巖溶地區(qū)拱座臺階基礎(chǔ)設(shè)計計算分析

黎水昌 廖宸鋒 羅富元

摘要：在拱橋設(shè)計中，為提高穩(wěn)定性，基礎(chǔ)通常采用臺階狀。巖溶地區(qū)的臺階狀基礎(chǔ)，其形狀不規(guī)則且存在巖溶孔洞，受力較為復(fù)雜。文章采用有限元實(shí)體仿真模型，計算分析了巖溶地區(qū)拱座臺階基礎(chǔ)的地基受力情況，為巖溶地區(qū)臺階狀拱座基礎(chǔ)設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：巖溶;實(shí)體仿真計算;拱座臺階基礎(chǔ);地基

0 引言

在拱橋設(shè)計中，基礎(chǔ)一般采用擴(kuò)大基礎(chǔ)的型式置于巖層上，并設(shè)計成臺階狀，但是現(xiàn)行規(guī)范尚未給出針對臺階狀擴(kuò)大基礎(chǔ)的計算方法。而在實(shí)際設(shè)計中，拱橋基礎(chǔ)遇到巖溶的情況并不少見。巖溶地區(qū)由于存在溶蝕溝槽、溶蝕裂隙、溶孔、溶洞、夾層等，當(dāng)采用拱橋形式時，其對拱橋基礎(chǔ)受力存在一定影響，因此有必要考慮巖溶對基礎(chǔ)受力的影響。

本文以某大跨徑拱橋的拱座臺階基礎(chǔ)為例，分析不同程度巖溶發(fā)育對地基受力的影響，并分析了采用混凝土填充巖溶孔洞后的地基受力情況，為以后同類設(shè)計提供有益參考。

1 計算分析方法的選用

根據(jù)國內(nèi)相關(guān)研究，目前拱座臺階基礎(chǔ)主要有傳統(tǒng)法、變形協(xié)調(diào)法、有限元法等3種方法。傳統(tǒng)法與變形協(xié)調(diào)法均屬于簡化的理論計算法，無法全面真實(shí)地反映基礎(chǔ)的實(shí)際受力狀況，且公式中并未考慮地基缺陷等因素對受力的影響。有限元法可基于基礎(chǔ)和地基的材料力學(xué)特性進(jìn)行建模分析，可以較為全面可靠地模擬基礎(chǔ)和地基的受力情況，同時對基礎(chǔ)形狀不規(guī)則、局部分布巖溶、土體非線性及接觸非線性等問題均有良好的適用性，因此本文采用有限元法進(jìn)行分析計算。

2 計算模型的考慮

本文采用通用有限元軟件ANSYS建立實(shí)體有限元分析模型（如下頁圖1所示）。由于基礎(chǔ)嵌入基巖中，分析模型中不考慮覆蓋層土體的作用，場地模型僅建立基巖部分。混凝土結(jié)構(gòu)和基巖均采用SOLID185實(shí)體單元進(jìn)行模擬[JP]（如下頁圖2所示）。為更真實(shí)地反映基礎(chǔ)與地基之間的受力狀況，混凝土和基巖之間采用面-面接觸單元進(jìn)行模擬，摩擦系數(shù)為0.6，并采用剛體-柔體接觸建立基礎(chǔ)與基巖的聯(lián)系，結(jié)構(gòu)剛度大于基巖剛度，以結(jié)構(gòu)上的面為目標(biāo)面，采用TARGE170單元模擬。基巖上的面為接觸面，采用CONTA173單元模擬。接觸對特性采用標(biāo)準(zhǔn)模式，即能夠傳遞法向壓力和切向摩擦力，不傳遞法向拉力，接觸表面可以分離脫空。

算例中拱座基礎(chǔ)為分離式擴(kuò)大基礎(chǔ)，單側(cè)基礎(chǔ)平面尺寸為15m（橫橋向）×36m（順橋向），高7.5m，基礎(chǔ)分三級臺階嵌入中風(fēng)化灰?guī)r巖層中，各級臺階高分別為2.5m、2.5m、5.0m。場地尺寸確定原則為：增大擬定場地尺寸進(jìn)行計算，對結(jié)構(gòu)和近場土體的計算結(jié)果無影響。因此基巖場地尺寸取值為：100m（順橋向）×80m（橫橋向）×30m（厚度）的矩形場地。

取拱腳N（軸力）最大時對應(yīng)的拱腳內(nèi)力作為計算荷載，其中水平力=125460kN;豎向力=-130464kN（向下）;彎矩=-499000kN·m（使拱座向跨中傾覆）。

3 計算分析的工況

綜合考慮模型的規(guī)模及計算效率，在本文分析中對巖溶缺陷采用規(guī)則孔洞的方式進(jìn)行模擬。為更好地分析巖溶缺陷對基礎(chǔ)受力的影響，文中采用以下5種工況進(jìn)行對比分析：

工況1：基礎(chǔ)完好，不存在基底巖溶孔洞的工況;

工況2：基礎(chǔ)巖溶孔洞占比（孔洞平面面積/基巖面平面面積）2.5%工況;

工況3：基礎(chǔ)巖溶孔洞占比（孔洞平面面積/基巖面平面面積）5.0%工況;

工況4：基礎(chǔ)巖溶孔洞占比（孔洞平面面積/基巖面平面面積）7.5%工況;

工況5：基礎(chǔ)巖溶孔洞填充混凝土的工況。

4 實(shí)體分析計算結(jié)果

4.1 不考慮基底巖溶的計算結(jié)果

當(dāng)不考慮巖溶孔洞時（工況1），地基應(yīng)力云圖如圖3和圖4所示。從圖3可以看出，對基礎(chǔ)水平抗滑（縱向水平應(yīng)力）貢獻(xiàn)最大的區(qū)域?yàn)榈?級臺階（臺階從高往低依次編號）內(nèi)，最大縱向水平應(yīng)力Szmax約為1.1MPa，發(fā)生在第1級臺階的踢面（豎直面），此外第1級臺階的踏面（水平面），也為基礎(chǔ)水平抗滑提供了較大的抗力。相比于第1級臺階，往下的第2、3級臺階的應(yīng)力水平均較低。這是由于拱腳水平力首先傳遞至第1級臺階，而基巖的剛度較大，水平力引起的應(yīng)力有效地擴(kuò)散至第1級臺階的踏面和踢面。由圖4可知，基底最大豎向應(yīng)力Svmax分布于第2級臺階，約為1.6MPa。

需要指出的是，當(dāng)采用傳統(tǒng)的計算方法驗(yàn)算地基應(yīng)力時，由于計算方法的原因，最大豎向應(yīng)力Svmax發(fā)生部位為基礎(chǔ)前趾或基礎(chǔ)后趾，即第1級臺階或第3級臺階順橋向的最外緣，與本文的實(shí)體分析得到的結(jié)論不一致。這是由于傳統(tǒng)的計算方法無法考慮臺階的踢面受力。由于臺階踢面的水平力形成抵抗彎矩，可以有效地減小第1級臺階的豎向應(yīng)力。

4.2 考慮基底巖溶削弱的計算結(jié)果

表1為不同程度巖溶發(fā)育的情況下（工況2～4）地基的最大縱向水平應(yīng)力Szmax和最大豎向應(yīng)力Svmax。從表1可以看出，地基巖溶孔洞的大小對基礎(chǔ)水平抗滑影響較小，不同的巖溶孔洞占比下，地基的最大縱向水平應(yīng)力均為1.1MPa。同樣，對基礎(chǔ)水平抗滑貢獻(xiàn)最大的區(qū)域?yàn)榈?級臺階。地基豎向應(yīng)力方面，巖溶孔洞的大小對其有較大影響，豎向應(yīng)力最大均分布于第2級臺階。由于巖溶孔洞對實(shí)際豎向支撐面積的削減，導(dǎo)致地基應(yīng)力相應(yīng)增大，且地基應(yīng)力最大處往往出現(xiàn)在孔洞附近。

4.3 巖溶填充混凝土的計算結(jié)果

表2為巖溶孔洞填充混凝土后（工況5）地基的最大縱向水平應(yīng)力Szmax和最大豎向應(yīng)力Svmax。從表2中可以看出，巖溶孔洞填充混凝土后地基受力與不考慮基底巖溶工況基本一致，即巖溶孔洞填充混凝土可作為一種處治地基巖溶孔洞的有效措施。

5 結(jié)果對比

圖5和圖6分別為工況2～4中最大縱向水平應(yīng)力Szmax和最大豎向應(yīng)力Svmax的對比情況。通過圖5和圖6不難發(fā)現(xiàn)，隨著巖溶孔洞面積的增大，基礎(chǔ)的豎向應(yīng)力呈線性增大的趨勢，而巖溶孔洞對水平應(yīng)力幾乎沒有影響。

6 結(jié)語

本文以某大跨徑拱橋的拱座臺階基礎(chǔ)為例，分析巖溶地區(qū)拱座地基的受力情況。通過采用實(shí)體有限元分析，得出以下結(jié)論：

（1）巖溶發(fā)育對于拱座基礎(chǔ)的抗滑移影響較小，對基底豎向應(yīng)力的影響顯著，因此對基底巖溶的處理應(yīng)完整全面。

（2）臺階狀拱座基礎(chǔ)對水平力的抵抗是不均勻的，其中起主要作用的是頂部臺階，實(shí)際施工中應(yīng)通過有效措施保證頂部臺階背面材料的完整性及強(qiáng)度，以確保結(jié)構(gòu)受力。

（3）臺階狀拱座基礎(chǔ)由于臺階踢面可以提供水平抗力，因此，豎向應(yīng)力最大往往發(fā)生在基礎(chǔ)的中間區(qū)域。傳統(tǒng)法無法揭示該特性，采用傳統(tǒng)法對臺階狀拱座基礎(chǔ)進(jìn)行計算，其計算結(jié)果與實(shí)際可能存在較大的偏差。

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