桥梁工程中岩溶地质区域大孔径桩承载力影响因素探讨

颜灵胜，王宏兵

(江西省公路桥梁工程局)

1 工程概况

江西省赣崇高速公路合江口大桥(赣州市崇义县境内)工程建设的全长是942 m，在主桥的上部结构应用预应力混凝土变截面连续箱梁，下部的结构则应用了双柱式墩和嵌岩桩。桥的部分墩位在河道中，下部结构由单桩和单柱组成，钻孔灌注桩基础为1 排2 根的是单幅主墩，桩径为300 cm。大桥的所有地系梁都在河床之上和施工水位之下进行设计，钻孔桩全部应用嵌岩桩。

2 岩溶区大直径桩基有限元分析模型

在大桥的工程建设过程中，对岩溶区大孔径桩承载力的影响因素进行分析，可以建立有限元分析模型，主要的步骤包括基本假定——参数选取——模型的建立。在分析岩溶区大孔径桩承载力的影响因素之前，可以对岩体的弹塑性地基模型和桩体进行假设。例如，对应变和位移之间的线性相关进行猜想，假设线性相关的几何值;充分的对岩体的分成性进行考虑，作出统一岩层具有均匀、各项同性和连续性的特点;如果弹塑性的耦合作用不存在，会发生哪些变化;为什么桩土单元在相互接触下会产生相对滑动，但是土体和桩基之间一直都存在接触关系等。

在选取参数的时候，应该应用Druck－Prunk 本构模型，在荷载作用下，桩身和桩周岩体会产生塑性变形。主要的参数内容如表1、2。

表1 试验桩设计资料

表2 材料的物理参数表

对岩溶区大直径桩基有限元分析模型进行简化，形成单一的岩层，不设置存在溶洞位置的接可以触单元，从表3 的模型参数分析出对岩溶区大孔径桩承载力有影响的因素。

根据桩土之间的相互作用，可以设置一定的模型进行计算。例如，设置桩周土的固定值为15 倍D，150 m 的高度值，对1/4 的模型进行计算，可以分析桩土对岩溶区大孔径桩承载力的影响。利用GTS 的单元，根据弹簧的刚度概念，对节理岩体和接触面之间的错动、开裂或者滑移进行模拟，可以实现对岩溶区大孔径桩承载力的计算。

表3 影响因素表

桩基的位置处于岩溶区，穿过了大量的溶洞，所以会出现一定的岩体和混凝土界面的粘聚力和内摩擦。在模型的对称面施加一定方向的约束力，并且在圆弧面施加同样的约束力。在模型地面施加另一方向的约束力，根据装订施加面的压力值，划分阶段，逐级加载。对整个模型分析进行划分，可以有效的反映出基桩真实的施工过程。具体的桩土接触面参数如表4。

表4 桩土接触面参考表

3 桩承载力影响因素分析

根据大桥工程建设施工过程中出现的问题，建立岩溶区大直径桩基有限元分析模型，对岩溶区大孔径桩承载力进行计算，根据不同参数值，可以发现，主要的影响因素包括岩洞半径、溶洞顶板厚度、溶洞高度、桩基弹簧和桩周岩体弹模等。

如果岩溶区大孔径桩的荷载条件相同，相对于无溶洞的桩顶沉降，明显有溶洞的桩顶沉降值较大，而且受到不断增加的荷载的作用，有溶洞的桩顶沉降值会逐渐增加;如果溶洞的半径值加大，但是桩顶的沉降值没有发生明显的变化，说明只有溶洞的半径值达到一定要求的时候，才会对桩承载力造成影响(见图1a)。荷载条件相同，但是溶洞顶板厚度逐渐增加，也会对桩顶的沉降度造成一定的影响。溶洞的顶板厚度越大，桩顶的沉降值就越小(见图1b)。根据这一结果，可以看出桩周的接触面积和侧摩阻力也会对桩基的承载力造成影响。不同的溶洞顶板厚度，会使桩基处于线性变化过程中，说明刚度越大的大直径桩基，承载能力就越强。

图1 不同溶洞半径的荷载—沉降关系

溶洞的高度和桩顶的沉降系数成正比的关系，桩周的接触面越小，桩基的承载能力就越低。桩身的弹模过小，自身的压缩就会增大，导致桩顶的沉降度也随之变大(见图2);桩身在一定的弹模数值下，会产生弹模值增大，但是沉降度减小的现象。一般情况下，弹模变化对桩顶的沉降变化造成的影响较小(见图3)。桩周岩体的弹模对桩基的承载力也有一定的影响，二者成反比的关系，桩顶的沉降值会随着桩周岩石弹模值的增大而减小。

桩顶沉降度和桩周岩体弹模之间的关系，还会受到荷载的影响，因此桩周弹模也有特定的数值，低于这个值的时候，承载力就会降低，而大于这个值的时候，承载力也不会发生明显的变化。所以，桩顶的沉降度受到桩周岩体弹模的影响也比较小(见图4)。

图2 不同溶洞高度的荷载—沉降关系

图3 不同桩基弹模的荷载—沉降关系

图4 不同桩周岩石弹模的荷载—沉降关系

4 总 结

通过大桥工程建设过程中的岩溶区大孔径桩中不同因素对承载力的影响，可以应用有限元分析的方法，实现对岩溶区大孔径桩承载力影响因素的分析。综上所述，对桩基承载力造成影响的主要因素是溶洞的半径、顶板厚度、高度和桩身弹模等因素，通过对不同影响因素的分析，实现对岩溶区大孔径桩承载力的有效控制，才能保证工程的施工质量，促进建筑工程的发展。

［1］杨岳华，刘永建，邓淑飞，等.沉降控制的单桩竖向承载力及其数值分析方法［J］.公路工程，2008，33(4):23－24.

［2］甘展孜.某工程岩溶桩基分析处理［J］.岩土力学，1998，19(1):65－69.