李煉

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

在廣東西北部地區(qū)進(jìn)行橋梁建設(shè)時(shí)，經(jīng)常會(huì)碰到巖溶發(fā)育地段。巖溶作為一種十分不良的地質(zhì)情況，給橋梁工程設(shè)計(jì)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(jìn)行勘察時(shí)，一般按照“一樁一孔”或“一樁多孔”的原則進(jìn)行?？墒菍?duì)于很多大直徑樁基，按照一樁多孔，在后續(xù)施工完抽芯驗(yàn)樁時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)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(jīng)濟(jì)、合理的樁基設(shè)計(jì)形式，如何合理地確定樁端持力層的厚度，在目前實(shí)際橋梁設(shè)計(jì)和施工中是普遍關(guān)注的問題[2]。

1 工程概況

某項(xiàng)目位于廣州市白云區(qū)，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(jié)構(gòu)均采用預(yù)制小箱梁結(jié)構(gòu)，下部結(jié)構(gòu)均采用樁基礎(chǔ)。

根據(jù)前期勘察資料來看，該區(qū)域巖溶發(fā)育，內(nèi)見洞率約45%，屬于巖溶強(qiáng)發(fā)育地段。部分地段還存在串珠溶洞，各類溶洞規(guī)模不一，形態(tài)各異，分布雜亂。同時(shí)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(shè)計(jì)。故進(jìn)行樁基設(shè)計(jì)時(shí)，在參照規(guī)范要求的基礎(chǔ)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(guān)系，對(duì)樁基設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

2 計(jì)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(shí)，土體和巖體的本構(gòu)采用Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則（簡(jiǎn)稱“DP準(zhǔn)則”）。DP準(zhǔn)則的屈服面不隨材料的屈服而改變。該準(zhǔn)則的屈服強(qiáng)度隨著側(cè)限壓力的增加而增加[3]。

土體與混凝土結(jié)構(gòu)共同作用時(shí)，一般采用接觸單元來模擬界面之間的變形協(xié)調(diào)。建模時(shí)，土體和樁基均采用solid45實(shí)體單元，接觸面單元采用CONTA173，目標(biāo)面單元采用TARGE170單元[4-5]。

本次計(jì)算以跨河涌橋?yàn)槔?，選取其中φ1.2 m樁徑的樁基。建模計(jì)算時(shí)，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(jù)對(duì)稱性取1/4模型進(jìn)行分析。土體盡可能選取一定范圍內(nèi)大的土體，本次土體平面尺寸選取8 m×8 m。同時(shí)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(jìn)入到巖層，故在巖土層模擬時(shí)，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(wǎng)格劃分圖

2.2 計(jì)算參數(shù)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(cè)面采用全約束，土體內(nèi)側(cè)面采用鏡像約束。

（2）樁基參數(shù)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(shù)，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(nèi)摩擦角

土體黏聚力和內(nèi)摩擦角按照勘察報(bào)告中選?。ㄒ姳?）。（4）樁基與土體之間側(cè)摩擦系數(shù)

表1 土體參數(shù)

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

2.3 計(jì)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(guān)系，分析時(shí)按照以下3個(gè)工況來進(jìn)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力和變形分析。

3 分析結(jié)果

在樁頂力作用下，樁基和巖體共同作用，產(chǎn)生變形和應(yīng)力。

由圖2、圖3、圖4可知，巖體層變形主要發(fā)生在樁底與巖體接觸處。第一主應(yīng)力最大發(fā)生在樁底周邊，是由樁與巖體之間側(cè)摩阻力而產(chǎn)生的。第三主應(yīng)力最大值發(fā)生在樁底，是由樁底的直接軸向力而導(dǎo)致的。下面針對(duì)工況1～3，將巖體豎向變形和應(yīng)力進(jìn)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(yīng)力（主拉應(yīng)力）云圖（單位：P a）

圖4 樁土作用巖體第三主應(yīng)力（主壓應(yīng)力）云圖(單位：P a)

3.1 工況1

工況1時(shí)，不同持力層頂板跨徑下，巖體位移和應(yīng)力見表2。

表2 巖體應(yīng)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(shì)。

（2溶洞頂板巖體的第三主應(yīng)力（主壓應(yīng)力）隨著跨徑的增大而減小。

（3）溶洞頂板巖體的第一主應(yīng)力（主拉應(yīng)力）未見明顯變化。

3.2 工況2

工況2時(shí)，不同嵌巖深度下，巖體體位移和應(yīng)力見表3。

表3 巖體應(yīng)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(yīng)力（主壓應(yīng)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(yīng)力（主拉應(yīng)力）未見明顯變化。

3.3 工況3

工況3時(shí)，不同溶洞頂板厚度下，巖體位移和應(yīng)力見表4。

表4 巖體應(yīng)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(yīng)力（主壓應(yīng)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(yīng)力（主拉應(yīng)力）隨著頂板厚度的增大而減小。

5 結(jié)語

本文以實(shí)際工程中的橋梁巖溶樁基實(shí)例為研究對(duì)象，從樁端持力層溶洞頂板厚度、跨徑和樁基入巖深度3個(gè)方面進(jìn)行了對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

（1）由工況1發(fā)現(xiàn)，溶洞頂板的變形和巖體第三主應(yīng)力（主壓應(yīng)力）與溶洞跨徑有比較大的關(guān)系，巖體第一主應(yīng)力（主拉應(yīng)力）發(fā)生在樁底巖體側(cè)與溶洞頂板跨徑基本無關(guān)，只要有一定的頂板厚度，跨徑對(duì)巖體的拉應(yīng)力的影響不大。

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

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

（4）由工況2和工況3對(duì)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(yīng)力（主拉應(yīng)力）越小，越有利于巖體受力。故樁基設(shè)計(jì)時(shí)，在保證受力滿足要求的基礎(chǔ)上，不可盲目增加嵌巖深度，應(yīng)以持力層厚度滿足要求為先。

上述分析為以后巖溶地區(qū)樁基持力層厚度的設(shè)計(jì)提供了一點(diǎn)思路和借鑒。