摘要：目前，巖溶地基中的應(yīng)力分析一般都基于彈性理論。對(duì)于建筑物荷載分布不均一、巖體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)差別較大的巖溶地基，可以利用有限單元分析巖體中的應(yīng)力。本文就是采用有限單元的方法，著重討論了巖溶地區(qū)樁基承載力的主要影響因素，包括溶洞體積的大小、頂板厚度以及巖性對(duì)樁基承載力的影響。分析結(jié)果表明：在主要影響因素中，溶洞高度大小對(duì)頂板穩(wěn)定性影響較小，溶洞頂板跨度、頂板厚度影響較大。而圍巖的性質(zhì)最為明顯。
　　關(guān)鍵詞：溶洞特性；有限單元分析；極限承載力；巖溶樁基
　　巖溶又名喀斯特，是在以碳酸鹽類為主的可溶性巖石分布地區(qū)，由于水，其中特別是地下水，對(duì)巖石以溶蝕為主的作用所形成的諸現(xiàn)象的綜合。貴州屬于典型的巖溶地區(qū)。隨著國(guó)家對(duì)西部政策的傾斜，有越來越多的工程興建在巖溶地區(qū)，由于巖溶的存在，就不可避免的存在溶洞和樁基承載力的問題。利用有限單元元分析的方法，對(duì)巖溶地區(qū)影響樁基承載力大小的因素進(jìn)行分析，為工程實(shí)踐提供科學(xué)有效的數(shù)據(jù)。
　　1數(shù)值模擬試驗(yàn)介紹
　　1．1分析方法及假設(shè)條件
　　巖溶地區(qū)樁基設(shè)計(jì)一般采用嵌巖樁基，以利用巖體的較高強(qiáng)度提高樁的承載水平，減少樁的沉降。表1為不同類型巖石的承載力參考值：
　　

　　由于物理力學(xué)性質(zhì)有較大差別的巖石以及溶洞的存在，使得這種嵌巖樁之間，都有著自身的特點(diǎn)，所以在對(duì)單根樁的特性進(jìn)行分析時(shí)，宜盡可能地多考慮一些因素。
　　影響巖溶地區(qū)嵌巖樁基承載特性的因素主要有：施工方法、巖石物理力學(xué)性能、樁身幾何特性、時(shí)間因素等。在日常分析中，不可能對(duì)所有影響因素都進(jìn)行分析，只能針對(duì)實(shí)際情況對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，通過假設(shè)得到一般性結(jié)果。
　　進(jìn)行的基本假設(shè)為：
　�。�1）溶洞在自然狀態(tài)下物理力學(xué)性質(zhì)是穩(wěn)定的；
　�。�2）溶洞周圍巖體為均勻的，各向材料性質(zhì)相同；
　�。�3）溶洞內(nèi)按空洞進(jìn)行分析，忽略洞內(nèi)物質(zhì)影響，不考慮溶蝕等化學(xué)效應(yīng)；
　�。�4）樁端載荷假設(shè)是靜力荷載；
　　1．2計(jì)算模型的確定
　　不考慮樁側(cè)樁與土和巖石之間的摩擦阻力，將樁作為嵌巖樁進(jìn)行分析�？紤]承載力最大情況，即樁頂荷載全部傳遞至樁端，且溶洞正好位于樁端的正下方。為了分析的結(jié)果不失一般性，根據(jù)分析問題的特點(diǎn)采用軸對(duì)稱模型。
　

　　將溶洞簡(jiǎn)化為位于樁底正下方的圓柱形溶洞，模型邊界條件為：底部采用位移邊界條件，即水平和垂直方向的位移均約束；側(cè)面水平方向位移約束。采用8節(jié)點(diǎn)四邊形等參單元，進(jìn)行非線性靜力分析。
　　1．3荷載及邊界條件
　　模型邊界條件按如下設(shè)置：不考慮上覆土層的影響，將巖體上表面取自由邊界；下表面取固定位移邊界，即x、y、二方向位移固定，左側(cè)巖體邊界面為對(duì)稱邊界，施加對(duì)稱位移約束，即只有豎向位移y，水平位移x固定；右側(cè)邊界考慮位置較遠(yuǎn)處位移可以忽略，亦分別取x,y方向位移固定。
　　1．4圍巖特性
　　為了使得分析結(jié)果更具有代表性，采用三種典型的巖體參數(shù)，分別代表非常堅(jiān)硬巖體、中等強(qiáng)度巖體和軟巖巖體。
　

　　1．5樁的極限承載力的確定
　　由于當(dāng)?shù)鼗�下存在溶洞時(shí)，巖體屈服破壞形式不僅與巖土性質(zhì)、孔洞尺寸有關(guān)，而且與溶洞相對(duì)位置等都有關(guān)系。對(duì)于埋深較淺的溶洞，塑性區(qū)將擴(kuò)展到溶洞頂板從而導(dǎo)致孔洞的坍塌破壞，因此這里通過塑性擴(kuò)展區(qū)到達(dá)溶洞頂部時(shí)對(duì)應(yīng)的樁端荷載為極限荷載；而對(duì)于埋深較大的溶洞，塑性區(qū)是否到達(dá)溶洞的頂部，還取決于孔洞的尺寸、深度以及巖性等，需綜合考慮各種因素，我們不參與討論。
　　2數(shù)值模擬結(jié)果及其分析
　　2．1溶洞高度對(duì)樁極限承載力的影響
　　這里首先討論溶洞的高度對(duì)樁的極限承載力的影響。分析假定圍巖的巖性參數(shù)、溶洞跨度不變，溶洞高度發(fā)生改變時(shí)，樁的極限承載力的變化規(guī)律。
　　計(jì)算時(shí)溶洞的計(jì)算跨度L取為4D(D為樁徑，D=1.2m)，即為4．8m，溶洞高度分別取為0.5D、1D、1.5D、2D、2.5D及3D，圍巖取軟巖分析。根據(jù)以上方法，確定在不同溶洞高度條件下，樁的極限承載力結(jié)果見下表：
　　

　　可以得到在此種條件下樁的極限承載力與溶洞高度的關(guān)系曲線。(見圖2)

　　數(shù)據(jù)表明，條件一定時(shí)，當(dāng)溶洞的高度從0.5D增加到3D時(shí)，樁基的極限承載力從1.8Mpa下降至1.757Mpa，樁基的極限承載力只有少許下降，如果取樁的極限承載力為1．8Mpa，則溶洞高度在0．5D—3．0D內(nèi)變化時(shí)，樁的極限承載力的誤差控制在在2.4％�？梢缘贸鼋Y(jié)論，溶洞高度對(duì)樁基的極限承載力結(jié)果影響不大。因此在下面的分析中，溶洞高度均取1D來討論，這樣能減少計(jì)算分析的工作量，而且所得的結(jié)論對(duì)于各種不同的溶洞高度的誤差也不會(huì)明顯。
　　2．2溶洞頂板跨度對(duì)于樁的極限承載力的影響
　　當(dāng)溶洞頂板厚度一定時(shí)，溶洞的高度對(duì)樁的極限承載力結(jié)果影響不大，但溶洞的跨度對(duì)樁的極限承載力的影響卻非常大。分析時(shí)溶洞高度均取1D，溶洞頂板厚度的變化幅度在已有的經(jīng)驗(yàn)值范圍內(nèi)考慮，取H=5m的情況分析。溶洞跨度分別取1D—5D，中等強(qiáng)度圍巖情況下計(jì)算結(jié)果見下表3所示：
　　

　　
　　可以得到在此種條件下樁的極限承載力與溶洞高度的關(guān)系曲線。(見圖3)

　　計(jì)算數(shù)據(jù)表明：當(dāng)溶洞頂板厚度不變時(shí)，當(dāng)溶洞的跨度從1D增加到5D時(shí)，樁基的極限承載力從28.7Mpa下降至21.1Mpa，樁基的極限承載力下降明顯，如果取樁的極限承載力為28Mpa，則溶洞跨度在1D—5D內(nèi)變化時(shí)，樁的極限承載力下降了27.1％。所以樁基的極限承載力將總是隨著溶洞跨度的增加而減小。
　　2．3溶洞頂板厚度對(duì)于極限承載力的影響
　　圖4為中等強(qiáng)度巖性條件下地基極限承載力與溶洞頂板厚度的關(guān)系曲線

　　很明顯，對(duì)于溶洞跨度與高度一定的條件下，隨著溶洞頂板厚度的增加，地基的極限承載力也越來越大。
　　2．4巖性對(duì)于極限承載力的影響
　　目前主要依據(jù)地質(zhì)強(qiáng)度指數(shù)，來估算在不同地質(zhì)條件下的巖體極限承載力。地質(zhì)強(qiáng)度越高，表示巖體極限承載力越高，通常當(dāng)巖體強(qiáng)度指數(shù)大于25時(shí)，巖體的質(zhì)量較好。見圖5：

　　當(dāng)頂板厚度一定時(shí)，對(duì)于以上所述的三類巖體，即堅(jiān)硬巖體、中等強(qiáng)度巖體和軟巖巖體，它們的地質(zhì)強(qiáng)度指數(shù)分別為75、50和30。從上圖可以看出：地基極限承載力是隨著地質(zhì)強(qiáng)度的增大而急劇增加。
　　按照上述方法，當(dāng)溶洞頂板跨度一定時(shí)，同樣當(dāng)?shù)刭|(zhì)強(qiáng)度指數(shù)從30增大到75時(shí)，地基極限承載力也得到了較大的增長(zhǎng)。
　　3結(jié)論
　　由于巖溶地區(qū)樁的極限承載力影響因素眾多，為計(jì)算準(zhǔn)確，在計(jì)算中應(yīng)當(dāng)盡可能考慮各種因素對(duì)于樁的極限承載力的影響。在眾多的影響因素中，我們著重分析了圍巖特性以及溶洞的高度、跨度、頂板厚度的影響。首先針對(duì)一種圍巖，分析在一定跨度和頂板厚度條件下，溶洞高度對(duì)樁的極限承載力的影響，然后選定溶洞某一特征值，分析其它因素的影響，數(shù)值模擬表明：
　　1．在巖溶地區(qū)，溶洞高度對(duì)樁的極限承載力影響較小，因此盡管溶洞實(shí)際高度各有不同，但其影響不大，這為以后進(jìn)一步的計(jì)算提供了方便。
　　2．而溶洞頂板跨度、厚度對(duì)極限承載力影響較大。
　　3．在主要影響因素中，圍巖強(qiáng)度對(duì)樁基極限承載力的影響最為明顯，巖體強(qiáng)度越高，極限承載力就越大。
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