考虑溶洞跨度影响的铁路桥梁嵌岩桩承载特性研究

2022-02-21张凯ZHANGKai

价值工程 2022年5期

张凯ZHANG Kai

（山东省路桥集团有限公司，济南250014）

0 引言

岩溶的发育使得岩溶区岩体的强度与岩体稳定性大幅降低[1]，岩溶地质常常对工程建设造成不同程度的危害[2-3]。嵌岩桩将上部荷载传递至岩溶地基上，若桩基发生失稳，将引发上部结构破坏，故需要慎重考虑溶洞对桩基承载能力的影响。岩溶地区地质条件复杂，影响嵌岩桩承载力及溶洞顶板稳定性因素众多，其中溶洞跨度为重要影响因素[4]。本文针对不同溶洞跨度开展数值模拟研究，得出不同溶洞跨度下单桩承载特性的一般规律，对实际工程有一定指导价值。

1 模型建立

1.1 基本假设

本文对所建立计算模型做出如下假设：

①上覆土层简化为单一粉质粘土层，嵌岩段为石灰岩，二者分界面水平，所有岩土体均各向同性，不考虑地下水的影响，嵌岩段岩体完整；

②桩基下方溶洞为方形构造，不考虑溶洞内充填物的影响，溶洞顶板水平；

③不考虑桩体的破坏，土体及嵌岩段岩体采用Mohr-Coulomb 屈服准则；

④假定桩岩接触良好，忽略桩底沉渣等施工工艺对桩岩接触面的影响。

1.2 几何模型

为减小边界效应的干扰，对计算模型地层取20m×20m×40m 大小进行分析。根据相关文献模型参数如下[5-6]，桩径D=1.0m，桩长L=20m，溶洞高H=2m，顶板厚度h=3D，溶洞偏心距e=0，嵌岩深度hr=1D，溶洞跨度d 分别取2、4、6、8 倍的桩径。桩基及地层的参数取值分别如表1、表2所示。

表1 桩基材料参数

表2 地层材料参数

1.3 接触面设置

①桩-土接触面：将刚度较大的桩体表面定义为主面，法向模型选择“硬接触”。切向模型采用罚函数模型，桩-土界面的摩擦系数设为0.45。

②桩-岩接触面：将桩体侧面定义为主面，法向模型为硬接触模型，切向模型为罚函数模型，桩岩界面的摩擦系数设为0.60。

计算模型不考虑桩底沉渣等施工工艺的影响，将桩端设定为tie 约束，即桩端与下方基岩表面不发生相对位移。

1.4 边界与荷载

对计算模型的底部与侧面分别施加位移边界条件：底部施加三向位移约束，侧面施加法向位移约束，地表设为自由面。在地应力平衡分析步中只对完整地层施加重力并进行初始应力平衡，之后加入桩基模型并对其施加重力。在后续分析步中分级施加桩顶荷载，取每级10MPa，直至溶洞顶板破坏。

1.5 网格划分

网格划分技术采用结构化网格划分与扫掠划分相结合的方法。为确保网格划分质量，对计算精度要求较高的局部进行网格加密。本文所用计算模型整体单元尺寸为1.4，局部适当加密至0.5，模型单元C3D8I。

2 溶洞跨度对单桩承载特性的影响

2.1 溶洞顶板破坏模式

在荷载逐渐增加的过程中，模型内部竖向位移变化见图1。

图1 加载过程中地层竖向位移变化云图（h=3D）

由图1 可知，随着竖向荷载的增大，土体的主要塑性应变区从原来的嵌岩段上方部位逐渐过渡到桩端下方的岩体，即溶洞上方的顶板。随着荷载增加，顶板破坏模式表现为冲切破坏。

2.2 溶洞跨度对单桩极限承载力的影响

图2 为不同溶洞跨度模型下桩顶荷载-沉降曲线。当溶洞跨度在d=6~8D 的范围内，桩顶荷载-沉降曲线没有太大的差异，随着溶洞跨度进一步减小，对应的单桩极限承载力有逐渐增加的趋势。在溶洞跨度大于4 倍桩径后，溶洞跨度的变化对单桩的极限承载力不再产生明显的影响，单桩极限承载力逐渐趋于一个定值（见图3）。

图2 不同溶洞跨度下的桩顶Q-S 曲线

图3 单桩极限承载力随溶洞跨度的变化

2.3 不同溶洞跨度下的顶板破坏模式

在不同溶洞跨度情况下，由上部荷载引起的溶洞顶板的塑性滑移区域形态如图4 所示。当溶洞跨度d=2D 时，溶洞顶板在极限荷载作用下表现为沿桩周向下的剪切破坏。据此可以解释图1 中溶洞跨度为2D 时桩底Q-S 曲线与其他3 组的差异。

图4 不同溶洞跨度下的顶板破坏模式

当溶洞跨度在4D~8D范围内，模型桩底Q-S 曲线后半段出现明显陡降趋势，而溶洞跨度为2D 时，曲线斜率更为平缓，即随着溶洞跨度减小，溶洞顶板从脆性破坏过渡为塑性破坏。在溶洞顶板跨度从4D 增加到8D 的过程中，顶板冲切破坏角基本保持不变。当溶洞跨度超过某一阈值，在顶板厚度不变的条件下，其顶板冲切破坏角不再随跨度增加而变化。