（岩土工程专业论文）岩溶地区嵌岩桩基承载特性研究.pdf

东南大学硕士学位论文 岩溶地区嵌岩桩基承载特性研究 摘要：岩溶区域是指可溶性碳酸盐岩含量占3 0 以上的地区。在 我国岩溶主要分布在贵州、云南、广西、四川等地。随着我国实施西 部大开发战略，将有越来越多的工程兴建在岩溶地区，由于岩溶的存 在，就不可避免的存在桩基承载力确定的问题。因此加强岩溶桩基承 载特性研究，有着重大的技术价值和经济意义。 本文首先从岩溶地区顶板稳定性角度出发，运用结构力学分析的 方法，把项板模拟为梁、拱、板等模型，对岩溶地区桩基承载力的确 定进行了分析。 静载试验是重要的手段之一，但由于条件限制，以往工作采用较 少。本文主要利用有限元分析的方法，着重讨论了岩溶地区桩基承载 力的主要影响因素，包括溶洞体积的大小、顶板厚度以及岩性对桩基 承载力的影响，数值模拟表明：岩溶地区桩基承载力的主要影响因素 中，溶洞高度对桩的极限承载力影响较小，而溶洞顶板跨度、厚度对 极限承载力影响较大，围岩强度大小对桩基极限承载力的影响最为明 显，岩体强度越高，极限承载力就越大。 最后结合工程实例，验证了该方法的可靠性，并为岩溶地区桩基 承载力的确定提出了自己的见解。 关键词：岩溶桩基力学分析数值模拟承载特性 岩溶地区嵌岩桩基承载特性研究 s t u d yo f t h ec h a r a c t e r i s t i co fb e a r i n gc a p a b i l i t y o f p i l ef 0 u n d a t i o ni nk a r s t sa r e a a b s t r a c t ：t h ek a r s t s l l i 曲l a n da u r e a sm a i l l l yr e f e rt ot h o s em o u i l t a i n o u sa r e a s u n d e rm ei u n s d i c t i o no fc o u n t i e sa n dm l m i c i p a l i t i e sw h e r e 、f u l l ye x p o s e do r s e m i e x d o s e dc a r b o n a t er o c k sa c c o u n tf o rm o r et h a n3o o ft h et o t a la r e a i nm e s o u t h w e s t e mp a r to fc h i n am ek a r s t s h i 曲l a j l da r e a sa r ed i s t r i b u t e dl a l r g e l yi nt h e m o s tp a r to fg u i z h o up r o v i n c e ，a j l ds o m ep 锄so f m n a na j l ds i c h u a np r o v i n c e s ，a s w e ua sg u a l l g x ia u t o n o m o u sr e g i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n ti nw e s t e mr e g i o n ，t h e p r o b l e m ，e s p e c i a lt h ed e t e n n i n a t i o no fb e a r i n gc 叩a c i t yo fp i l ef o u n d a t i o n ，w i l lb e m e e ti n e v i t a b l y ，t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s 撒yf b ri t st e c l l i l i q u ea n de c o n o m i ct oe r 山a n c e t h es t u d yo nt h ec h a r a c t e r i s t i co f b e a r i n gc a p a b i l 时o fp i l ef o u n d a t i o nd u r i n gt h ep i l e f o u n d a t i o nd e s i g ni nk a r s t sa r ea f i r s t ，b ym a k i n gu s eo ft h ea n a l y t i cm e t h o di nm e c h a n i c s ，i m i t a t i n gap l a r 墩a s t h eb e 锄，a r c h ，s l a b e t c t h eb e a r i n gc a p a b i l i t yo fp i l ef o u l l d a t i o ni nk a r s t sa r e aa r e d i s s 0 1 v e d a l t h o u g ht h el o c a l m e a s u r ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a l l tm e t h o d sf o ri t ，i ti s s e l d o mt a k e nb e c a u s eo ft h el i m i t e do ff i n a n c i n g b a s e do nt h ef i l l i t ee l e m e n tm e m o d ， t h em a i o ri n n u e n c ef a c t o r sa b o u tt h em a g n i t u d eo rt h ek a r s t sc a v e ，c a h y i n gs l a b t h i c k n e s sa n dm es t r e n 垂ho fr o c ka r ed i s c u s s e d a c c o r d i n gt ot h ea j l a l y s i sr e s u l t s ，o f a ut h ei n n u e n c ef a c t o r st h em o s ti st h es t r e n 酉ho fr o c ka r o u n dt h ep i l e s t h em o r e s t r e n g t h e nt h er o c k ，t h es t r o n g e rt h eb e a r i n gc a p a b i l i 研 f i n i a l ，c o m b i n e dw i mt h ee x p e r i e n c eo fe n g i n e e r i n g ，m er e l i a b i l i t ya n dv a l i d i t y o ft h ef i l l i t em e t h o di sv e r i f i e d a sar e s u l tt h eb e a r i n gc a p a b i l i t yo fp i l ef o u n d a t i o n a r ed e t e l l ：1 1 i n a n t k e yw o r d s ：k a r s t s ，p i l ef o u n d a t i o n ，m e c h a n i c sa n a l y s i s ，f i l l i t ee l e m e n tm e t h o d ， b e a r i n gc a p a b i l 时c h a r a c t e r i s t i c 2 v9 二35 l5 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 躯牢 日期：垒坐 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：塑空导聪名：鬓帮旷日期： 1 1 岩溶介绍 1 1 - 1 岩溶定义 l 、绪论 岩溶，又名喀斯特( k a r s t s ) 。是指可溶性碳酸盐岩在一定的地理条件( 地质、 地形、气候等) 影响下，受地质力( 地表水、地下水等) 的k 期作用，所形成的 特殊地貌形态和水文地质现象及作用的总称。可溶性岩主要是指碳酸盐类、硫酸 盐类、卤盐类岩石。自然界中硫酸盐和卤盐类岩石较少，溶蚀较快，岩溶地貌较 难保存，因此，岩溶现象主要在碳酸盐岩石地区比较普遍。 1 - 1 2 岩溶分布 在中国，喀斯特地貌分布广泛，为世界罕见。作为喀斯特地貌发育的物质基 础碳酸盐类岩石( 如石灰石、白云岩、石膏和岩盐等) 分布很广。据不完全 统计，总面积达2 0 0 万平方公里，其中裸露的碳酸盐类岩石面积约1 3 0 万平方公 里，约占全国总面积的1 7 ；埋藏的碳酸盐岩石面积约7 0 万平方公里。岩溶在中 国的广西、贵州、云南、四川等地最多，其余湖南、广东、浙江、江苏、山东、 山西等省均有规模大小不同的岩溶地区，而西南地区是我国岩溶分布最为集中和 典型的区域f 图1 2 ) ，岩溶类型以裸露型、覆盖型为主，其次为埋藏型( 图1 1 ) 。 图11中国岩溶区岩溶分布图 图1 2 岩溶发育条件示意图 1 1 3 岩溶发育主要条件 岩溶发育的基本条件是：可溶性岩体，具有溶蚀力的水以及水的循环交替( 图 1 2 1 。一般情况下，岩溶化程度最强的为灰岩，其次为白云质灰岩和自云岩，再 东南大学硕士学位论文 次为泥质灰岩。从碳酸盐岩的结构来说，一般晶粒愈粗，溶解度就愈大，岩溶发 育也就愈强烈，因为晶粒愈粗大，岩石空隙也大，吸水率高，抗侵蚀能力弱，有 利于溶蚀。 水的溶蚀性主要取决于含酸性。水中有酸才具有溶解可溶性岩石的能力。自 然界中的二氧化碳( c d 2 ) ，溶于水中生成碳酸( z c d 3 ) ，与石灰岩( c 台c d 3 ) 相遇 后产生化学反应( c 0 ，+ 日z c d 3 国“+ 2 舵q ) ，石灰岩被溶解成易溶的重 碳酸钙【c ：( 朋d 3 ) u ，随流水带走。在岩溶过程中，岩石的溶蚀大于物质的重新 沉淀，因而在岩体中形成了各种各样的空洞，为机械侵蚀创造了条件。 水的循环交替作用强烈，岩溶作用也强烈，水的循环交替还影响到水的类型、 运动状态和岩溶形态。 1 1 4 岩溶形态 岩溶的形态类型很多，有石芽和溶沟，溶蚀裂隙、漏斗、溶蚀洼地，坡立谷 和溶蚀平原，溶蚀残丘、孤峰和峰林，槽谷、落水洞、竖井、溶洞、暗河、天生 桥以及土洞等。岩溶形态虽然多种多样，但在一定的地质和水文地质条件f ，相 互间存在着密切的内在联系，形成不同的地貌组合形态( 图1 | 3 1 5 ) 。 图1 3 岩溶形态石笋图1 4 岩溶形态石林 图l5 君、俗彤念一、借嗣 2 绪论 1 2 研究背景及意义 贵州、湖南、广西等省岩体类型叮分为碳酸盐岩、碎屑岩、变质岩、岩浆岩 及土体等五种。岩溶地区特殊的地貌、水文地质和工程地质条件，造就了一种脆 弱而易受损害的自然环境，一旦遭到破坏，治理和恢复就相当困难。岩溶地区公 路 ：程的主要问题有j ： ( 1 ) 由于地f 水的活动，或因地面水的流动使洞穴阻塞，导致基底冒水、水 淹公路、水冲公路及隧道涌水等病害。 ( 2 ) 由于地下洞穴顶板的坍塌，引起位于其上的路基及其附属构造物发生坍 塌、下沉或开裂。 ( 3 ) 某些人为活动因素所造成的问题。如爆破地震所造成的边坡失稳、地表 塌陷等。 ( 4 ) 桥梁等大型构造物基底承栽力及稳定性问题。 ( j ) 公路建筑材料适用性问题以及防地下水侵蚀问题。 图1 6 土洞对路基的影响图1 7 溶洞对路基的影响 在岩溶地区进行土木工程施工，不可避免地将遇到许多新的课题 2 3 1 。特别 是在高等级公路建设中，由于岩溶和士洞的存在，在路基主要受力范围内，由于 附加荷载以及振动的作用，可能导致溶洞或土洞的坍落，引起其上的路基及其附 属结构发生塌陷、下沉或丌裂，将对公路产生极为不利的影响( 图1 6 1 7 ) 。 图18 溶洞对桥基的影响 东南大学硕士学位论文 尤其是在岩溶地区公路桥梁的修建中，由于其特殊的地质条件，多采用桩基础， 在上部荷载作用下，如果溶洞顶板强度或者厚度不能满足桩基承载能力要求，将 会对公路桥梁产生极大的危害( 图1 8 ) 。 随着我国对西部大开发步骤的日益加快，西部地区对公路交通运输的需求会 越来越大，交通部为西部大开发战略的实施，新增加1 5 万公里公路建设规模， 并配套8 0 0 0 亿人民币。由于西部地区多为山岭、丘陵岩溶地区，其地形、地貌 和地质水文条件复杂，在工程中不可避免地会遇到岩溶地区桩基承载特性问题， 另一方面，国家交通部为适应我国经济发展的需要，制定了我国高等级公路在 2 0 2 0 年建成近四万公里国道主干线的宏伟计划，经十余年的建设，目前我国的 高等级的公路仅一万余公里，在今后的二十年中还需修建近三万公里的高等级公 路，在岩溶地区公路桥梁的设计都十分迫切需要相应的技术方法来解决，本项目 的研究具有重大的工程意义和经济价值，其应用前景十分广泛h 1 。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 岩基承载力的确定 近年来国内外学者对岩石的破坏机理研究逐渐增多。传统观念认为岩石的破 坏与土一样，也是剪切破坏；另一种以格里菲斯学者为代表的观点则认为：天然 岩石无不包含着裂隙，宏观和微观裂隙，只是不同岩石裂缝大小和密集程度不同 而已，没有裂隙的岩石是不存在的。当岩石中裂隙的间距相对工程结构尺寸来说 相当大时，才称为整体结构岩体，这时，它不可能出现沿裂隙面的破坏，只可能 是通过岩石内部破坏。由于岩石内部存在裂隙，即使在压力作用下，也会在微裂 隙端部产生拉应力集中，当拉应力大于该处的抗拉强度时，就会产生拉伸破坏， 从而使裂隙开展或扩展，同时当拉伸破裂使各相邻裂隙相继贯通时，则形成宏观 破裂面，然后在剪应力继续作用下产生沿破裂面的滑移，这样就在宏观上造成“剪 切”破坏的假象，其实岩石破裂的真正原因是“拉伸”而非“剪切”。f g b e l l ( 1 9 9 4 ) 和d u n c a n c w y l l i e ( 1 9 9 2 ) 经研究指出，岩基承载力与岩体结构面、岩石强度等有 密切关系。并将岩基因承载力不足引起的破坏，细分为剪切破坏、冲切破坏、劈 裂破坏、弹性破坏和单轴压缩破坏等5 种破坏模式。其中，剪切破坏最为常见， 常常发生在完整岩体、节理岩体、破裂岩体和软弱岩体中。对不含结构面的完整 岩基、含四组或四组以上结构面的破碎岩基、结构面强度较低的软弱岩基而言， 岩基剪切破坏形态同于土质地基。 目前工程中岩石地基承载力的确定方法主要有如下三种 8 1 ：( 1 ) 根据岩石的 风化程度确定岩基承载力的标准值；( 2 ) 根据原位荷载试验确定岩基承载力；( 3 ) 根据岩石的单轴抗压强度确定岩基承载力。而岩基承载力的计算方法则是根据上 述5 种不同的破坏模式采用不同的计算公式加以计算。虽然目前对岩基承载力的 研究还不够，但有一个普遍的认识，岩体在自然条件下总是存在着节理裂隙，不 是一种纯弹性体，但可考虑将岩体假定为弹性塑性体来进行理论分析，在国际上 应用得比较多的计算式有：( 1 ) 普朗德尔( p r a n d t l ) 计算式；( 2 ) 太沙基( t e r z a g h i ) 计算式；( 3 ) 加拿大科茨( c o a t e s ) 公式。上述三公式都是基于完整、均质的岩质 地基，而自然界中不存在理想完整的岩体，总是存在着节理、层理等等结构面和 一定的风化程度，破坏了岩体的整体性，当采取地基的极限承载力时，都应作适 4 1 绪论 当折减。 1 3 2 岩溶地基评价 岩溶地基突出问题不是地基强度而是地基稳定性，尤其是桩端岩体洞隙顶板 稳定性问题。目前对溶洞顶板稳定性的评价主要有以下几种半定量的方法一 1 引： 1 完整顶板安全厚度的评价完整顶板是指未被节理裂隙切割或虽被切割 但胶结良好，可视为整体的洞穴顶板，否则即为不完整顶板。其评价方法主要有： 1 ) 利用剪切概念估算顶板厚度 当溶洞顶板岩层完整、层理较厚、强度较高，但溶洞跨度较小，剪力是主要 控制条件，可按受剪力计算，所以h 再加上适当的安全系数，即为顶板的安全厚 度。 2 ) 按梁板受力情况估算 当溶洞顶板岩层完整，近似于水平层且洞跨较大，弯矩是主要控制条件， 可按梁板受力情况计算h ，所以h 再加上适当的安全系数，即为顶板的安全厚度。 但顶板跨中有裂隙，两支座处岩石坚固时按悬臂梁计算端部弯矩。当顶板较完整， 但两端支座处岩层有裂隙，与洞壁不成整体，可按简支梁计算弯矩。当顶板和洞 壁岩层均较完整是一体，可按两端固定梁计算弯矩。 3 ) 载荷试验法 在有代表性的浅层洞体上，将顶板岩体修凿呈一梁状，有条件时底面或侧面 亦可贴设电阻应变片，于其上分级加载，观察其应力与变形。通过试验可以了解 在特定条件下洞体的变形特征、破坏形式等。以试验结果对洞体稳定性进行评价 是一种定量的评价方法，是众所公认的。但由于条件的限制，以往工程中作的 较少。 2 不完整顶板安全厚度的评价 1 ) 按塌落堵塞概念估算 洞内无地下水搬运的情况下，溶洞顶板塌落时，岩块体积松胀，但塌落至一 定高度溶洞将被完全堵塞，项板即不再塌落。 2 ) 按破裂拱概念估算 当顶板岩体被密集裂隙切割呈块状或碎石状时，可认为顶板将成拱状塌落， 而其上荷载及岩体则由拱自身承担。 以上评价方法，可以对路基稳定性进行评价，但是对于桥梁基础稳定性评价 尚无成熟的方法。目前对于岩溶地区桥梁桩基础下伏单层溶洞和多层溶洞顶板稳 定性评价主要有两类，一是根据已查明的地质条件对影响溶洞稳定性的各种因 素，结合桩底荷载，分析比较做出稳定性评价，另外主要按照一些经验公式进行 定量评价，采用材料力学的方法分析顶板的稳定。由于岩溶地区单层和多层溶洞 受力条件非常复杂，边界条件难以准确确定，这些定量分析的方法难以获得有效 的结果。 1 3 3 岩溶地区溶洞对桥基承载性能的影响研究进展 岩溶作为一种特殊的地形、地貌、地质条件的反应，在工程领域就其对工程 的影响，国内外已经做了大量的工作。早在6 0 年代，我国就岩溶地区的选线原 东南大学硕士学位论文 则、工程勘测、路基填筑、桥基开挖、隧道掘进与支护等因素，在规范、规程中 作了大量的规定，而后，每一次修订标准规范、规程都对岩溶问题进行比较仔细 的研究，提出了若干准则，以之执行并取得了良好效果。近年来，随着我国工程 建设发展的需要，有关岩溶地区桩基工程的试验和研究内容越来越丰富，包括室 内实验室试验、现场试验、理论分析以及数值模拟计算分析等，研究成果提高了 我国岩溶地区桩基工程的设计和施工技术水平，同时也促进了我国高速公路建设 中桥梁工程的施工技术的发展。 大直径嵌岩灌注桩是用人工挖孔或机械钻孔并深入基岩使桩身嵌固岩体中 的一种灌注桩。嵌岩桩的特点是能充分发挥桩身强度和岩体承载力，适应性强， 承载力高，且能大幅度地降低基础工程费用，受到国内外工程界的普遍应用。国 内外许多专家学者对嵌岩桩已作了大量的研究工作，但对岩溶发育地区嵌岩灌注 桩的承载性状研究报道极少。人工挖孔桩是当前我国大直径桩的主要桩型之一。 这种桩的主要优点是成桩质量的可靠性好，质量相对较稳定，尤其相对钻孔灌注 桩，可以减少孔底沉渣厚度，使桩的端承力得到有效的发挥。对于人工挖孔桩承 载力计算模式问题尚存在一个误区，就是将人工挖孔桩一律视为端承桩而不计侧 阻力。承载力是否考虑侧阻力，应根据桩的长径比、桩端与桩侧土层性质来确定， 一般情况下当l d = 6 1 0 时都应考虑侧阻力。现有设计规范一般都把岩溶地区 的桩基视为嵌岩端承桩，同时要求桩底持力层基岩的顶板厚度大于5 米，嵌岩深 度不小于0 5 m 。但是对于长径比较大的人工挖孔嵌岩灌注桩，桩端阻力与桩侧 阻力的分担情况如何，只能通过现场静载试验才能得出结论。为此，刘铁雄、彭 振斌n 朝根据宁横公路大成桥段2 个人工挖孔嵌岩灌注桩的静载试验资料，分析了 岩溶发育地区大直径灌注桩的桩基承载特性，对单桩承载力进行了确定。 黎斌n 如等应用三维有限单元法对桩基础下的溶洞顶板进行应力分析计算，溶 洞顶板稳定性分析的假设条件为：( 1 ) 溶洞周围岩体按连续线弹性体考虑，溶洞 在天然状态下是稳定的。( 2 ) 溶洞围岩是均质各向同性的地下空间半无限体，岩 体是小变形。( 3 ) 考虑到溶洞充填物的力学性质与岩石相比很低，一般不会承受 应力，所以按空溶洞进行计算。( 4 ) 作用于分析体上的外力，主要考虑上覆岩土 体的白重应力和外加荷载作用，不考虑构造应力场的影响，外荷载的施加是一次 性施加的。( 5 ) 溶洞的形状和大小，只考虑其现状，不考虑其今后的变化发展。 溶洞的形状为椭球体。( 6 ) 不考虑自重应力的变化，主要考虑外加荷重对溶洞围 岩产生的应力及对溶洞稳定性的影响。用线弹性模型模拟溶洞在工作荷载下的性 状，采用的是1 0 结点的四面体单元。为了研究溶洞顶板的稳定性随洞体大小、 单桩设计荷载等因素的变化情况，选取了2 0 组不同洞体大小和单桩设计荷载对 溶洞顶板的稳定性进行计算分析。每输入一组溶洞大小、单桩设计荷载和桩底到 溶洞项部的距离数据，通过a n s y s 软件可以计算出各结点的主应力值，然后根据 g r i f f t h 强度准则判断溶洞顶板的稳定性。并采用多元线性回归的方法求得桩底 到溶洞顶部距离临界值与溶洞大小和单桩设计荷载之间的关系式，根据工程实例 的验证，回归方程的验证结果与实际情况相吻合。 针对目前岩溶地区嵌岩灌注桩承载特性研究较少的现状，刘铁雄n 卯等提出一 种利用室内桩基物理模型进行模拟试验的方案，应用相似原理和桩体与溶洞顶板 的作用原理，推导了模型与原型的转换关系；通过正交试验，用相似材料对岩溶 地区的灰岩岩体特性进行模拟，并选择一个配方作为模拟顶板的模拟材料，同时 把岩溶地区顶板简化为一完整的矩形板，其边界条件为2 对边简支，另2 对边自 由，而把岩溶地区嵌岩灌注桩简化为只承受竖向荷载的端承桩；在自制的桩基物 6 1 绪论 理模型上，对3 个模拟顶板试件进行破坏性静载试验，并得出3 个试件的顶板极 限荷载位移曲线，研究结果表明：顶板模拟材料的特性接近实际灰岩的破坏特性。 当溶洞的跨度为1 6m ，宽度为1 0m 时，厚度为4m 的灰岩顶板的极限荷载超过 3 7 1 0 7n 。 蔡登山u 刮等根据京珠高速公路湖北南段岩溶地区的l 根钻孔桩的详细的工 艺性试验，结合理论计算分析，对该岩溶地区钻孔灌注桩的承载能力、嵌岩深度 及顶板厚度进行了分析研究。由工程中常见的溶洞类型和跨度，取5 种计算模型。 数据表明，顶板的承载力与其结构形式有着直接的关系，空间板和拱形顶板分别 由干边界条件的约束和拱效应，承载力明显大于其它边界相对不太稳定的顶板形 式。给出了设计荷载作用下，各类型顶板所要求的临界厚度。在同一荷载作用下， 不同的顶板类型所要求的临界厚度存在着差异。 赵明华u 刊等通过对岩石变形特性及其破坏机理的分析，在确定岩溶区桩基持 力岩层安全厚度时，将持力岩层视为一刚性底板，其上作用一垂直荷载，提出了 底板可能出现冲切、剪切和弯拉破坏时的计算公式。根据抗冲切计算分析结果， 认为岩溶区桩基即使忽略下卧层软岩的顶托力，持力层硬岩厚度一般达2 5 倍桩 径，己足够安全；当桩端岩石厚度达到3 倍桩径时，可满足抗剪切要求。 黄涛u 副等结合桂林解放桥重建工程，分析评价了拟建场地的岩溶发育程度、 发育规律、岩体完整性及其分级、溶洞顶板稳定性及溶蚀斜坡稳定性等，提出了 强岩溶发育区确定桩端持力体和桩端标高的基本方法。 1 4 本文的研究内容和工作 本文试图在此基础上，依托具体的工程项目，对岩溶区桥梁桩基的承载特性 作一些探讨。具体来说，本文研究工作将包括以下几个方面： 1 、从顶板稳定性角度出发，运用结构力学的知识对岩溶地区桩基承载力进行 分析； 2 、运用有限元数值模拟对影响岩溶地区桥梁桩基承载特性的因素进行分析； 3 、根据现场的实测资料，对岩溶地区桩基承载特性进行分析； 4 、根据研究结果，合理确定岩溶地区单桩承载力。 1 5 技术路线 1 、研究、收集和整理国外岩溶地区公路设计和施工的现行规范、实例和技术； 2 、通过依托调查来评价现有的测试方法和手段，对岩溶地质条件下桥梁地基 的工程特性进行描述，建立数值分析模型； 3 、 通过依托工程现场监测，对数值模型计算结果进行验证，为岩溶地区桩 基承载特性的研究提供可靠依据。 东南大学硕士学位论文 2 、岩溶地区桩基承载力结构力学分析方法 2 1 概述 结构力学方法是结构工程中最常用的分析方法，它以弹塑性理论为基础，用 结构力学的方法，对工程中的构件或结构进行分析计算，并根据一定的设计原则 和要求，校核其强度、刚度或者稳定性。与有限元、边界元法，或者其它一些计 算方法相比，虽然结构力学方法适应范围小，所研究的结构形式简单，但是方法 成熟，运算简便，应用方便，在实际中应用较广。 用结构力学方法研究溶洞对桥基承载力的影响，首先要建立合理的计算模 型，其次要确定合适的计算参数，然后进行力学分析。 2 2 计算参数及其符号意义 在以下的结构力学分析方法中，模型分析所涉及到的参数及物理意义如下： e ：溶洞上覆岩体的弹性模量( g p a ) ； u ：岩体的泊松比； ( o 。) ：岩体容许抗压强度( m p a ) ； ( o 。) ：岩体容许抗拉强度( m p a ) ； c ：岩体的粘聚力( m p a ) ； ：岩体内摩擦力( 。) ； 。：岩体外摩擦力( 。) ； h ：溶洞底板至桩基顶面之间的岩体高度( m ) ； h o ：溶洞最大高度( m ) ； l o ：溶洞最大跨度( m ) ； y ：围岩容重( k n m 3 ) ； 节理、层理、风化、软化等因素对岩体性质有着重要影响，但如何用数值指 标定量地刻画这些因素，并将其引入力学模型的分析之中，尚未有有效的方法。 在以下的分析中，这些因素与其它物理、力学性质综合考虑。因此上述参数中没 有引入节理密度、软化系数等参数，而将这些参数对岩性的影响，在其它参数中 反映出来。 2 3 溶洞承载力结构力学分析 2 3 1 概述【1 9 瑙1 单一溶洞的承载力主要用梁、拱模型来进行分析。为此，先根据溶洞的大致 尺寸，判断在其上覆岩层中能否形成稳定的压力拱，如不能形成稳定的压力拱， 则将其顶板作为梁结构，计算其承载力。若能形成压力拱，则因拱的拱底( 非结 2 、岩溶地区桩基承载力结构力学分析方法 构部分) 范围恒包容溶洞于其内，溶洞的裂隙冒落带将以拱底面曲线为其终止界 面，故拱的承载力将是该溶洞承载力的下限值。从工程应用的目的而言，这一下 限承载力能可靠地表明溶洞承载力。换句话说，因溶洞的承载力恒大于相应的压 力拱的承载力，其承载能力将是可靠的。 2 3 2 梁模型 梁模型是将覆岩作为梁( 完整岩体) ，作用于梁上的荷载为岩体或梁的自重 以及上部桩基传来的荷载。以材料力学弹性梁为模拟构件而建立的计算模型，主 要用于覆岩较薄，或浅埋的溶洞稳定性分析，即在覆岩中不能形成压力拱的情况。 在模型分析中，将考虑梁有如下破坏形式，其中一旦出现任一种形式的破坏， 即认为梁已经破坏。 1 、支座上部拉裂破坏 固端支座梁在荷载作用下( 见图2 1 ) ，支座处负弯矩最大，可导致梁顶开裂。 一旦支座处断裂，则梁转化为简支梁，承载力急剧下降，导致梁体的完全破坏。 这种破坏形式的控制因素为岩体的抗拉强度，适当的地层侧压可推迟这种破坏的 发生。 桩端荷载p 梁自重q l | 1 c 图2 1 梁模型示意简图 2 、支座附近剪切破坏 支座附近有较大的剪应力，可导致该处因抗剪强度不足破坏。这种破坏将导 致梁体结构整体下沉，若波及地表，则可导致漏斗状塌陷。这种破坏主要受控 于岩体的粘聚力、摩擦角及地层侧压等。其中侧压越大，这种破坏越难于发生。 3 、跨中弯曲受拉破坏 当顶板的厚跨比h l 3 5 3 0 4 0 5 1 0 5 5 度( 米) 桩外南桩东北桩外溶洞与溶蚀溶蚀溶蚀 岩溶发西部溶发育溶南发7 号桩裂隙为 不 裂隙为裂隙为 不 育特征洞高洞高育溶贯通高主宽发主宽主宽发 0 5 0 6 0 0 洞高1 0 0 1 8 3 4 2 0 0 5 o 5 1 9 5 0 01 9 5 0 0 = 3 9 0 0 0 k n 东南大学硕士学位论文 桩顶荷载l ( n 01 0 0 0 02 0 0 0 03 0 0 0 0 4 0 0 0 0 5 0 0 0 0 4 4 2 桩侧阻力分析 图4 9 转换的等效q s 曲线 基桩自平衡试验开始后，荷载箱产生的荷载沿着桩身轴向往上、往下传递。 假设基桩受荷后，桩身结构完好( 无破损，混凝土无离析、断裂现象) ，则在各级 荷载作用下混凝土产生的应变量等于钢筋产生的应变量，通过量测预先埋置在桩 体内的钢筋计，可以实测到各钢筋应力计在每级荷载作用下所得的应力一应变关 系，可以推出相应桩截面的应力一应变关系，那么相应桩截面微分单元内的应变 量亦可求的。由此便可求得在各级荷载作用下各桩截面的桩身轴力p z 值及轴力、 摩阻力随荷载和深度变化的传递规律。 钢筋计的应变量可由其相应的压应力o 。求得，其计算公式为： 。= o 。e 。( 4 2 ) o 。= p 。；a 。( 4 3 ) p 。= k ( 二2 一五2 )( 4 4 ) 式中： e 。钢筋应力计在某级荷载作用下的应变量； o 。钢筋应力计在某级荷载作用下压应力值( k n m 2 ) ； e 。钢筋的弹性模量( k n m 2 ) ； p 。钢筋应力计在某级荷载作用下所受的压力( k n ) ； k 钢筋应力计系数( k n h z 2 ) ； f 。钢筋应力计埋设后加载前的量测值( h z ) ； f 。钥筋应力计在某级荷载作用下的量测值( h z ) ； a 。主筋截面积( m 2 ) 。 在同级荷载作用下，试桩内混凝土所产生的应变量等于钢筋所产生的应变 量，相应桩截面微单元内的应变量即为钢筋的应变量，其计算公式如下： 。= o 。e 。( 4 5 ) o 。= p 。a( 4 6 ) 式中： e 。某级荷载作用下桩身截面微单元产生的应变量； o 。某级荷载作用下桩身截面微单元产生的应力值( k n m 2 ) ； a 桩截面面积( m 2 ) ； p ：某级荷载作用下桩身某截面的轴向力( k n ) ； 3 4 o 2 4 6 8加屹m嵋蝎 重浍掣馨辑 4 、工程实例 e 。桩混凝土弹性模量( k n m 2 ) 。 由式( 4 2 ) 、( 4 3 ) j ( 4 4 ) 、( 4 5 ) 、( 4 6 ) 可得： p 。= p 。；e 。a e 。a 。( 4 7 ) 从公式( 4 7 ) 中可以看出，每级荷载作用下，截面桩身轴向力p 。与该截面钢 筋应力计所受压力p 。存在正比关系。在建立试桩标定截面处的p 。p 。；相关方程 后，各量测截面的桩身轴向力p ：值便可由相应的相关方程求得。 各土层桩侧摩阻力q 。可根据下式求得： q 。= p 。f( 4 8 ) 式中： q 。桩侧各土层的摩阻力( k n m 2 ) ； p 。桩身量测截面之间的轴向力p ：之差值( k n ) ； f 桩身量测截面之间桩段的侧表面积( m 2 ) 。 根据试桩各截面所测得轴力计算出的各测试桩段摩阻力一位移关系曲线见 下图4 1 0 。桩在荷载作用下，桩身会产生压缩，各个截面处桩岩的相对位移不 同，摩阻力发挥程度就不同。随着荷载增加，位移加大，桩侧阻力慢慢得以发挥。 摩 阻 力 k p a 4 4 3 桩端阻力分析 012345678 位移m m 图4 1 0 各测试土层的摩阻力一位移曲线 实测的端阻力一位移关系见下图4 1 1 所示，可见随位移增大，端阻力基本呈 线性增长，由于端阻力的发挥需要一定的位移，而桩底位移一般很小，所以难以 发挥其极限值。 桩端阻力k p 8 o5 0 01 0 0 01 5 0 02 0 0 02 5 0 03 0 0 0 图4 1 1z 2 桩端阻力一位移曲线 印 o 2 2 1 l 0 5 l 5 2 5 0 l 2 量龄掣磐辑 东南大学硕士学位论文 4 5 本章小结 由实测的q s 曲线可以看出：在相同荷载作用下，z 1 的沉降远大于z 2 ，表 现为岩溶的存在对桩的侧摩阻力有较大影响。根据有关试验和研究成果，当桩端 岩土强度较低时，不仅使桩侧阻力降低，并使桩土临界位移增大。本次试验的2 根桩，桩侧岩土特性的差异很小，主要的区别在于z 1 桩的桩端存在溶洞，溶洞 无充填部分虽经处理，但溶洞下部充填物强度较低，降低了持力层的强度，不利 于摩阻力的发挥，越靠近桩端影响越明显。另外，溶洞在桩底附近形成了一个临 空面，与z 2 桩相比，其岩土整体强度较低，桩身轴力通过桩侧摩阻力由上向下 逐渐向桩周岩土扩散，使裂隙发育的岩体在扩散应力的作用下，趋于松弛，变形 增大，且越往下越明显，因此导致z 1 桩的下部摩阻力低于z 2 桩发挥极限摩阻力， 所需位移也比z 2 桩要大，而z 1 桩的上段，因距溶洞有一定距离，其摩阻力所受 影响不大，但发挥极限摩阻力所需位移增大。 3 6 5 、岩溶地区单桩竖向承载力确定 5 、岩溶地区单桩竖向承载力确定 5 1 概述 由于岩溶地区工程水文地质条件的复杂性，岩溶区桥梁桩基设计必须注意下 列问题 3 7 4 2 1 ： ( 1 ) 对整个场地岩溶的发育规律、埋藏条件和岩溶的分布、形状、大小、延 伸方向，基岩的完整性，风化程度、岩溶地下水情况和岩溶填充物等都要通过详 细勘测彻底查明，设计时才能心中有数。其中，要特别注意建筑场地内是否有大 型溶洞，另外，应特别注意岩溶的主要延伸方向和路线，因为该路线上的溶洞、 裂隙、石芽分布最多，使岩体的承载力偏低。设计时，要加大这条路线上各基桩 的底面积，以提高桩的承载力。成孔后做基岩检查时也要特别注意这溶发育情况 ( 2 ) 岩溶地区的桩基一般宜用钻孔桩或人工挖孔灌注桩。当单桩荷载较大