岩溶区大孔径桩承载力影响因素分析

赵昌清，龚 啸，陈勇鸿

(湖南省娄新高速公路建设开发有限公司，湖南娄底 417000)

岩溶区大都采用大直径嵌岩桩，桩基的直径基本都在80 cm以上，人工挖孔桩也达到了120 cm以上。大直径桩基的承载特性与中小直径桩基在受力上的不同，在分析大直径桩基承载特性时应考虑并区别于普通小直径桩的承载特性。本文以娄新高速资水大桥为工程背景，通过有限元计算软件MIDAS/GTS计算，分析不同因素对岩溶区大孔径桩承载力的影响，为岩溶区大直径桩承载力计算与内力分析提供依据。

1 工程概况

娄新高速公路第八合同段资水大桥位于湖南省冷水江市金竹山乡资江村附近，跨越湖南省四大水系之一的资江，全长942.00 m，主桥上部结构为48 m+3×80 m+48 m预应力混凝土变截面连续箱梁。下部结构为双柱式墩、桩基础(嵌岩桩)。该桥主桥5～8号桥墩位于资江河道中，下部结构为单桩(φ 300 cm)单柱(六棱形)，单幅主墩为1排2根钻孔灌注桩基础，钻孔灌注桩桩径为φ 300 cm，地系梁设计均位于河床之上、施工水位之下，钻孔桩为嵌岩桩。

2 岩溶区大直径桩基有限元分析模型

2.1 基本假定

在分析前对岩体的弹塑性地基模型及桩体进行如下假设:

1)应变和位移之间为几何线性相关;

2)考虑岩体的分层性，认为同一岩层是均匀、连续、各向同性的;

3)不计应变速率对本构关系的影响;

4)不考虑弹塑性耦合作用;

5)相接触的桩土单元有相对滑动，但土体与桩自始至终相互接触。

2.2 参数选取

选用Druck-Prunk本构模型，桩身和桩周岩体考虑在荷载作用下的塑性变形。其中主要参数见表1。

表1 试验桩设计资料

模型简化成单一岩层，同时在溶洞存在的位置，不设置接触单元，影响因素分析中的模型参数见表2、表3。

2.3 模型的建立

考虑在桩土相互作用，桩周土取15倍D，高为150 m，取1/4模型进行计算。如图1、图2分别为桩基桩土模型示意图。GTS中采用的是无厚度无质量的Goodman单元，该单元采用弹簧刚度概念，可以模拟节理岩体在接触面之间会产生错动、滑移或开裂。由于桩基位于岩溶区，且穿过多层溶洞，岩体与混凝土界面粘聚力c，内摩擦角φ取值见表4。模型的对称面分别施加X方向，Y方向的约束，对圆弧面施加X和Y方向的约束，对模型底面施加Z方向的约束。在桩顶施加面压力Q=14 147 kN/m2。总共分为10级，逐级加载。为了反映真实的基桩的施工过程，需要对整个模型分析进行划分。第一阶段，对自重条件下初始地应力进行分析，在计算出的结果中，保留应力，消除重力引起的位移;第二阶段，基桩的施工，并加入接触单元;第三阶段，加荷载，荷载分为10级。

表2 材料的物理参数表

表3 影响因素表

图1 桩土相互作用有限元模型

图2 桩的限元模型

表4 桩土接触面参数表

3 桩承载力影响因素分析

3.1 溶洞半径对桩承载力影响

由图3可以看出，在相同荷载条件下，无溶洞的桩顶沉降明显要小于有溶洞的桩顶沉降，并且随着荷载不断增加，无溶洞桩与有溶洞桩的沉降差值也逐渐增大;当溶洞的半径从2 R变化到6 R，桩顶沉降差异不明显，说明当溶洞半径大于2 R时，溶洞半径大小对桩承载力产生的影响并不明显。

3.2 溶洞顶板厚度对桩承载力影响

由图4可以看出，相同荷载条件下，溶洞顶板厚度从2 D增加到10 D的过程中，溶洞顶板越厚，桩顶沉降越小。说明桩周接触面积越大，侧摩阻力也越大，桩基的承载力也越大。在不同溶洞顶板厚度下，桩基基本都处于线性变化中，说明大直径桩基刚度大，仅靠自身压缩就能承受上部荷载的作用。

3.3 溶洞高度对桩承载力影响

从图5可以看出，桩顶的沉降值随溶洞高度的增大而增大，说明桩周接触的逐渐减小，桩基承载力随之降低。因此溶洞高度是影响岩溶区大孔径桩承载力得重要因素。

3.4 桩基弹模对桩承载力影响

从图6中沉降曲线可以看出，当桩基弹模为0.1 E时，相同荷载条件下的沉降显著增大。原因是桩身弹模小，桩身压缩大，从而导致桩身沉降量增大;当桩身弹模由E增加到4 E时，桩身沉降随弹模的增大而减小，但由于弹模变化引起的沉降变化值较小。

图3 不同溶洞半径的荷载－沉降关系

图4 不同溶洞顶板厚度的荷载－沉降关系

3.5 桩周岩体弹模对桩承载力影响

从图7可以看出，桩顶沉降有随桩周岩石弹模增大而减小的趋势，当桩顶荷载较小时，各桩周弹模下的桩顶沉降差异并不明显，当荷载增大时，在相同荷载条件下，桩周弹模为0.1E的曲线随荷载增加沉降值远大于其他三条曲线。说明桩周弹模低于某一个值时，桩基承载力急剧降低，而当桩周弹模大于一定值时，桩基承载力差异不大。

4 结论

图5 不同溶洞高度的荷载－沉降关系

图6 不同桩基弹模的荷载－沉降关系

本文以娄新高速资水大桥为工程背景，通过有限元分析不同因素对岩溶区大孔径桩承载力的影响，得到以下结论:

1)当溶洞半径大于2R时，溶洞半径大小对桩承载力产生的影响并不明显。

2)溶洞顶板越厚，桩顶沉降越小。在不同溶洞顶板厚度下，桩基基本都处于线性变化中，说明大直径桩基刚度大，仅靠自身压缩就能承受上部荷载的作用。

3)桩顶的沉降值随溶洞高度的增大而增大，溶洞高度是影响岩溶区大孔径桩承载力的主要因素。

4)桩身沉降随弹模的增大而减小，正常情况下由于弹模变化引起的沉降变化值较小。

图7 不同桩周岩石弹模的荷载—沉降关系

5)桩顶沉降有随桩周岩石弹模增大而减小的趋势，桩周弹模低于某一个值时，桩基承载力急剧降低，而当桩周弹模大于一定值时，桩基承载力差异不大。

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