多层岩溶区大直径桩在水平荷载下的数值分析

贺国京，杨汶东，易 锦

多层岩溶区大直径桩在水平荷载下的数值分析

贺国京，杨汶东，易 锦

（中南林业科技大学 土木工程与力学学院，湖南 长沙 410004）

运用有限元软件对多层岩溶地区大直径深水基桩在水平荷载作用下基桩的位移、内力进行数值分析。并将各种影响因素（溶洞的半径、高度、岩土弹模、桩基弹模、溶洞顶板厚度）下的分析结果进行比较，得出有若干有参考价值的结论。

大直径桩；水平荷载；岩溶区；有限元；水平位移

随着我国交通事业的发展，大直径桩基越来越多得到运用，与房建的大直径桩基相比，公路桥梁的大直径桩是指直径大于等于2.5 m的基桩。目前国内外对大直径桩承载力理论研究，大多采用荷载传递法。自Seed和Reese于1955年提出荷载传递双曲线模型来，该法已普遍用于大直径桩竖向承载力分析之中。对于岩溶区桩基，赵明华使用结构力学的方法把溶洞顶板简化成为刚性底板上作用垂直荷载[1-3]，并结合桩端持力层的破坏机理，计算持力层抗冲切，抗弯和抗剪破坏时的应力。王华牢对不同洞穴条件下桩基承载力的影响作了详细分析, 进而提出了岩溶地区桩基承载力设计中应考虑修正参数[4]。王革力从溶洞和土洞的发育机制出发，推导了岩溶地基承载力、土洞地基沉降变形的计算公式[6]。刘铁雄结合基桩与溶洞顶板作用机理，建立室内模型，通过破坏性试验得到了，溶洞顶板安全厚度的验算方法[5]。刘国喜通过数值模拟得到影响溶洞稳定性的敏感因素[7]。由于现阶段对溶洞地区桩基稳定性方面的研究，大多只提及竖向承载力，而受水平荷载作用下桩基稳定性方面鲜有研究。本研究依托娄新高速公路资水大桥6-2#桩基为对象，研究多层岩溶地区大直径桩的稳定性。

1 工程背景

娄新高速公路资水大桥主桥为48 m+3×80 m+48 m预应力砼变截面悬浇连续梁。该桥主桥5～8号桥墩位于资江河道中，下部结构为单桩（300 cm）单柱。

综上所述，基于当前的发展形势下，林业苗木育苗管理技术的应用，面临着重大的挑战。因此，林业部门在实际的育苗管理过程当中，要加强对育苗的全过程管理，做好各个育苗环节工作，确保整体管理水平的提升。同时，林业部门要根据当前实际管理现状，不断创新发展管理制度，为后续的管理工作提供重要的制度保障。此外，加强育苗技术的管理，在保证现有技术的基础上，不断创新育苗技术，并加大资金投入，积极引进先进的技术及设备，严格执行各项技术标准进行相关的操作，提升育苗效率与质量，进而全面实现整个苗木育苗管理的合理性与科学性。

1.1 桥位区地层岩性

桥位区发育的地层，由新至老分述如下：第四系全新统(Qh)：

1) 种植土：灰褐色，松软，厚度为0～0.5 m。

2) 填筑土：黄褐、灰褐色，结构～紧密，为路基、宅基等填土，厚度为0～3.5 m。

8) 泥灰岩：局部夹泥质灰岩，或与泥质灰岩互层，属可溶性岩；薄层状，局部具条带状构造。

3) 桥位区岩溶发育，多充填软塑或流塑状粘性土，局部地段深部岩溶管道连通性较好，岩溶水丰富。

根据文中所建立的有限元模型进行分析，得到以下计算结果如图4、图5所示。从图中可以得出该基桩最大水平位移为0.162 mm，最大拉应力为117 kPa，处于稳定的工作状态中。

第四系更新统(Qp)：

5) 粉质黏土：棕黄、褐黄色，一般可～硬塑状, 属冲洪积成因，局部夹砂及粉土，厚度一般为4.0～9.6 m。

6) 粉土：灰黄、褐黄色，一般中密，稍湿～湿,局部软塑状粉质黏土，属冲洪积成,厚度为0～4.1 m。

7) 卵石：灰黄、灰褐色，中密～密实，一般饱水，卵石成分主要为砂岩、变质砂岩、石英，粒径一般2～10 cm。

泥盆系上统(D3)：

10) 灰岩：灰黑、青灰色，中风化，中厚层状，隐～微晶质结构，岩质坚硬。

3) 卵(漂)石：灰黄、灰褐色，松散～中密，饱水，卵石、漂石成分主要为砂岩、变质砂岩、石英及灰岩，粒径一般5～30 cm。

乌村在大多数流行的节日都会设计相应的主题开展活动，比如在每年夏天孩子们放暑假前至暑假结束这一段时间开展“童玩节”，迎合“玩爷爷小时候玩过的玩具”这主题，特品屋会出售滚铁环、竹蜻蜓、竹筒高跷、水套圈等玩具，充分体现农村童趣。在过新年的时候，特品屋会赠送祈福牌迎合“中国年”的主题。还有就是迎合村内知青年代组团（组团的概念源于以前生产小队的生活，与乌村整体氛围相吻合）的红色主题，出售一些军用水壶、“为人民服务”背包等等。

9) 泥质灰岩：灰黑、灰褐色，薄～中厚层状，隐晶质结构，岩质较坚硬。

防止儿童误锁车内报警系统主要对车门锁和人体进行检测[3]。当检测到车门锁被车主锁住后，被安装在车内的被动式热释电红外传感器开启，检测车内人员情况。当传感器检测到有儿童被困车内时，传感器将被测信号转换为电信号输入给微处理器[4-5]。进而，微处理器发出控制信号，控制声光报警器工作，车窗进行自动下降。与此同时，微处理器通过GSM模块向驾驶员发送信息，提示车主有儿童被锁，应立即返回做出应急处理，以避免悲剧的发生[6-7]。系统的原理示意图如图1所示。

11) 泥质粉砂岩夹砂质页岩：黄褐色，薄层状。

盐龙湖工程中试系统去除原水中氮磷效果研究……………………………… 左 倬，郭 萧，李 巍等(14.33)

1.2 岩溶地质特征及其工程特性

阿司匹林具有不可逆作用，其可以抑制血栓素，并且可以将抗血栓功效充分发挥出来，实现血小板聚焦的抑制，单一采用阿司匹林无法避免心血管事件的发生，同时也会产生血小板聚集。

2) 根据调查及钻探揭示的情况分析，本桥岩溶发育：其中，河床中溶沟、溶洞发育深度大，特别是5#、6#墩溶洞发育深度达60～70 m以上。桥位区岩溶水水量大，对基坑侧壁的稳定存在不利影响。桥位区未发现与覆盖型岩溶有关的地面塌陷等现象，目前自然条件下场地较稳定。

近代以来，中西文化的差异越来越为进步的中国人所关注，西学东渐逐渐成为一种趋势，从学习西方的器物、文化，到政治制度的模仿，从一次次的失败中，我们找到了马克思主义。马克思在《政治经济学批判》中肯定了“乡村城市化”的发展目标。西方社会也在一次次的考察中，把中国称之为“乡土中国”。那么，农村城市化如何实现？农村文化是否要转变为城镇文化？

4) 由于桥位区溶沟、溶洞较发育，且存在隐伏的陡峭岩壁，成孔过程中可能会产生卡钻、垮孔等事故，应采取有效的防范措施。

生物降解反应机理：消除污染羽中电子受体及氮磷等营养物质的限制，使得微生物进入正常或活跃的状态，促进地下水中有机物的好氧或厌氧生物降解[20].狄军贞[21]以生物麦饭石为载体，在其上固定硫酸盐还原菌(sulfate reducting bacteria，SRB)污泥，以其作为PRB活性填料，并且添加Fe0组成生物-非生物协同去污的新型PRB井下原位修复系统，对煤矿酸性废水(主要污染物有展开连续动态、变负荷的模拟修复研究，结果表明：Fe0-SRB-麦饭石-PRB系统处理煤矿酸性废水不仅可以实现多种污染物的同步去除，还能实现在无外加碳源的情况下井下原位长效修复.

基桩参数与地质剖面图见表1和图1。

表1 工程桩参数Table 1 Parameters of engineering pile

图1 6-2#桩地质剖面和基桩横截面Fig. 1 6-2# pile geological section and base pile cross section

2 基桩有限元模型的建立

采用大型有限元软件进行模拟，6-2#桩基长72.05 m，直径3 m，岩土影响范围水平方向取45 m，深度方向取140 m。该桩基位于岩溶区，穿越多层溶洞，两个溶洞分别位于20.6 m～34.7 m、40.7 m ～55.5 m之间。

水平荷载作用下的桩基础，不属于平面问题也不属于对称问题，用一种简单的模型计算很难真实模拟，故建立的三维模型用有限的范围代替无限的范围满足计算所需精度要求，桩基用实体弹性单元，桩周岩土使用实体模型本构模型为D-P模型，材料参数见表2。

在桩土之间的耦合选用GOODMAN[8]接触单元。在岩溶层采取不设置接触及桩周无实体单元。并对该模型进行简化，只考虑两个大溶洞对桩基的影响以及单一岩层，在岩层与溶洞交界处把单元细分化。在桩顶施加恒定的水平荷载1 000 kN。模型如图2、3所示。

1) 桥位区不良地质主要为岩溶。根据勘察钻探发现，桥位区灰岩、泥质灰岩中相对更发育，发育深大溶沟及溶洞：而泥灰岩中岩溶发育相对稍少，岩溶主要以浅层溶沟为主，局部发育规模较的溶洞；溶沟中充填黏性土或砂卵石，溶洞中充填黏性土或无充填物。

表2 材料的物理力学参数Table 2 Material’s physical and mechanical parameters

3 计算结果

4) 粉质黏土：黄褐色，可塑，分布于桥位区局部位置，为冲洪积成因一般＜ 2 m。

图2 计算模型的有限元网格Fig. 2 Finite element meshes of calculation model

图3 模型参数(单位：m)Fig. 3 Model parameters

图4 在实际状态下桩身水平位移曲线Fig.4 Horizontal displacement curve of pile body in the actual state

图5 在实际状态下桩基最大拉应力曲线Fig.5 Maximum tensile stress curve of pile foundation in the actual state

4 影响因素分析

三维有限元单元无法直接读取弯矩值，因桩基各个截面弯矩值与桩基受拉区拉应力值对应成比例，故可从拉应力分布规律，对水平力作用下桩基的内力进行分析。

4.1 不同溶洞半径下对桩基位移和内力的影响分析

通过改变上下两个溶洞半径（2R～6R）。对基桩在水平力作用下桩身位移进行分析。图6、图7 分别取桩身（20 m～60 m）范围内桩身水平位移与最大拉应力曲线图，从图6可得随着溶洞半径增大使得该范围内桩身水平位移增大；从图7可看出，溶洞与岩层交界处上段拉应力大于下端拉应力，并随着溶洞的增大，上端拉应力增大，而下端拉应力减小，并且当半径大于3R时，上溶洞下端出现压应力。

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4.2 桩周岩体弹模对桩基位移和内力的影响分析

洞穴直径为2倍桩径时，通过改变桩周基岩弹模（由1E～8E）。图8、图9 分别为不同洞穴大小下桩顶水平位移与最大拉应力曲线图。从图中可看出，桩周基岩弹模增大时，桩顶水平位移和最大拉应力都随之减小。

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图6 不同溶洞半径下桩身水平位移曲线Fig. 6 Horizontal displacement curves of pile body with different cave radius

图7 不同溶洞半径下桩基最大拉应力曲线Fig. 7 Maximum tensile stress curves of pile foundation with different cave radius

图8 不同桩周岩体弹模下桩身位移曲线Fig. 8 Displacement curves of pile body with different surrounding rock body elastic modulus

4.3 不同溶洞高度对桩基位移和内力的影响。

洞穴直径为2倍桩径时，通过改变溶洞高度（2～14 m）。对基桩在水平位移进行分析，图10、图11 分别取桩身（20～60 m）范围内桩身水平位移与最大拉应力曲线图。从图10，11可看出对桩身水平位移无影响。溶洞高度增大时，第三折点位置随着溶洞高度增大而降低。由于溶洞位于地面20 m以下，在溶洞高度不断变化的同时，上部岩体能够限制桩基的水平位移，导致其对水平位移影响甚微，如将溶洞的高度，由20 m起向上变化，则会出现明显差异。

图9 不同桩周岩体弹模下桩身最大拉应力曲线Fig. 9 Maximum tensile stress curves of pile body with different surrounding rock elastic modulus

图10 不同溶洞高度下桩基位移曲线Fig. 10 Displacement curves of pile foundation with different cave height

图11 不同溶洞高度下桩基最大拉应力曲线Fig 11 Maximum tensile stress curves of pile foundation with different cave height

4.4 不同溶洞顶板厚度对桩基位移和内力的影响

洞穴半径为2倍桩径时，通过改变洞穴顶板厚度（由4～20 m）。顶板厚度为4 m时，其岩层上用16 m的土层模拟，依次类推。图12、图13 分别为不同洞穴顶板厚度下桩顶水平位移与最大拉应力曲线图。

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图12 不同溶洞顶板厚度下桩基位移曲线Fig. 12 Pile base displacement curves with different cave roof thickness

图13 不同溶洞顶板厚度下桩基最大拉应力曲线Fig. 13 Maximum tensile stress curves of pile foundation with different cave roof thickness

通过图12,图13可看出, 洞穴顶板厚度增大时, 桩顶水平位移不断减小，且位移第一零点上升，而对桩基最大拉应力无影响。

4.5 不同桩基弹模对桩基位移和内力的影响。

洞穴半径为2倍桩径时，通过改变桩基弹模（由1E～8E）。图10、图11 分别为不同洞穴顶板厚度下桩顶水平位移与最大拉应力曲线图。通过图10，11可看出, 洞桩基弹模增大时, 桩顶水平位移和最大拉应力都随之减小。

4 结 论

通过对资水大桥6-2#桩基进行影响因素分析，得出如结论：

图14 不同桩基弹模对桩基位移曲线Fig. 14 Displacement curves of pile foundation with different pile foundation elastic modulus

图15 不同桩基弹模下桩基最大拉曲线Fig. 15 Maximum tensile curves of pile foundation with different elastic modulus

（1）通过对实际情况进行，得出桩基水平荷载作用下处于稳定的工作状态中；溶洞的半径对溶洞范围内桩基的水平位移有影响且随溶洞半径的增大而增大，溶洞与岩层交界面处最大拉应力也随溶洞的增大而增大。

（2）桩周岩层的弹模对桩基水平位移的影响随弹模的增大而减小，桩基最大拉应力也随之减小；溶洞高度对桩基水平位移无影响，但最大拉应力折点随着高度的增大而降低。

（3）溶洞顶板厚度对桩基水平位移影响较大，随着顶板厚度的减小，桩顶的水平位移不断增大，且第一位移零点不断降低，而桩身最大拉应力基本不变；桩基弹模对桩基水平位移随的影响随弹模的增大而减小，但最大拉应力影响随随弹模的增大而增加。

[1] 赵明华，袁腾方，黎 莉，等. 岩溶区桩端持力层安全厚度研究[ J ].公路，2003,(1):124-128.

[2] 赵明华，陈昌富．曹文贵．嵌岩桩桩端岩层抗冲切安全厚度研究[J]. 湖南科技大学学报，2003,18(4):41-45.

[3] 赵明华，程 晔，曹文贵．桥粱基桩桩端溶洞顶板稳定性的模糊分析研究[J].岩石力学与工程学报，2005,24(8):1376-1383.

[4] 王华牢，张鹏等.岩溶洞穴对嵌岩单桩承载力的影响研究[J].西安理工大学学报,2010(26):31-36.

[5] 刘铁雄．岩溶顶板与桩基作用机理分析与模拟试验研究[D].长沙：中南大学，2003.

[6] 王革立.岩溶地基嵌岩桩桩基特性分析与试验研究[D].长沙：中南大学，2002,

[7] 刘国喜．岩溶地区大桥桩基下伏溶洞稳定性研究[D]. 北京：北京科技大学,2005.

[8] Goodman R E, T aylor R L, Brekke T L. A Model for the Mechanics of Jointed Rock [J]. Journal of Soil Mechanics and Foundations Division, 1968, 94( 3) .

Numerical analysis of horizontal load in multilayer karst area with large diameter pile

HE Guo-jing, YANG Wen-dong, YI Jin
(School of Civil Engineering and Mechanics, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

The pile displacement and internal force of large diameter deep water pile under action of horizontal load in the multilayer karst region were numerically analyzed. The results affected by influence factors(including cave radius, height, rock and soil elastic modulus, pile foundation elastic modulus, cave roof thickness) were compared, thus obtaining some valuable conclusions.

large diameter pile; horizontal load; karst area; finite element; horizontal displacement

U441.4

A

1673-923X (2012)08-0154-05

2012-03-12

湖南省交通科技项目（200929）

贺国京（1964—），男，湖南岳阳人，博士，教授，博士生导师，从事桥梁结构理论研究；E-mail：cegjhe@hotmail.com

杨汶东（1985—），男，湖南怀化人，硕士研究生，主要从事桥梁结构的研究；E-mail：25724274@qq.com

[本文编校：邱德勇]