基于ANSYS的巖溶地區橋梁樁底持力層厚度分析

李煉

（廣東省建筑設計研究院有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

在廣東西北部地區進行橋梁建設時，經常會碰到巖溶發育地段。巖溶作為一種十分不良的地質情況，給橋梁工程設計和施工帶來了極大困擾[1]。目前，為了探明樁底巖溶分布情況，在進行勘察時，一般按照“一樁一孔”或“一樁多孔”的原則進行。可是對于很多大直徑樁基，按照一樁多孔，在后續施工完抽芯驗樁時，經常出現樁底有孔洞，或者持力層厚度不滿足要求的情況。如何采用安全、經濟、合理的樁基設計形式，如何合理地確定樁端持力層的厚度，在目前實際橋梁設計和施工中是普遍關注的問題[2]。

1 工程概況

某項目位于廣州市白云區，屬于城市次干路，包含一座跨鐵路高架橋、三座跨河涌中小橋。跨線橋和跨河涌中小橋上部結構均采用預制小箱梁結構，下部結構均采用樁基礎。

根據前期勘察資料來看，該區域巖溶發育，內見洞率約45%，屬于巖溶強發育地段。部分地段還存在串珠溶洞，各類溶洞規模不一，形態各異，分布雜亂。同時由于沿線土體覆蓋層較淺，很多樁基不具備做摩擦樁的條件，需要按照端承樁設計。故進行樁基設計時，在參照規范要求的基礎上，采用ANSYS有限元的方法，分析樁端持力層厚度與溶洞跨徑、嵌巖深度之間的關系，對樁基設計具有一定的指導意義。

2 計算建模

2.1 樁土作用建模

采用ANSYS建立樁基和土體以及巖體的三維有限元模型。

ANSYS建模時，土體和巖體的本構采用Drucker-Prager屈服準則（簡稱“DP準則”）。DP準則的屈服面不隨材料的屈服而改變。該準則的屈服強度隨著側限壓力的增加而增加[3]。

土體與混凝土結構共同作用時，一般采用接觸單元來模擬界面之間的變形協調。建模時，土體和樁基均采用solid45實體單元，接觸面單元采用CONTA173，目標面單元采用TARGE170單元[4-5]。

本次計算以跨河涌橋為例，選取其中φ1.2 m樁徑的樁基。建模計算時，由于樁基本身受力基本上是豎向力，水平力和彎矩都很小，故根據對稱性取1/4模型進行分析。土體盡可能選取一定范圍內大的土體，本次土體平面尺寸選取8 m×8 m。同時由于河涌橋樁基巖層覆蓋較淺，大部分樁基穿過3～4 m淤泥軟弱層覆蓋層后就進入到巖層，故在巖土層模擬時，不考慮軟弱層參與作用，僅模擬巖層參與受力。樁土相互作用有限元模型如圖1所示。

圖1 1/4模型網格劃分圖

2.2 計算參數選取

（1）邊界條件

a.樁基與土體之間采用接觸單元連接。

b.土體底面和外側面采用全約束，土體內側面采用鏡像約束。

（2）樁基參數選擇

a.樁頂豎向力2 000 kN，按照面荷載施加在樁基頂面。

b.樁基自身參數，C30混凝土，彈性模量31.5 GPa，容重25 kN/m3。

（3）土體的黏聚力和內摩擦角

土體黏聚力和內摩擦角按照勘察報告中選取（見表1）。（4）樁基與土體之間側摩擦系數

表1 土體參數

由于是端承樁，主要靠端承力和嵌巖段的摩擦力發揮作用，樁基與巖層之間側摩阻系數按照0.4取[6]。

2.3 計算工況

為了分析樁基持力層厚度、持力層溶洞頂板跨徑及樁基入巖深度之間的關系，分析時按照以下3個工況來進行：

（1）工況1：嵌巖深度一定、溶洞頂板厚度一定，持力層溶洞頂板隨跨徑變化的應力和變形分析。

（2）工況2：溶洞頂板跨徑一定、溶洞頂板厚度一定，持力層溶洞頂板隨嵌巖深度變化的應力和變形分析。

（3）工況3：嵌巖深度一定、溶洞頂板跨徑一定，持力層溶洞頂板隨自身厚度變化的應力和變形分析。

3 分析結果

在樁頂力作用下，樁基和巖體共同作用，產生變形和應力。

由圖2、圖3、圖4可知，巖體層變形主要發生在樁底與巖體接觸處。第一主應力最大發生在樁底周邊，是由樁與巖體之間側摩阻力而產生的。第三主應力最大值發生在樁底，是由樁底的直接軸向力而導致的。下面針對工況1～3，將巖體豎向變形和應力進行匯總比較分析。

圖2 樁土作用巖體豎向變形云圖（單位：m）

圖3 樁土作用巖體第一主應力（主拉應力）云圖（單位：P a）

圖4 樁土作用巖體第三主應力（主壓應力）云圖(單位：P a)

3.1 工況1

工況1時，不同持力層頂板跨徑下，巖體位移和應力見表2。

表2 巖體應力變形隨溶洞跨徑變化

由表2可以看出：

（1）溶洞頂板巖體變形隨著溶洞跨徑的增大而增大，基本上呈線性趨勢。

（2溶洞頂板巖體的第三主應力（主壓應力）隨著跨徑的增大而減小。

（3）溶洞頂板巖體的第一主應力（主拉應力）未見明顯變化。

3.2 工況2

工況2時，不同嵌巖深度下，巖體體位移和應力見表3。

表3 巖體應力變形隨嵌巖深度變化

由表3可以看出：

（1）溶洞頂板巖體變形隨著嵌巖深度的增大而減小，但減小幅度越來越小。

（2）溶洞頂板巖體的第三主應力（主壓應力）隨著嵌巖深度的增大而減小。

（3）溶洞頂板巖體的第一主應力（主拉應力）未見明顯變化。

3.3 工況3

工況3時，不同溶洞頂板厚度下，巖體位移和應力見表4。

表4 巖體應力變形隨溶洞頂板厚度變化

由表4可以看出：

（1）溶洞頂板巖體變形隨著頂板厚度的增大而減小，但減小幅度越來越小。

（2）溶洞頂板巖體的第三主應力（主壓應力）隨著頂板厚度的增大而增大。

（3）溶洞頂板巖體的第一主應力（主拉應力）隨著頂板厚度的增大而減小。

5 結語

本文以實際工程中的橋梁巖溶樁基實例為研究對象，從樁端持力層溶洞頂板厚度、跨徑和樁基入巖深度3個方面進行了對比分析，得出以下結論：

（1）由工況1發現，溶洞頂板的變形和巖體第三主應力（主壓應力）與溶洞跨徑有比較大的關系，巖體第一主應力（主拉應力）發生在樁底巖體側與溶洞頂板跨徑基本無關，只要有一定的頂板厚度，跨徑對巖體的拉應力的影響不大。

（2）由工況2發現，樁基嵌入巖層深度越深，樁周側摩阻力參與越多，對樁底的力也越小，溶洞頂板變形也越小。這說明適當增加嵌巖深度，有利于巖體受力。

（3）由工況3發現，溶洞頂板厚度越厚，第三主應力（主壓應力）越大，第一主應力（主拉應力）越小,樁端參與的受力越多，樁側參與受力減少。這說明樁端持力層只有達到一定的厚度，才能保證主拉應力較小，才更有利于持力層的受力。

（4）由工況2和工況3對比分析可知，在樁基嵌巖深度和樁端持力層之和不變的情況下，持力層厚度越大，變形和第一主應力（主拉應力）越小，越有利于巖體受力。故樁基設計時，在保證受力滿足要求的基礎上，不可盲目增加嵌巖深度，應以持力層厚度滿足要求為先。

上述分析為以后巖溶地區樁基持力層厚度的設計提供了一點思路和借鑒。