岩溶地区桥梁基桩承载特性的影响因素分析
2016-10-08
前言
中国论文网 http://www.xzbu.com/1/view-7069367.htm
随着国家对西部的开发以及基础设施建设的大力投资，在岩溶地区建设的公路桥梁越来越多，通常对这些地区的基础设计主要以嵌岩桩为主。随着计算机技术的进步及数值计算方法的发展，对非线性组合问题都具有明显的优势，ANSYS是现在岩土工程界使用最普遍的有限元分析和计算软件。本文基于复杂的溶洞地质情况，并在其上采用嵌岩桩，通过ANSYS数值模拟计算，对岩溶发育区溶洞嵌岩桩的承载特性的影响进行研究结果，能使基桩设计达到优化的目的。
工程背景
资水大桥位于湖南省冷水江市金竹山乡资江村附近，全长942.00m，主桥桥面净宽26.5m，引桥桥面净宽23.5m。该桥主桥5～8号桥墩位于资江河道中，下部结构为单桩单柱，主桥墩位处覆盖层以卵石、漂石为主，厚度一般为0.5～2.5m，基岩以中风化灰岩为主。桥位处于岩溶严重发育区域，溶洞、溶洞挂壁、溶沟、溶槽遍布桥位。
计算模型建立
1.基桩参数选取见表1-表2。
2.桩土模型的建立
在桩土相互作用分析中，桩周土取大概14倍D，高为120m，整个模型的计算半径R为30m，高120m的圆柱体，由于是对称图形，可以取1/2模型或者1/4模型进行计算。本文须考虑溶洞对基桩受力分析，因此在模型计算基桩受力分析时，假设溶洞是高为R0，半径为R0圆柱空间。如图1、图2分别为6-2#基桩桩土有限元模型和1/4基桩模型。由于模型关于x轴和y轴对称，因此本章节中取1/4模型计算。
承载特性影响因素分析
1.溶洞半径对荷载-沉降影响
从图一可以看出，岩溶区大直径基桩在荷载增大时，荷载-沉降曲线呈缓变形。在相同荷载条件下，无溶洞的桩顶沉降要小于有溶洞的桩顶沉降，并且随着荷载等级的增加，无溶洞与有溶洞的沉降差也逐渐增加；当溶洞的半径从2R变化到6R，且荷载小于4000t时，桩顶沉降变化相同；当荷载大于4000t时，溶洞的半径越大，桩顶沉降也越大，但差异不明显。
2.溶洞高度对荷载-沉降影响
从图二可以看出，岩溶区大直径桩的承载力随溶洞高度的增大而减小，当荷载小于1000t是，对桩顶沉降影响较小，差异不大；当荷载大于1000t时，相同沉降条件下溶洞高度越大，所需要的荷载越小。说明桩周接触越小，基桩承载力越低。
3.溶洞半径对桩侧摩擦力影响
改变上下溶洞的半径从2R到6R，对其在P=1000t作用下的桩周摩擦力进行分析。1000t作用下摩擦力分布曲线如图三。
从图中可以看出，随着溶洞半径的增大，上段岩层的摩擦力逐渐减小，中间段岩层也有相同的变化规律，但嵌岩段岩层的摩擦力却随着溶洞半径的增大摩擦力也随着一起增大。说明溶洞半径的增大时，上部岩层在基桩摩擦反力作用下，桩周岩层的稳定性降低，从而导致摩擦力减小。在桩端，当溶洞半径增大时，桩周摩擦力减小，随之传递到桩端的荷载增加，使得桩端处摩阻力增强效应显著，从而导致桩端处岩层受压增大，变形增大使得桩侧岩层的围压增大，导致桩侧摩阻力同时增大。随着溶洞半径的不断增大，嵌岩段摩擦力曲线由中间小两头大逐渐变为了中间大两头小，更加直观的得到了反映。当桩顶荷载增加是，桩身荷载传递规律相同，桩顶由于荷载增大，桩身压缩增加，导致摩擦力增大，上部摩擦力增大率大于嵌岩段。
4.溶洞高度对桩侧摩擦力影响
图四为溶洞半径为2R的条件下，桩侧摩擦力值随溶洞高度变化的分布曲线。从图中可以看出对其在P=1000t作用下，溶洞高度的不断增大，上段岩层摩擦力不断增大，且摩擦力大值与小值的差随之减小。溶洞高度增加，桩端承载力也随之增加，主要因为是总荷载不变前提下，溶洞与岩层接触面积减小，使得单位面的上的摩擦力增加。溶洞的存在减小了桩侧接触岩石的面积，使桩侧摩擦力减小。中间岩层当溶洞高从3D变化到5D时，摩擦力大值增大，且摩擦曲线由原来的3D时的S形变成为一倾角小得斜直线，说明溶洞高度的减小，荷载向桩深处传递。下段岩层，当溶洞高度不断增大时，荷载已向下传递到嵌岩段。
结论
对不同影响因素下岩溶区大直径基桩承载性状进行了分析，分析结果表明；
（1）溶洞的半径增大时，使得嵌岩段以上的岩层稳定性降低。且随着溶洞的增大，摩阻力分布曲线由中间小，两头大逐渐的变化为中间大，两头小。但是，随着溶洞的增大，其荷载沉降曲线变化不明显，并且沉降值都大于无溶洞时的沉降
（2）溶洞高度不同时对桩侧摩阻力的影响主要是当荷载较小时，对桩顶沉降影响较小，差异不大；当荷载较大时，相同沉降条件下溶洞高度越大，所需要的荷载越小；溶洞高度不断增大时，荷载越容易向下传递到嵌岩段。
