基于有限元的岩溶地基大直径单桩沉降特性分析.pdf

前卫理念 前卫基于有限元的岩溶地基大直径单桩沉降特性分析宋亚平陈硕(广西金海洋勘察设计有限公司,广西 南宁 ;广西江河水利电力建筑设计有限公司,广西 南宁 )【摘要】本文在分析了岩溶地基的特性、研究现状以及岩溶地区桩基沉降影响因素的基础上,针对广西某岩溶上的大直径单桩,建立了桩土二维有限元模型,研究分析了在不同桩径、不同桩底溶洞顶板厚度、不同桩端嵌岩深度下大直径单桩的沉降变形特性,并提出了岩溶地区钻探设计的应对措施,希望能为桩基勘察、设计及施工提供借鉴依据.【关键词】大直径单桩;岩溶地基;有限元分析;优化措施随着社会经济的发展，高层建筑和大跨度桥梁等高重建筑物快速增多，大直径桩基的应用越来越广泛，其良好的承载力、较小的沉降量和优越的抗震性能提高了其在各种地质条件下的适用性。岩溶作为一种典型的不良地质，具有较典型的特殊性，在其上修建建筑物时往往受其地下复杂的溶洞情况影响，从而使得桩的使用和承载力发挥受到限制。目前现有规范对于岩溶地基的桩基沉降计算没有专门的规定，现有的桩基承载变形理论是否适用于岩溶地基复杂的地质条件需要进行更深入的研究。因此，研究桩基在岩溶地基上的沉降变形特性不仅具有较高的理论意义，更是工程建设实践的迫切要求。岩溶地基的特性及研究现状岩溶发生在可溶性岩石中，常见的可溶性岩石主要为石膏、芒硝、白云岩、石灰岩等。可溶性岩石在地表水和地下水下渗、流动的过程中发生溶蚀作用，岩石的成分、岩层形态、晶粒结构等对于岩溶的发育程度有直接影响，一般晶粒较粗大、层厚较大、含杂质较少的岩层岩溶发育较强，反之较弱。同时，节理裂隙、断层断裂带、褶皱轴部等地质构造较复杂处，岩溶最易发育。除此之外，岩溶发育还与地下水的运动紧密相关，水源充足、水流活跃、降水丰富、气候潮湿的地区加速了溶蚀作用。在长期的地质作用下形成溶洞、溶沟、落水洞等各种地貌形态。岩溶广泛分布于全国各省区，以广西和云贵地区最为典型。其中，碳酸盐类岩石的分布在可溶性岩石中又占绝对优势，如石灰岩。溶蚀作用的不断发展，让岩溶场地往往面临着地表塌陷、渗漏冒水等地质问题。随 着我 国 基础 设施 的不 断 建设，加之岩溶地区的广泛分布，越来越多的工程项目不可避免地需建造在岩溶地基上，在其上建造各类工程项目需考虑其对地基稳定性的不良影响。岩溶属于不良的地质作用，其复杂的地质条件使基础的选用受到很大的影响，尤其是高重建筑物，浅基础已经不能满足其承载能力和稳定性要求，研究桩基在岩溶地区沉降及稳定性能具有广泛的工程意义。目前，越来越多的学者对岩溶桩基领域进行了较深入的试验研究，赵明华等学者对桩基持力层的厚度确定方法提出了合理建议；黄生根等通过现场试验分析了溶洞对桩基稳定性的影响。岩溶地区桩基沉降影响因素桩底顶板厚度的影响岩溶地区往往上覆红黏土层厚度较小，当采用桩基时常常按嵌岩桩进行设计，并将桩端置于一定厚度的溶洞顶板上。桩底顶板厚度是影响桩基沉降的重要因素。当溶洞顶板厚度较小时，往往因不满足承载力要求而导致溶洞顶板坍塌。基于现有规范，对于大直径桩常要求桩端较完整岩的厚度不小于 m且不小于三倍的桩径。结合工程实践，不同地区岩溶发育差异较大，有些地区溶洞发育较弱，岩土勘察时能在较浅层地表揭露满足要求的一定厚度的较完整岩，能实现桩基的稳定。但像广西德保等地区地下溶洞发育较强烈，个别楼栋钻探至室外标高以下 m仍未揭露大于 m的较完整岩。在多岩溶、串珠状岩溶区进行工程建设，顶板厚度对于指导岩土勘察时需揭露洞底较完整岩的尺寸、有效控制桩基沉降以及调整优化桩基施工方案具有较大的实践意义。基于此，对于桩底溶洞顶板厚度的尺寸提出更严格的要求，较小的顶板厚度是否仍满足桩基沉降要求，需要进一步探讨。桩端嵌入岩层深度的影响作为嵌岩桩，桩端进入岩层的深度直接影响嵌岩段侧阻力端阻综合系数的大小，从而影响单桩承载力的大小和单桩沉降量。在溶洞顶板厚度一定的情况下，增加桩端嵌岩深度，在增大承载力的同时也将削减桩底顶板厚度，增大桩底持力层的沉降量，不利于单桩承载力的发挥，经济效果较差。故寻 求 嵌 岩 深 度 和 顶 板 厚 度 之 间 的 平 衡 具 有 较 大意义。桩径的影响单桩沉降量包含桩端下岩土层的压缩量及桩身压缩量两前卫理念前卫 部分。其中桩身压缩量取决 于桩 长、桩径 及桩 身混 凝 土等，即桩径的大小影响桩身的压缩量。除此之外，在溶洞尺寸一定的情况下，研究桩径的大小对于桩底岩层的压缩量也有一定影响。除上述因素外，溶洞的跨度、高度、形状、桩端岩层的承载力及桩底沉渣等也是影响桩基沉降的重要因素。桩基特性的模拟分析工程概况广西百色某高层建筑项目占地面积约四万多平方米，地势较开阔，为溶蚀低山丘陵地貌，场地及其附近没有大的断裂构造通过，也没有活动性的深大断裂，地质构造简单，岩石岩性以石炭系灰岩为主。场地所在地属湿热气候，年平均气温在 之间，年平均降雨量 mm，年平均相对湿度，极具岩溶发育条件。场地岩土层分别为素填土、硬塑状态的粉质粘土和较完整的中风化石灰岩。介于场地整平工作量大对场地进行分区勘察并取样。该地区为覆盖型岩溶场地，上覆土层属第四系冲积红黏土，土黄色、稍湿、硬塑状态，主要由粘性土及少量铁锰质风化小块石组成，土质均匀，黏性较好，层厚为 m m，平均厚度为 m，该层在场地中均有分布。红黏土上为第四系人工填土，松散、稍湿，属高压缩性土，该土层考虑施工时先挖除再进行桩基施工。红黏土下为中风化较完整的石炭系石灰岩，多数灰白色，少数呈紫红色，隐晶质结构，岩芯采取率达 ，岩体基本质量等级为级，未揭穿。在该分区共布置 个钻孔，其中 个钻孔遇 个溶洞，部分溶洞呈串珠状，其中 个溶洞由软塑至可塑状黏土充填，个为半充填溶洞，个为无充填溶洞且该溶洞经定量计算均有发生塌落的可能。线岩溶率，遇洞隙率，岩溶中等发育。取级土样进行孔隙比、快剪、压缩、胀缩性等试验，取中风化灰岩做单轴饱和抗压强度试验。下覆石灰岩按经验取值，取其密度为 g/c m，弹性模量为 G p a，粘聚力为 M p a，内摩擦角为 ，泊松比为。红黏土的密度为 g/c m，弹性模量为 M p a，粘聚力为 K p a，内摩擦角为 。弹性模量取为其压缩模量的 倍。其中桩基的弹性模量为 G p a，泊松比为，密度为 g/c m，中风化石灰岩的单轴饱和抗压强度标准值为 M p a。桩土地基有限元模型的建立桩作为深基础的一种主要形式，在工程建设领域的运用越来越普遍，其主要通过桩侧摩阻力和桩端阻力来承受上部载荷，与其他基础相比，具有承载力高、变形小、便于机械化施工等优势。为模拟大直径单桩在岩溶地基上的变形特性，结合岩溶场地的工程地质条件，将场地土体进行简化，取具有代表性的两种土质，即硬塑状的红黏土和中风化较完整的石灰岩建立简化模型进行分析。由于岩土体的非线性特征及边 界 条 件 的 复 杂 性，利 用 解 析 方 法 难 度 较 大，而AN S Y S软件具有强大的处理计算分析能力，提供了二次开发的接口，利用AN S Y S软件进行非线性求解和动力响应分析是一种较为有效的途径。因场地受诸多因素的影响，让土体实际受力具有典型的非线性特征，十分复杂，为了简化验算同时确保计算精度故做出如下假定：()忽略 地 下水 的影 响，采用 总应 力法 分析。()两种土层之间满足位移协调变形条件。()视场地为各向同性的半无限空间。()忽略桩与桩周岩土层的侧摩阻力。()荷载为竖向施加的静载荷。工况设计基于实例项目，取红黏土层厚度 m，基岩层共 m，溶洞为 矩 形，其 高度 m，宽 度 m，建 立模 拟 场 地。以 m、m、m、m建立四种不同桩径，以 m、m、m、m建立四种不同桩 端嵌 入 岩层 深度，以 m、m、m、m、m、m、m建立几种不同桩底溶洞顶板厚度的模拟工况。由此来分析，不同桩径在同一荷载同一溶洞下、同 一 桩 径 在 同 一 荷 载 不 同 溶 洞 下 桩 基 的 承 载性能。考虑到施加的荷载为垂直于桩顶的静载荷，其不同于动荷载，不会存在波的反射，不需要引入人工边界条件，其在静荷载作用下，可截取有限的区域形成边界条件仍能具有较高的计算精度。因二维和三维模型结算结果较为相似，为方便分析计算采用二维模型，并将模型选为桩径的 倍。在模型的左侧、右侧及下侧布置约束，上部为自由面。在AN S Y S软件中选用弹塑性模型D r u c k e r P r a g e r，P l a n e 单元，依次输入各桩土的粘聚力、内摩擦角、弹性模量、密度和泊松比等常数，然后建立模型并划分网格，最后施加荷载并求解。结果分析及建议不同桩径的结果分析以不同桩径建立四种工况，其中桩端嵌入基岩深度为 m，溶洞顶板厚度为 m，施加荷载并提取桩土模型上各节点的位移进行分析，可看出其在竖直方向的位移较微小同时在桩周附近较集中，主要表现为桩周一定范围内土体的沉降，该沉降随着离桩周土距离的增大而逐渐减小，随着桩周土层承载力的提高而明显降低，而场地其他区域的变形很小，可以忽略不计。同时桩体的沉降表现为桩基本身的压缩和桩底持力层的沉降之和，且桩基本身的压缩略大于桩底持力层的沉降，主要是由于本工程为嵌岩桩，桩底基岩抗压强度大所致。有溶洞时桩底持力层的沉降明显大于桩底完整岩时的沉降，溶洞的存在增大了桩基的沉降。随着桩径前卫理念 前卫的增大，桩土沉降量减小，其中桩周土层的沉降趋势略小于桩基的沉降，桩基自身的压缩变形也有所不同。且桩径越大，桩基沉降受溶洞影响越大，当桩径增大到一定程度，溶洞顶板呈现出坍塌的趋势，该规律可能是与桩径与溶洞跨度的比值有关。对于岩溶地区，依据施工勘察确定的溶洞资料，科学合理地选择桩径对于减少桩基沉降和提高桩基稳定性具有较高的意义，值得进一步深入研究并结合工程实例监测数据建立框架模板。不同桩底溶洞顶板厚度的结果分析将溶洞顶板厚度依次改变建立模型，其中桩径为 m，桩端嵌入基岩深度为 m，从桩基沉降云图中可知，当顶板厚 度 小 于 m时，桩 基 沉 降 较 大，最 大 沉 降 量 约 为 mm，且随着顶板厚度的增加沉降变化速率逐渐变缓。当顶板厚度超过 m时，桩基沉降变化较小，变化速率逐渐变缓并基本达到稳定状态，最小沉降值约 mm，约为最大沉降量的。故对于某一特定场地和桩基，当溶洞顶板厚度达到一定值时，顶板沉降对桩基沉降的影响可以忽略不计，此时桩基的沉降主要为桩径的沉降量，即可以用桩顶沉降变化趋势来反应整体桩基的变化。不同桩端嵌入岩层深度的结果分析以桩径为 m，溶洞顶板厚度为 m，建立桩端嵌入岩层不同深度建立有限元模型。从桩基沉降云图中可知，随着嵌岩深度的增大，桩顶沉降量逐渐减小且减小趋势逐渐变缓，近似呈线性相关关系。当桩端嵌入岩层深度为时，桩基沉降约为 mm；当桩端嵌入岩层深度为 m时，桩基沉降约为 mm。因此，桩端嵌岩深度是影响桩基沉降的重要因素，探寻合理有效的入岩深度对于降低桩基沉降、提高桩基承载力及提高经济效益，避免造成较大浪费较为重要。对桩基钻探及设计的优化建议作为世界上最大的岩溶分布区之一，我国越来越多的工程项目需建造在岩溶地基上，基于岩溶地基的复杂性和不确定性，加之基岩面往往起伏较大，往往地下水较丰富，且有些地区溶洞呈串珠状、个别串珠状溶洞深度达 m以上，溶洞高度达 m以上，较大地增大了桩基设计施工的难度。因此，勘察设计人员需着重关注岩溶地区的勘察设计工作，以掌握岩溶的形态分布和发育规律，提高勘察质量。进行桩基勘察时，要结合地区岩溶发育的地质构造及区域水文背景，并在钻探过程中合理地处理漏水、钻孔偏斜及岩芯采取率等难题。对于一些较小的溶沟裂隙需结合物探结果进行综合剖析；对于钻出的岩芯需细细观察是否有溶槽溶沟等情况；对于一些深大的溶洞，需与设计沟通进行补孔，以圈定溶洞范围。结合物探及钻探结果仔细分析场地岩溶的分布、大小、规模、溶洞充填、溶洞裂隙等发育特征，并有效地评估各溶洞的坍塌稳定性。进行桩基设计时，对于埋藏较浅的溶洞，可以采取揭穿并回填低标混凝土、块石等措施。对于埋藏较深的溶洞，当顶板厚度大于 m时，可通过考虑优化桩径以减小甚至忽略溶洞的影响；当顶板厚度小于 m时，可考虑对溶洞孔隙进行高压注浆并结合桩基，对溶洞、土洞、溶沟及溶槽等采取有针对性的措施。地下水是溶洞形成和不断发育的必要条件，有效地疏排地表水和地下水是减弱溶洞发育的关键，故在桩基设计施工中应做好地下水的疏排工作。结束语本文基于广西某岩溶地基大直径桩基工程剖析了影响桩基沉降的主要因素，利用有限元软件模拟分析了在桩径、桩底顶板厚度、桩端嵌入基岩深度等工况下桩基沉降的变化规律，并针对岩溶地基桩基的勘察设计和施工提出了优化措施，对于精准掌握和评价岩溶场地的适用性，具有一定的实践意义。通过研究可知，在溶洞跨度、高度及形状等相同的情况下，桩径越大桩基沉降越小，顶板厚度达到一定值后，桩端沉降逐渐趋于稳定，同时桩端嵌入岩体尺寸也会对桩基沉降产生较大影响。但目前的相关规范对于岩溶区的桩基沉降规定、桩端入岩深度与顶板厚度之间的平衡等尚不明确，需结合理论计算和实际工程监测进行更深入的研究。参考文献:唐国东串珠状岩溶区桥梁桩基沉降计算与稳定性分析D长沙:湖南大学,孔令新,陈建湘,龙国凤广西平果铝厂岩溶勘察研究与分析J城市勘测,():钟志彬岩溶地区地基处理及桩基施工技术研究J运输经理世界,():作者简介:宋亚平(),女,汉族,山东聊城人,硕士,讲师,研究方向:防灾减灾.