基礎設計主要以嵌巖樁為主。隨著計算機技術的進步及數值計算方法的發展，對非線性組合問題都具有明顯的優勢，ANSYS是現在巖土工程界使用最普遍的有限元分析和計算軟件。本文基于復雜的溶洞地質情況，并在其上采用嵌巖樁，通過ANSYS數值模擬計算，對巖溶發育區溶洞嵌巖樁的承載特性的影響進行研究結果，能使基樁設計達到優化的目的。

工程背景

資水大橋位于湖南省冷水江市金竹山鄉資江村附近，全長942.00m，主橋橋面凈寬26.5m，引橋橋面凈寬23.5m。該橋主橋5～8號橋墩位于資江河道中，下部結構為單樁單柱，主橋墩位處覆蓋層以卵石、漂石為主，厚度一般為0.5～2.5m，基巖以中風化灰巖為主。橋位處于巖溶嚴重發育區域，溶洞、溶洞掛壁、溶溝、溶槽遍布橋位。

計算模型建立

1.基樁參數選取見表1-表2。

2.樁土模型的建立

在樁土相互作用分析中，樁周土取大概14倍D，高為120m，整個模型的計算半徑R為30m，高120m的圓柱體，由于是對稱圖形，可以取1/2模型或者1/4模型進行計算。本文須考慮溶洞對基樁受力分析，因此在模型計算基樁受力分析時，假設溶洞是高為R0，半徑為R0圓柱空間。如圖1、圖2分別為6-2#基樁樁土有限元模型和1/4基樁模型。由于模型關于x軸和y軸對稱，因此本章節中取1/4模型計算。

承載特性影響因素分析

1.溶洞半徑對荷載-沉降影響

從圖一可以看出，巖溶區大直徑基樁在荷載增大時，荷載-沉降曲線呈緩變形。在相同荷載條件下，無溶洞的樁頂沉降要小于有溶洞的樁頂沉降，并且隨著荷載等級的增加，無溶洞與有溶洞的沉降差也逐漸增加；當溶洞的半徑從2R變化到6R，且荷載小于4000t時，樁頂沉降變化相同；當荷載大于4000t時，溶洞的半徑越大，樁頂沉降也越大，但差異不明顯。

2.溶洞高度對荷載-沉降影響

從圖二可以看出，巖溶區大直徑樁的承載力隨溶洞高度的增大而減小，當荷載小于1000t是，對樁頂沉降影響較小，差異不大；當荷載大于1000t時，相同沉降條件下溶洞高度越大，所需要的荷載越小。說明樁周接觸越小，基樁承載力越低。

3.溶洞半徑對樁側摩擦力影響

改變上下溶洞的半徑從2R到6R，對其在P=1000t作用下的樁周摩擦力進行分析。1000t作用下摩擦力分布曲線如圖三。

從圖中可以看出，隨著溶洞半徑的增大，上段巖層的摩擦力逐漸減小，中間段巖層也有相同的變化規律，但嵌巖段巖層的摩擦力卻隨著溶洞半徑的增大摩擦力也隨著一起增大。說明溶洞半徑的增大時，上部巖層在基樁摩擦反力作用下，樁周巖層的穩定性降低，從而導致摩擦力減小。在樁端，當溶洞半徑增大時，樁周摩擦力減小，隨之傳遞到樁端的荷載增加，使得樁端處摩阻力增強效應顯著，從而導致樁端處巖層受壓增大，變形增大使得樁側巖層的圍壓增大，導致樁側摩阻力同時增大。隨著溶洞半徑的不斷增大，嵌巖段摩擦力曲線由中間小兩頭大逐漸變為了中間大兩頭小，更加直觀的得到了反映。當樁頂荷載增加是，樁身荷載傳遞規律相同，樁頂由于荷載增大，樁身壓縮增加，導致摩擦力增大，上部摩擦力增大率大于嵌巖段。

4.溶洞高度對樁側摩擦力影響

圖四為溶洞半徑為2R的條件下，樁側摩擦力值隨溶洞高度變化的分布曲線。從圖中可以看出對其在P=1000t作用下，溶洞高度的不斷增大，上段巖層摩擦力不斷增大，且摩擦力大值與小值的差隨之減小。溶洞高度增加，樁端承載力也隨之增加，主要因為是總荷載不變前提下，溶洞與巖層接觸面積減小，使得單位面的上的摩擦力增加。溶洞的存在減小了樁側接觸巖石的面積，使樁側摩擦力減小。中間巖層當溶洞高從3D變化到5D時，摩擦力大值增大，且摩擦曲線由原來的3D時的S形變成為一傾角小得斜直線，說明溶洞高度的減小，荷載向樁深處傳遞。下段巖層，當溶洞高度不斷增大時，荷載已向下傳遞到嵌巖段。

結論

對不同影響因素下巖溶區大直徑基樁承載性狀進行了分析，分析結果表明；

（1）溶洞的半徑增大時，使得嵌巖段以上的巖層穩定性降低。且隨著溶洞的增大，摩阻力分布曲線由中間小，兩頭大逐漸的變化為中間大，兩頭小。但是，隨著溶洞的增大，其荷載沉降曲線變化不明顯，并且沉降值都大于無溶洞時的沉降

（2）溶洞高度不同時對樁側摩阻力的影響主要是當荷載較小時，對樁頂沉降影響較小，差異不大；當荷載較大時，相同沉降條件下溶洞高度越大，所需要的荷載越小；溶洞高度不斷增大時，荷載越容易向下傳遞到嵌巖段。